基于DDC的智能楼宇监控系统设计

喜 琍 ，夏长凤

（1.上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2.南通航运职业技术学院 机电系，江苏 南通 226010）

0 引言

楼宇自动化系统（Building Automation System，简称：“BAS”）针对建筑机电设备，检测其运行参数、控制其运行状态、自动调节相关设备，使其始终运行于最佳状态，为用户提供良好的工作和生活环境，同时为管理者提供方便的管理手段，从而减少建筑物的能耗并降低管理成本。本文研究了一种基于直接数字控制器（Direct Digital Controller，简称：“DDC”）的智能楼宇监控系统设计，重点给出了系统中智能照明、空调新风等系统的软硬件设计方案与组态实现。[1]

1 系统需求与总体方案

1.1 系统需求

本楼宇自控系统要求对综合性大厦楼宇内空调通风、照明、供配电、给水排水等设备进行集散式监控，优化系统运行控制，以达到延长设备使用寿命、节省能耗、方便管理的目的。

1.2 常见的楼宇自控系统

目前市场上楼宇自控系统以国外品牌为主，高端产品主要有：Siemens Apogee系统、Johnson Metasys系统等。就整个控制系统的功能而言，Johnson系统的配置更加灵活，可支持符合BACnet、Lonworks和江森N2协议的产品，无需专门添加协议转换设备。Siemens系统的三层网络结构灵活、分工明确、扩展性强等优点。在通讯协议方面，Siemens系统倾向于 Native BACnet方案，而Johnson系统主要趋向于Lonworks方案。Siemens的Apogee系统造价比较低，但性能明显低于Johnson Metasys系统。在实际项目设计中，应综合考虑好造价与功能的关系，最大程度满足客户需求。[2，3]

1.3 系统总体方案

根据系统需求特点，本设计采用Siemens楼宇科技的Apogee系统，它是以集散理论为基础的成熟楼宇自动化系统，由Insight监控软件、各种DDC控制器、传感器和执行机构组成三层网络系统，包括管理级、自控级和楼层级网络。其中，自控级网络是Apogee系统的核心，用于实现对照明系统、新风空调等系统的管理，并实行自动监控和集成化管理。西门子Apogee系统架构图如图1所示。

该系统可将每个区域的相同系统通过通讯控制器统一控制，再将每个子系统通过总线连接，由中央控制站计算机进行系统化的管理和监控。而现场直接数字控制器DDC实现对分散的设备分布式控制。整个系统网络运行在高速以太网上，协议为标准的TCP/IP协议。[4]

图1 西门子Apogee系统架构图

直接数字控制器(DDC)是Apogee系统的核心，可通过通讯接口与电脑或其他DDC控制器通讯，也可独立运行。西门子DDC控制器主要包括PXC、PXC Modular、MBC、MEC、FLNC等控制器，这些控制器通过自控级网络（ALN），与Insight监控软件通信。可根据监控对象的分布及监控点类型及数量，选择相应的控制器类型。本系统设计选用的是DDC-PXC系列的可编程控制器，采用点对点的通讯方式在自控级网络（ALN）上彼此访问或与上位机通讯。

2 控制系统硬件设计

2.1 照明系统

照明系统采用集散方式进行设计，是一个由集中管理器、主干线和信息接口等元件构成，对各区域实施相同的控制和信号采样网络；其子系统是一个由各类调光模块、控制面板、照度动态检测器及动静探测器等元件构成的，对各区域分别实施不同的具体控制网络；主系统和子系统之间通过信息接口等元件来连接，实现数据的传输。照明系统原理图如图2所示，I/O分配表如表1所示。

图2 照明系统监控原理图

表1 照明系统I/O分配表

2.2 新风空调系统

空调控制系统是BAS系统最重要的组成部分之一，它管理的机电设备所耗能源几乎占楼宇能量消耗的50%，其能量主要用在冷热源及输送系统上。系统原理图如图3所示，I/O分配表如表2所示。

