基于KingSCADA的建筑設備管理系統設計與實現

鄭在富，祝竟梅

（四川礦產機電技師學院，四川，成都 611230）

0 引 言

建筑設備管理系統是各種家居和商業建筑中必不可少的配置，在實現節能減排、合理管理和使用建筑設備方面具有不可替代的作用。該系統的核心當屬監控組態軟件，監控組態軟件屬于現代計算機測控系統，在工業自動化中發揮著至關重要的作用，可免除一些儀器儀表的配置，不但節省大量的人力和物力，而且還讓系統更加智能化。該類系統的功能非常完善，能夠采集最基本的信息數據，取得很好的控制效果。此外，該類系統還具有人機交互功能，可進行數據的交換和分析處理，提供報表打印和故障診斷等功能，能夠根據不同的控制系統增減部件實現各自的功能，具有開放性、多變性和通用性。本文在建筑設備管理系統中使用了KingSCADA3.7 組態軟件。

1 系統的背景和意義

有研究表明，2013年國內整個建筑設備管理系統的市場規模只有5 197.4 億元，2018年超過10 000 億元，2019年超過12 000 億元，預計到2025年將會達到20 000 億元。由此可見，建筑設備管理系統發展迅速，市場規模越來越大。為了使企業在市場競爭中脫穎而出，迅速占領市場，本文研發了基于KingSCADA 的建筑設備管理系統，并在投入運行后取得良好的效果。

2 功能分析

KingSCADA 是亞控公司自主開發的組態軟件，是在組態王（KingView）的基礎上發展而來的高端產品，在各行業的工業控制系統中得到廣泛的應用。KingSCADA3.7 組態軟件和其他常用的工業用軟件一樣結合了前期設計和后期運用功能，具有優異的組態功能。此類功能可以通過信息交互實現對以各種方式布局系統的智能化管理，以發揮設備的最佳效用。該軟件可應用于各種主流操作系統中，支持多語種系統，完美支持Windows 10。管理人員和技術人員可隨時隨地從Web 端登錄系統，實現對工業現場的監控，同時具有管理者和生產者身份的角色，不但能夠查看各種歷史數據和現場數據，還能夠對各種報表、報警數據進行及時的處理，從而提高了生產力和執行力。我們既可以組建單機系統，也可以通過網絡拓撲機構建多機一體化系統，適用于各種工業控制系統。

組態軟件KingSCADA3.7 版本和其他版本的區別在于，數據詞典中添加的I/O 變量需要由獨立的KingIOServer 工程設計器來創建，并且通過網絡配置對IOServer 服務器的站點進行添加后才能使用。首先，運用組在服務端進行畫面創建，編寫各種腳本對系統進行控制，可以運用的腳本包括配方模板、系統腳本和自定義腳本。對于比較復雜的大型系統（比如包含多個PID 控制的系統），還要結合運用VB，以使系統達到控制要求。此外，對于各種控制數據，還需要創建相應的數據庫來存儲和處理數據，各種報表和曲線的使用讓工業控制變得更加容易。

建筑設備管理系統包含智能照明管理系統、環境檢測管理系統、新風管理系統、中央空調管理系統、能耗管理系統和報表系統等。本文以中央空調管理系統和新風管理系統為例，介紹基于KingSCADA 的建筑設備管理系統，系統網絡結構如圖1所示。

圖1 系統網絡結構

空調系統是現代建筑的重要成員，是整個建筑設備管理系統最為重要的監控對象，也是整個樓宇工作系統組態監控的重點目標之一，其在建筑設備管理系統中的地位主要體現在以下幾個方面：（1）中央空調和新風系統的運行效果決定著所控制區域乃至整個樓宇工作環境的優劣；（2）中央空調和新風系統所消耗的能量占整個建筑設備管理系統的一半，是整個系統中耗能最大的部分，而其能耗分配為冷熱源消耗40%，傳輸和運送消耗60%，其耗能情況決定著整個系統的耗能表現；（3）空調系統控制要求是要根據現場情況變化立刻做出反應，是整個系統中自動化程度最高的部分，對組態實時監控要求比較高。只有從源頭即從空調開始做好監控工作才能達到有效節能的目的。本系統采用KingSCADA 對建筑設備管理系統進行組態、監控和控制調節。耗能的關系可用以下公式來表示：

=△=[（）-（）]

