樓宇能源設備監控管理系統設計

劉希軍 解華林 葉一平 王昕欣

摘? 要：設計研究樓宇設備管理系統以及閥門控制系統，實現智能樓宇的現代化控制方式。采用Webtalk通過BACnet IP協議將數據傳輸到網關，網關連接控制器，通過控制器控制管理樓宇末端設備。利用Vistools開發管理系統，功能整合成相應系統模塊，完成控制器數據傳輸。利用組態界面模擬實際控件，開發空調組件、集水坑組件和樓宇中的信息采集控制界面，使樓宇管理者能夠更加直觀觀察操作實際控件狀態，實現檢測數據顯示與設備智能控制管理。

關鍵詞：樓宇設備管理；網關；組態界面

中圖分類號：TP277? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0182-04

Abstract： This paper designs and researches building equipment management systems and valve control systems to realize modern control methods for intelligent buildings. The data is transmitted to the gateway through the BACnet IP protocol by using Webtalk， the gateway is connected to the controller and the terminal equipment of the building is controlled and managed through the controller. It uses Vistools to develop management system， integrates functions into corresponding system modules， and completes controller data transmission. It uses the configuration interface to simulate the actual controls， develops the air-conditioning components， sump components and the information collection control interface in the building， so that the building manager can more intuitively observe the actual control state of the operation， and realize the detection of data display and equipment intelligent control management.

Keywords： building equipment management; gateway; configuration interface

0? 引? 言

樓宇作為人類生存最基本的場所，隨著時代發展，人口數量的增加，樓宇的數量呈現上漲的趨勢，但是其中對于樓宇的智能建設我國的普及性還遠遠不足。相比傳統的樓宇控制，智能樓宇控制系統對于樓宇內部的用電設備控制，更能夠節約能源，并且對于室內的信息采集能夠第一時間反饋到上位機上進行統一的管理運行[1，2]。

智能樓宇控制采用局域網控制，運用局域網可節約由于布線而浪費的人工成本和設備成本，可以自動監控設備，降低設備檢查成本，提高安全管理標準，確保設備正常運行。同時，大數據可以分析能耗，幫助降低能耗，采用統一無線通信標準，可以輕松增加設備監控的數量，降低設備升級或改造的成本。樓宇能源計量與設備監控管理系統的設計可以提高管理單位對建筑物設施設備實際運行和環境信息的掌握，降低布線造成的設備和電線的運維成本。

對于現代化的樓宇而言，選用一套智能樓宇系統能夠較好地實現設備自動運行，設備參數可視化等更加方便的功能。智能建筑發展以及能源的計量監控發展和應用具有重要意義。

1? 能源設備監控管理系統開發設計

樓宇能源計量與設備監控管理系統上位機采用Webtalk，通過BACnet IP協議接入局域網，使得上位機能夠通過網絡連接在網頁界面中控制各個不同的電器件，且能夠讀出DDC的鍵值并進行分析。Webtalk下端連接BR50網關和BACnet MS/TP總線。通過以太網接RJ-45接口，支持10 M/100 M網，兼容BACnet、LONWORKS、N2、EBI、CAN等多種協議[3，4]。

BR50驅動現場控制器DDC，使得相互連接的DDC作動，現場控制器并行連接。DDC下端接入A9104風閥驅動器、TS-N10-B電纜式溫度傳感器、EMC-2596B三相多功能電度表等設備。

運用Vistools進行程序編寫，通過Vistools下載進入不同的DDC中，使得DDC帶動控件作動。其中程序的編寫運用整合程序，按照接線的端口做到一一對應。AO、AI、BO、BI等信息需運用在組態界面的建立。

運用上位機Webtalk完成組態界面建立。在Webtalk中能夠運用Vistools里編寫好的程序對其進行組態界面建立，能夠達到直接在界面中顯示出設備的狀態，并且能夠在網頁中控制具體設備，進而完成智能控制、監控和計量功能。

2? 管理系統Vistools程序開發設計

對用電設備進行人工控制或自動控制，在自動模式下，可以根據用戶自己設定的時間對用電設備進行開啟或者關閉。在組態界面中，使對電器件的開關與監控更加直觀。在手動模式下可以使用上位機組態按鍵或者實際按鍵進行控制，實現開關點擊對一個控件，或多個控件起到不同的控制效果。

