既有大型公共建筑设备监控系统的升级改造

倪燕欣

(国家大剧院， 北京 100031)

1 引言

大型公共建筑的耗能主要集中在暖通空调等机电设备上。既有建筑的电气设备节能改造，是业主在对设备运行状况有了相当程度了解的基础之上，为提高建筑运行效率而进行的改造建设,不同于开发商为满足投资方和业主总体需求而建设的新建建筑。因此，大型公共建筑的设备节能改造应是目标明确并以投入低成本赢得高效益为原则的投资建设，投资回报率相对较高。通过合理的低成本改造，提高建筑物主要用电设备的运行效率，最大限度地实现节能，是既有建筑设备节能改造的目标和重点。

设备监控系统对于大型公共建筑设备节能运行管理的重要作用已得到广泛认可。对于封闭式结构的大型公共建筑，空气处理设备和公共照明完全依靠设备监控系统来控制和调节。设备监控系统如果运行不畅，不但会影响设备自动控制效果，对于设备的节能管理更是无从谈起。因此，对运行品质不佳的自控系统实施有效的设备更新与升级改造，可在提高自动控制品质的同时提升建筑物的设备管理水平，并在建筑节能方面实现事半功倍的效果。

2 原有系统分析

建筑设备监控系统的结构配置、系统调试质量及设备运行管理对于建筑物设备能否高效运行相当重要。对于一个功能需求完善的超大规模建筑来讲， 1999年末进入市场的某国外品牌设备监控系统已不能满足日益精细的环境控制管理需求。

2.1 系统结构

原系统采用Infinet 现场总线，InfinityII专有通讯协议，由5台主控器集成管理层并与控制层之间进行信息传递。控制层包括19路现场通信网络。各单段控制子网的节点设备数量上限为32个，以手拉手方式连接。这种网络结构中任一DDC控制器的异常都会影响到整条通讯链路的正常工作，其弊病是一旦网络控制器故障或某个DDC控制器故障即造成整个网络的瘫痪，无法及时完成设定参数的修改和控制命令的下达以及设备状态的集中监视。

2.2 设备配置

原系统在深化设计时，同一设备的监控点分别被配置在不同的DDC控制器上。由于DDC控制器支持点数有限，导致经常会出现某一控制逻辑需调用不同DDC上的参数点来完成控制的情况，而且这样的配置并不是个例。对于通讯速率为19 200bps的超大系统，系统轮询时间和响应时间超长，严重影响了控制品质，甚至某些基本控制要求都难以满足。

2.3 专有通讯协议

原系统通过自定义ASCII通信驱动程序完成网络控制器与第三方系统的设备通讯。系统通讯协议的不公开造成集成成本昂贵，与其他系统的数据共享与集成变得非常困难。

2.4 无法实现最佳控制

自动控制无法实现设备运行管理的基本要求，控制品质和节能减排更无从谈起。由于设备固有的局限性，仅通过调节和优化管理等无成本手段无法实现节能管理措施的升级。如要改变现状，只能通过设备的更新改造来完成系统的升级，满足设备节能管理需求。

3 升级改造原则与意义

为了改善控制品质，提高管理水平，设备监控系统的升级改造必须以最大限度地节约资金为首要原则。技术上既要符合行业发展趋势并适度超前，又需具备系统运行的稳定性、通讯协议的开放性、系统拓扑的灵活性、优良的集成特性以及先进的网络管理特性等。

对于一个大于5 000点规模的大型设备监控系统，在不影响建筑物正常运行的前提下，进行主要设备更新改造是无法一步到位的。根据实际运行情况，项目决定将冷热源和空调部分的自控系统进行分区域分批次的设备更新，完成系统升级改造。一方面可减少原系统通讯线路的容载量，另一方面可满足空调系统的精细化控制与调节，为建筑物提供更加舒适的观演环境，并可实现设备的节能控制运行。

4 技术可行性分析

为满足建筑物的各种使用功能需求，力求通过设备监控系统的升级改造实现机电设备的安全、可靠、先进、便捷、节能与高效运行。为了降低改造投资额节约资金，该项目针对建筑物独特的结构，决定充分利用现有的信息网络来搭建设备监控系统平台，重新组建系统架构，对中央监控设备和现场控制设备进行更新与升级改造。

4.1 系统架构的搭建

设备监控系统的架构与配置是否合理关系到系统是否能够稳定、高效地运行。传统的网络结构为：中央监控站与网络控制器通过以太网相连，网络控制器与DDC现场控制器通过现场总线专用通信网络相连，传感器和执行器等末端设备连到各DDC控制器。随着嵌入技术的发展，DDC控制器整合了网关功能，可支持多种通讯协议，同时简化了网络结构。这种结构具有同层资源共享功能，避免因某一个DDC控制器损坏或异常电压介入而影响整条网络通讯的现象。当系统工作站因故障无法完成控制命令传输时，控制器同层间可保持顺畅通讯。

4.2 管理网络的优化升级

作为以自动控制技术与网络技术相互融合的应用系统，网络技术的应用从某种程度上讲代表着设备监控系统的发展水平。因此，管理网络的优化升级非常关键。

升级后的系统采用Browser/Server软件结构，支持Web访问功能，并具有网络管理和同层资源共享功能。软件采用开放式结构设计，便于第三方数据集成到管理网，实现建筑物内多系统的数据共享与集成功能。现场数据连续不断地保存到数据库服务器中，供系统查看、显示，这些数据通过系统后台运行方式保存，调用历史和当前数据时，系统无需从DDC控制器中读取，保证了更好的实时性能。系统结构见图1。