其中，為系統能耗，（）為室外溫度，（）為室內溫度，系統能耗與溫差成正比。

中央空調和新風系統主要通過送氣和回風的關聯調節，對空氣進行降溫和除濕，也就是對新風溫度、新風濕度以及回風溫度、濕度的監控、調節，使控制區域處于預期狀態。針對溫度的調節要注意室內溫度與室外溫度的差異不能過大，通過組態監控進行PID 實時調節，冬季溫度設定值大概在25℃～27 ℃之間，夏季溫度設定值要固定在25 ℃～27 ℃范圍之內。根據不同環境的作業要求進行工藝性調節。針對不同工作環境濕度變化不穩定的情況，根據工業要求不同，各種生產工藝對濕度的要求大不相同，比如電子生產車間要求相對濕度50%±10%，但是紡織車間中工藝要求相對濕度85%±10%。所以冬季相對濕度設定值范圍為40%～50%，夏季相對濕度設定值范圍為50%～60%。溫度與濕度具有關聯性，彼此之間不是獨立存在的。濕度的變化會引起溫度的波動，而溫度的變化則會引起相對濕度和絕對濕度的變化，溫度的變化將會引起相對濕度和絕對濕度的增大或減小。所以在設計系統時需要綜合考慮二者的相互影響，以實現最佳的系統性能。

空調管理系統按照實現的功能分為冷源系統、熱源系統和前端設備。其中冷源系統由冷水機組、冷凍水系統組成。空調管理系統具有典型性。首先，各種干擾源均會影響系統的運行，比如室外的天氣情況會影響室內溫度，陰天和晴天對比下有雪天和無雪天的干擾結果肯定是不一樣的，同理新風系統采集進來的新風也會形成干擾源，不但會影響室內溫度還會影響室內濕度。其次，工作情景模式需要根據季節和環境的變化而變換，冬季的控制策略和夏季的控制策略不一樣，可以進行手動模式和自動模式的切換?？梢愿鶕到y工作環境的不同設計不同的組態監控位置和監控參數，以實現精確地控制。

系統控制策略可分為以下幾個部分：

（1）系統啟動分為手動模式和自動模式。自動模式下又可通過兩種方式進行控制。第一種方式是按照時間表控制風機的啟動，時間表包含4 個定時開關段和1 個節假日時間段。第二種方式需要同時滿足送風機無故障報警、無低溫報警，系統啟停命令為開、送風機及空調啟動命令為開時，送風機及空調開始正常運轉。

（2）系統需要將水閥、風閥、加濕閥與風機狀態相關聯，當風機關閉時，水閥、風閥和加濕閥必須關閉。

（3）防凍開關用于防凍，當環境溫度低于所設定的最低溫度時防凍開關開啟，與此同時新風系統停止運行。

（4）壓差開關用于對過濾網的阻塞進行報警。當系統檢測到壓差不在工作范圍之內時壓差開關開啟。

（5）加濕閥根據回風濕度進行控制。監測回風濕度，通過啟?？照{加濕閥，使回風濕度保持在設定值范圍內（45%±10%）。當回風濕度低于設定值時，加濕閥開啟；當回風濕度高于設定值時，加濕閥關閉。

（6）冷熱水閥在空調啟動時開始工作，此時冷熱水閥開度開至1/2，空調未運行時，冷熱水電動調節閥關閉。系統監測送風溫度，通過PID 調節冷熱水閥，使送風溫度保持在設定值范圍內。系統啟動后水閥開度50%持續5 分鐘，5 分鐘之后根據送風溫度PI 調節水閥，使送風溫度維持在設定值20 ℃±2 ℃。當室外溫度大于10 ℃小于20 ℃時，水閥開度為0%，只開送風機或空調。冬季送風溫度維持在設定值30 ℃±2 ℃，控制策略與夏季相反。

（7）空調運行后，風閥都要開啟，初始開度新風閥為3/10、回風閥為7/10，空調送風機關閉時，電動風閥關閉。當室外溫度大于15 ℃小于25 ℃時，新風閥開度為100%。當室外溫度小于15 ℃或者大于25℃時，系統啟動后新風閥開度50%持續5 分鐘。5 分鐘之后根據回風CO濃度持續5分鐘。5 分鐘之后根據回風CO濃度PID 調節新風閥，使回風CO濃度維持在500 ppm±10%。此過程中新風閥設定最小開度值30%?；仫L閥開度總量與新風閥開度互補，新風閥開度和回風閥開度之和始終維持在100%。

3 系統設計

根據系統設計目標、系統控制策略和運行策略的要求，兼顧系統的性價比和可操作性，本文采用直接數字控制（Direct Digital Control, DDC）設計了基于KingSCADA 的建筑設備管理系統。根據控制策略，監控組態監控功能設計為：