設計空調控制方式，在自動控制情況下多個用戶通過設計開啟時間控制空調風閥狀態過程；在手動情況下能夠通過實際開關對空調的風閥進行調節。通過水閥的開度實現溫度的調節控制，實現手動調節開度或自動調節開度。在自動控制下，通過采集到的溫度與濕度數據，分析控制樓宇中室內的風閥開度。若設定溫度與實時溫度不同，通過PI控制，改變水閥的開度，使得環境溫度向設定溫度靠攏，最終到達設定溫度，實現控制溫度的目的。在溫度過低的情況下，系統會停止風閥的工作，使水閥百分百運行來達到升溫度的效果。通過實時采集到的溫度和濕度值，和系統預設值實現智能控制，并將采集數據儲存在后臺形成圖表。

設計開發樓控排水情況，本地遠程開關實現設備是由本地強電接觸器控制及遠程繼電器控制。運用兩個泵體控制，當水位達到設定低液位時，第一個泵開始工作，當水位來到高水位時，第二個泵開始工作，當水位高于超高水位的時候，設計兩個泵協同工作。當水位降低到超高水位以下時，二號泵停止工作，一號泵繼續工作直到水位低于低水位的時候一號泵與二號泵才一起停止工作。如果一號泵故障，則設計第一次達到高水位時，二號泵則開始工作，當其中一個泵故障的情況下另一個泵能夠接替其進行工作，并且能夠通過手動的方式控制泵的工作。通過器件模擬水位高低來反饋到現場控制器中，使得水閥作出相對應的工作，運用雙水閥，使得系統存在余度控制[5]。

3? 管理系統組態界面建立

連接Webtalk，選擇網關協議Bacnet完成設備掃描。建立設備點位，使不同的DDC帶動不同的設備進行工作。建立PI控制的空調系統，運用檢測到的溫度與濕度控制空調組件，在界面中把溫度與濕度兩個AI量采用模擬量輸入建立并加以標注。

空調系統能夠通過時間控制空調的開、關狀態，在Vistools中表示時間控制的AV量與用戶控制界面相結合，設計能直觀地觀察時間控制管理界面，其中空調開始工作的小時數為AV1，開始分鐘數為AV2，結束小時數為AV3，結束分鐘數為AV4。空調組態界面如圖1所示。

設計空調系統模擬開關BV量，BV5為手自動切換開關，BV6為手動啟停開關，BV9為冬夏季切換開關，BV10為水閥手自動切換開關，BV21為防凍報警開關。采用模擬量AV設定溫度值，AV13為溫度的設定值，AV15為手動打開水閥的開度的開關，AV20為運行次數的統計的模擬量，AV20為運行時間統計的模擬量。空調系統的水閥與風閥與對應的點位進行綁定，水閥為BV9，風閥為BV23。

設計雨天污水排水系統水閥組態管理組態，設計低水位、高水位和超高水位三個水位狀態，采用BI量輸入，并用指示燈指示。運行時間設置AV量，本地遠程控制維設置BI量輸入，手自動切換采用遠程控制上實現的BV量，一號泵和二號泵手動啟停開關運用自動控制，按鈕控制水泵的開關。

遠程本地開關為DI6，連接實際開關，為數字輸入量。水泵手自動切換開關BV1，對于低水位DI8，高水位DI7，超高水位DI6，運用紅藍開關代表水位是否達到水位標準，一號位水泵的運行時間為模擬的變量AV10，二號位水泵運行時間為AV11。設計一號位泵和二號位泵狀態狀態量BV40，開關對應旋轉風閥，并設置個泵發生損壞時的狀態，泵1損壞的狀態由DI9表示，泵2損壞的狀態由DI10表示。集水坑組態頁面如圖2所示。

4? 樓宇能源設備監控管理系統調試

對于空調風閥的調控先設置為本地控制，能夠運用開關對風閥進行控制。將風閥控制切換到遠程控制狀態，在遠程控制狀態下能夠通過按鈕控制風閥的開度與水閥的開度，手動打開風閥開度。對于水閥的冬夏季切換也能做到手動控制，使得出水在冬季為熱水，在夏季為冷水。當觸發防凍警報時，系統作出報警指示。在自動狀態下，組態能夠通過設定的時間與溫度參數對水閥與風閥進行相對應的控制與顯示。