图3 新风空调系统监控原理图

表2 新风空调系统I/O分配表

3 控制系统软件设计

3.1 照明系统

（1）照明系统控制要求。第一，公共区域（走廊、楼道等）照明动静探测控制要求。通过动静探测器以监测人体活动，实现正常状态下对各公共区域内照明灯具的自动开关控制。当检测到有人体活动时，自动打开照明灯具；当检测到没有人体活动时一定时间后，自动关闭照明灯具。在整个运行过程中，对照明灯具的开关状态进行检测。第二，景观照明（草坪，道路等）定时控制要求。实现在正常状态下对景观照明灯具的控制。白天自动关闭照明灯具；夜晚自动打开照明灯具。在整个运行过程中，对照明灯具的开关状态进行检测。第三，办公室照明调光控制要求。通过室内外光照度传感器监测室外自然光线强度，实现在正常状态下对办公室内照明灯具的自动调光控制。当室外自然光线特强（达到特定强度）时自动关闭照明灯具；当室外光线较强时，降低照明灯具的亮度；当室外光线较弱时，提高照明灯具的亮度。

（2）照明系统控制流程。应急状态照明特殊控制要求实现在应急状态下，对各区域内指定用于应急工作状态照明灯具的打开和关闭调光控制。当应急状态发生时，自动打开用于非调光灯具；自动使用用于照明的可调光灯具的亮度打到100%。照明系统流程图如图4所示。

图4 照明系统流程图

（3）照明系统组态监控设计。照明系统组态监控主要包括三个部分的控制：公共区域照明控制、景观照明控制和办公室照明调光控制。其中采用了箭头式输入仪表，用于室外光照度监测，根据照度的变化指针会发生相应的变化。照明系统组态监控图如图5所示。

图5 照明系统组态监控图

3.2 新风空调系统

（1）新风空调系统设计要求。第一，根据冬夏不同的状态，决定往冷/热盘管送冷水还是热水。并依据在夏季时，当送风温度高于设定值时，冷/热盘管调节阀开大。送风温度低于设定值时，冷/热盘管调节阀关小。在冬季时，当送风温度高于设定值时，冷/热盘管调节阀关小，送风温度低于设定值时，冷/热盘管调节阀开大。第二，根据送风湿度与设定湿度对加湿调节阀进行PID调节，从而控制送风湿度，使送风湿度始终控制在设定范围之内。新风阀与送风机联动控制，送风机停时自动关闭新风阀，送风机启动前，延时打开新风阀。当过滤堵塞时，压差开关给出过滤器报警信号，即时提醒人员对过滤器进行清洗，以保证空气质量。并在新风机组的冷/热盘管上设置防冻开关，当过度季节时热水尚未供应时如天气骤然降温，防冻开关联动机制停止运行，防止盘管冻裂。

（2）新风空调系统控制流程。新风空调系统中采用PID调节，夏季调节冷水阀开度；冬季调节热水阀开度；过渡季节时，关闭新风阀达到防冻目的。新风空调系统流程图如图6所示。

图6 新风空调系统流程图

图7 空调系统组态监控图

（3）新风空调系统组态监控设计。新风空调监控系统中采用了箭头式输入仪表，先将现场的实际温度与设定温度进行比较，而后通过电动调节阀来调节温度。湿度的调节也采用同样的方法。此监控系统中还采用了报警功能：过滤器堵塞报警和防冻开关报警。空调系统组态监控图如图7所示。

本楼宇监控系统较好地实现了预期设定的各项功能，自从投入运行以来，该系统运行效果良好。在运行过程中，发现传感器的灵敏度和执行机构的可操作性是楼宇自控系统能否正常发挥作用的关键。在日常维护中需要及时更换不准确的执行机构和传感器，这样能更好地发挥楼宇监控系统的作用。

4 结束语

本文利用Siemens公司的Apogee系列设备，选用技术先进DDC-PXC系列的可编程控制器实现一种楼宇自控网络监控系统的设计。系统使用BACnet/IP协议、RS-485总线等实现楼宇各子系统的良好控制，既能实现楼宇建筑的本地监控，同时又能扩展至Internet远程监控。本文所设计的智能楼宇控制系统可以实现智能楼宇的网络化管理，同时该控制系统设计方案还可以应用于图书馆、综合办公大楼、医院、机场等场合，具有一定的推广意义。

[1]王再英,韩养社,高虎贤.楼宇自动化系统原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

[2]叶南山,叶放.某楼宇设备自控系统的安装与监控[J].制冷,2012(3):65-70.

[3]林国.东胜大厦自控系统设置方案[J].计算机技术与应用,2005(6):69-71.

[4]姚卫丰.某法院楼宇设备监控系统集成方案设计[J].自动化与仪器仪表,2004(3):27-30.