图1 管理网络系统结构图

4.3 现场控制层的升级

设备监控系统的更新升级，受原有布线的局限性影响，改造施工难度较大。因此，现场DDC控制器的升级成为主要被改造对象。重新进行DDC控制器的配置，除温度传感器外，其他传感器和执行机构设备保持不变。这样最大限度地减少了改造投资成本。模块化的DDC直接数字控制器基于BACnet协议，内部集成BACnet路由器，支持BACNet IP网络，通过建筑物内现有的信息布线网络与中央站连接在一起。这样中央监控室和现场控制器之间不需要单独设置网络控制器设备，减少了故障环节和通讯失败的几率。DDC控制器采用32位高性能处理器，具有32MB SDRAM用于数据存储，32MB内存用于程序存储，具备独立的工作能力，在不同应用中保持数据的一致性和控制的实时性。高性能DDC控制器也使得系统通讯速率大幅提高，稳定性也大幅提高。

5 系统配置及改造实施重点

5.1 优化监控点的配置

改造工程首先要对系统的监控功能进一步完善，在原来点表的基础上增加或修改了部分监控点。例如为应对北京的雾霾天气，为建筑物提供良好的室内空气，将部分空调机组加装中效过滤器，并将压差报警开关更改为微压差监测，对过滤网的检测更为精细，同时为清洗或更换过滤网提供有效的数据支撑。例如为大型重要空调机组增加了风量和混风温湿度检测，为风机变频调速和温湿度调节提供更佳的控制参量。

根据系统选择相对应的温度传感器。因不同品牌对温度传感器选型有所不同，有的系统支持10kΩ热敏电阻型，有的系统支持20KNTC或Pt1000，所以温度传感器需要随系统而定。其他传感设备为0(2)～10V、0(1)～5V电压信号或0(4)～20mA电流信号，只要与系统的输入信号相配即可。系统输出信号一般都为0(2) ～10V电压信号或0(4)～20mA电流信号，适用于所有的执行器设备，因此信号连接部分无需改动。

5.2 人机交互设备的配置与应用

在每一个重点区域配置HMI人机交互设备。HMI为触摸屏操作显示，安装在DDC盘箱上。检查设备状态的巡视人员在控制箱体外部就可直观便捷地查看被控设备的运行状态。对于在现场维修设备的专业人员，不必受限于现场控制器与中控室的通讯情况，即可通过HMI查看本机设备状态，查看同层设备的运行状态及其监控参数。 见图2。

图2 触摸屏操作显示

5.3 节能控制策略的优化

为使设备监控系统在节能管理方面的表现更加出色，优化了大型耗能空调机组的控制策略，包括过渡季新风阀的优化调节，夏季除湿模式变露点温度调节，通过在操作界面添加演出和非演出时间段的选择，全新风模式的选择，定露点和变露点模式的选择等，加入人为控制因素，使得控制程序可最大限度地应对不同的功能时间段，既能满足用户需求，又能最大限度地做到自动节能控制。控制程序越复杂，控制功能就越完善，节能效果也会更加显著。

5.4 网络和数据服务功能的应用

系统升级后为设备管理者提供了便捷的管理模式和强有力的数据支撑。支持多用户Web浏览的系统使管理人员在建筑物内的任何地方可随时查看到设备运行状态，修改参数，还可通过TCP/IP网络直接访问控制器，调用查看控制器的所有参数。另外，通过设置历史记录、趋势记录、分级报警等功能，可有效地利用运行数据实现设备的高效管理。系统界面见图3。

5.5 冗余服务器的配置

对于一座完全封闭的建筑物来说，暖通空调系统的正常运行至关重要。为保证系统数据记录的连续性和完整性，配置了冗余服务器，见图4，实现了服务器的双机热备互投功能。

6 施工和调试过程中的注意事项

既有建筑的设备节能改造,受建筑结构、建筑装饰、布线方式、设备型号等诸多因素影响，在不能影响建筑物正常运行的前提下，相比于新建建筑，其工序复杂、施工难度大。

图3 支持多用户Web浏览的系统

图4 配置冗余服务器

6.1 制定工期计划并严格执行

既有建筑的改造项目的最大特点就是绝对不能影响建筑物内设备的正常运行。在改造项目开始前，协调好设备的停机时间，排好工期，严格按照计划施工和调试。

6.2 安排紧凑合理的施工工序

为了最大限度地保证原系统及被控设备的正常运行，只能进行分区域分批次的改造施工。在设备停机拆除前，先对新增设备进行管线敷设与打孔安装。施工正式开始后，首先拆除旧盘内的接线并做好标记，拆除旧DDC控制器及盘箱，接下来安装新控制盘箱，上电前的检查，设备接线、校线，所有工序要求在最短时间内完成。接下来是DDC控制器上电，设备初始化，调试网络通讯，然后进行逐点调试。最后是设备联动调试。此时，将设备投入自动控制运行，完成各工况控制程序的测试。这样，一个机房的施工调试时间最多为两天，可将自动控制的失效时间降至最低。

7 结束语

通过对设备监控系统的中央监控设备和现场控制设备的更新，使落后的设备监控系统得到了全面的升级。控制系统的响应时间明显缩短，通讯速率大幅提高。通过不断完善和优化的控制策略调试，控制品质也有了明显的提升。作为既有建筑的电气设备节能改造项目，设备监控系统的升级改造可起到事半功倍的效果，对于提升智能建筑高耗能设备的运行效率具有非常重要的意义。