將系統手自動控制設置為手動控制模式，即將水閥手自動切換按鈕設置為手動控制，此時系統不會受到程序中按照時間判斷來控制該閥門系統，只能通過控制區中的手動控制按鈕來控制該系統。在手動控制模式下，將系統打開并且將水閥開度調節到60%，此時，組態風閥水閥狀態和風閥水閥組件狀態分別如圖3和圖4所示。

當系統正常運行，濾網無堵塞以及系統未結冰時，將系統控制方式設置為自動控制，此時設置運行時間為7：00至22：00，調試時間在這個時間段內，因此系統會自動打開，系統無堵塞，風閥達到最大開度。將冬夏季切換按鈕選擇為夏季，用戶設定溫度為22 ℃，模擬系統狀態開關。系統傳感器檢測到當前室內溫度為21.4 ℃，比設定的溫度值要低，因此水閥開度達到最小值30%。將冬夏季切換按鈕設置為冬季，設定溫度為22 ℃高于室內實測溫度21.4 ℃，因此此時該系統將要通過加大水閥的開度，使室內溫度升高。通過程序PI控制，計算得出此時閥門開度為82.15%。

將系統模擬壓差報警打開，模擬壓差報警，即模擬發生濾網堵塞，此時組態界面相應濾網位置將發生報警。將系統模擬防凍開關打開，模擬系統防凍報警，即表示此時系統有結冰的情況，此時水閥開度達到最大，且風閥開度為最小。

模擬雨天污水排水系統的水閥的調試，將本地遠程開關打到遠程，能夠通過模擬水位來實現自動的泵體開關的控制。當沒有水位顯示，兩個泵都是關閉狀態。當把低液位狀態變為開的時候，兩個泵體均為未工作狀態，模擬打開高水位開關。在一號泵沒有損壞的情況下，一號泵泵開始工作，若水位上升到超高水位，二號泵開始排水。水位積水組態圖如圖5所示。若出現泵故障情況，即若一號泵出現故障，液面達到高水位時，一號泵停止工作，二號泵獨立完成排水工作，如圖6所示。

打開組態界面樓宇實時溫度報表，區域選擇為溫度，設置需要查詢溫度的起始時間與結束時間，時間間隔為5分鐘，類型選擇為最大值。點擊查詢，即可查詢時間內每隔五分鐘的歷史溫度數據形成的折線圖。將區域選擇為濕度，設置需要查詢濕度的起始時間與結束時間，時間間隔為5分鐘，類型選擇為最大值。點擊查詢，即可查詢時間內每隔五分鐘的歷史濕度數據形成的折線圖。溫濕度折線圖如圖7所示。

5? 結? 論

針對傳統樓宇控制布線多而雜、材料資源能源消耗大的問題，設計研究采用了LoRaWAN無線物聯網技術，Vistools編程控制。通過無線網技術，減少了很多數據傳輸線以及電源線的消耗，同時使控制系統現場變得更加簡潔和直觀。使用Vistools編程控制，實現智能樓宇閥門控制系統。達到針對不同的實際情況實施不同的控制策略，減少不必要的能源損耗，達到節約能源資源的目的。

針對傳統樓宇控制中控制端固定，多在控制現場手動操作，操作多，操作難等問題，設計研究采用建立組態界面實現控制。將每一個控制元件綁定在同一個組態界面中，實現在用戶界面統一控制調試整個系統，從而減少在現場操作控制的工作量，減少人力與物力的消耗。

參考文獻：

[1] 任江，鐘崇光.物聯網技術在智能建筑中的應用研究 [J].智能建筑，2013（2）：65-68.

[2] 李慧，段晨旭.變風量空調系統末端裝置的性能分析 [J].山東建筑工程學院學報，2005（1）：69-71.

[3] 周棟梁.基于wifi的物聯網智能樓宇控制系統的設計與實現 [D].南京：南京郵電大學，2018.

[4] ZENG H，QIU J，SHEN X，et al. Fuzzy control of LED tunnel lighting and energy conservation [J].Tsinghua Science&Technology，2011，16（6）：576-582.

[5] LAH M T，ZUPAN B，PETERNEILJ J，et al. Daylight illuminance control with fuzzy logic [J].SolarEnergy，2020，80（3）：307-321.

作者簡介：劉希軍（1985—），男，漢族，山東煙臺人，副教授，博士，研究方向：智能樓宇系統。