（1）監控風機工作狀態，是否運行、處于手動還是自動狀態、有沒有過載報警、統計風機運行的總時間、運行開關次數、風機的頻率大小及調節情況。

（2）監測送風通道和回風通道的溫度和濕度。監測送風溫度、送風濕度、回風溫度、回風濕度，然后根據設定值的大小運用PID 對電動調節閥進行調節，控制水閥和加濕閥的開度，讓送風溫濕度和回風溫濕度達到設定值的范圍。

（3）監測回風CO濃度，根據CO濃度實時調節控制。

（4）監測室外溫度和相對濕度。

（5）監測粗效過濾網兩邊的壓差，根據報警信號提示進行清洗。

（6）監測防凍開關的狀態，出現低溫報警時及時停止風機，關閉送風機。

（7）根據室內和室外溫度的差值，及時調節風機和風閥。

根據以上擬定的組態監控功能設計監測點，如表1所示。

表1 監測點

設計各控制流程，其中回風CO濃度控制流程如圖2所示。

圖2 回風CO2 濃度控制流程

工業控制中各個對象的數據大小和單位量綱都不一樣，通過計算機數字控制系統采集數據后，經過模數轉換（A/D）轉換后該數據變得沒有量綱。在工程實踐中，需要將這些沒有量綱的數據轉換為有量綱的數據才能進行計算、讀寫和控制打印等，實現最終的標度變換。KingSCDA 通過現場的各種溫濕度傳感器等I/O 設備監測獲取實時數據量，經過算法處理后實現兩方面的功能：（1）以動畫或圖形的方式在KingSCDA 畫面上顯示實時數據。（2）根據控制要求將一些控制參數傳送給現場設備的I/O，然后對控制對象和執行結構進行控制。通過畫面設計和編輯，編輯出適合系統的組態界面，編寫應用程序后進行調試。實際操作中，首先運用仿真模式檢驗動畫的運行效果是否達到設計要求，運行狀態是否符合設定的控制流程要求。連接好設備驅動程序后設置正確的通信協議與外部設備進行連接。綜合測試后，排除和修正所存在的問題和缺陷，改進系統設計后最終投入實際運行。

工業現場的實時反應需要開環控制，工業系統中一般采用對控制對象設置一個設定值的方式實現。但是控制系統要求迅速準確地使生產對象達到所設定的偏差之內，所以現代生產系統中采用了符合生產實際的控制算法，現階段大量運用的是PID 控制算法。本系統采用KingSCADA 中“對象”“OCX 控件”目錄下的“KingviewPid Control”。該OCX 控件需要在畫面中使用，如果系統建立的畫面有很多個，但是具有“KingviewPid Control”控件的畫面沒有處于當前運行活動狀態，說明控制算法沒有起到控制作用。采用的處理方法是在命令程序語言中編寫腳本，使“KingviewPid Control”控件設定值與數據詞典設定值相關聯，讓該控件處于運行狀態。此方法的缺點是需要設置的參數比較多，而且該控件只能提供溫度、壓力的PID 調節功能，對于復雜的工業控制系統則需在設備端實現PID 控制?！癒ingviewPid Control”控件如圖3所示。

圖3 “KingviewPid Control”控件

根據PID 表達式采用命令語言編寫PID 控制程序。PID表達式又分為位置型算法和增量型算法兩種，位置型算法表達式為：

增量型算法表達式為：

在工業控制系統中增量型算法比較實用，相鄰時刻輸出絕對值的差為增量型，位置型算法產生的累加誤差比較大，增量型算法計算誤差對控制量影響不大。位置型算法輸出全部控制量，誤動作比較大，增量型算法誤動作比較小，可以采用邏輯判斷對輸出進行控制，對系統的影響幾近為零。增量型積分不會無效，控制精度容易得到控制，編程簡單系統占用內存很少。部分PID 代碼為：

新建組態系統，設計各功能的監控畫面，在KingIOServer工程設計器中新建各設備變量，然后在KingSCADA3.7 的數據詞典中設置各監控點的參數。仿真調試后，現場運行達到設定目標，最終系統成功投入運行。系統工作人員在組態監控畫面中可以查看生產現場的監控數據和生產流程，打印實時/歷史報表，觀看實時/歷史趨勢曲線，根據監控情況實時處理過程報警和系統報警，進行必要的數據參數修改以干預某個流程，遠程網絡監控和發布實時生產數據。網絡發布遠程監控提供實時生產數據。設計的其中一組畫面如圖4所示。

圖4 監控組態畫面

4 結 論

基于KingSCADA 的建筑設備管理系統經過調試后投入運行，在某醫院建筑設備管理系統中運行監控組態狀態良好，為企業自主設計應用提供了良好的解決方案，而不用買成套的成品，同等條件下為企業節約了成本，提高了企業競爭力，具有一定的推廣應用價值。