工业仪表与自动化装置在建筑智能化中的使用*

吕 明，王 琦，张昌杰，李 琪，刘增帅，刘祯玥，苗 苗

（山西大学自动化系，山西 太原 030006）

随着科技的发展，工业仪表与自动化装置等设备得到了不断地加强与完善，在各种设置的配合下可以更好地去适应各种不同的环境，通过工业仪表的测量及数据采集，并配合自动化装置进行数据的处理以及输出，实现自动控制。现在的各行各业都在发展并运用自动控制，使工作过程智能化，建筑智能化也在其行列，不仅能达到智能化，更能为节约能源做出贡献。因此，工业仪表与自动化装置的深入研究愈加重要[1]。

1 工业仪表的发展

早在20 世纪30 年代就出现了工业仪表，最初只用于化工、石油炼制、热能动力和冶金等连续性的热力生产过程，因此称为热工仪表。机械式和液动式是当时工业仪表的主要结构形式，因仪表体积较大，只能实现就地检测、记录和简单的控制。

到了20 世纪30 年代末40 年代初，气动仪表出现，并使用了统一的压力信号，随之出现带远程发送器的仪器，该仪器可在远距离外的二次仪表上重现读数，从而能集中在中心控制室进行检测、记录和控制。20 世纪50 年代又出现电动式的动圈式毫伏计、电子电位差计电气机械式调节器和整套的电子管调节仪表。20 世纪80 年代工业仪表的发展促进了工业生产的自动化，并已成为工业生产中不可缺少的自动化工具。计算机技术、微电子技术、信息处理技术和网络通信技术等的发展与日俱进，对自动化仪表的革新产生了深远的影响，已成为工业自动化仪器仪表发展的新的推动力，工业自动化仪表不仅能够更高速、更灵敏、更可靠、更简捷地获取对象的全方位信息，而且完全突破了传统的光、机、电的框架，朝着智能化、网络化、总线化、开放性的方向发展。

2 工业仪表的种类

工业仪表的种类很多，按被测量生产过程的参数区分有温度测量仪表、压力测量仪表、流量测量仪表、物位测量仪表、机械量测量仪表、流程分析仪器等；按其在工业生产过程的功能可分为检测仪表、显示仪表、调节仪表等。下面以建筑智能化系统常用的温湿度仪表为例进行介绍。

2.1 湿度变送器

面对环境资源的紧缺，节能是建筑智能化的主要任务之一。可以通过对湿度数据的采集，使得空调系统做出对应的输出，从而达到节能的效果。RH－XU－D－T 系列风道湿度变送器通过－HIH－5031－湿度敏感元件测量湿度，然后经过变送转换为0～10 V 或4～20 mA 信号输出。这个变送器本身具有滤除噪声的功能，同时具有宽的电源供电DC 18 V～DC 30 V 功能。这个湿度敏感元件能检测5%～95%的湿度范围，线性信号输出。通过湿度变送器和室内智能空调系统的控制模块以及其他必要环节的配合，实现节能减排这一功能。

2.2 温度传感器

建筑智能化不仅要达到节能目标，还要让用户在环境中感受到舒适。TS－XX－B－系列室内温度传感器通过热敏电阻－NTC、铂电阻－PT－和镍电阻等敏感元件来检测温度。敏感元件包括玻璃封装的热敏电阻是负温度系数的温度敏感元件，铂电阻是－3851－规格的敏感元件和陶瓷封装的镍电阻传感器。通过温度传感器，对温度进行测量，并通过无线网关传入集控室，通过分析数据，进行合理输出，而这些过程都是通过对自动化装置进行编程达到自动控制的目的[2]。

3 自动化装置的控制功能

3.1 可编辑功能

对设备的不同输出进行不同功能的控制，通过编程，结合CPU、网关等将输出结果进行编程并下载，实现对工业设备的自动控制，解放劳动力。

3.2 处理数据与输出控制的功能

工业仪表对各个指标参数进行采集，传输给CPU 等控制器，控制器对数据进行处理，然后根据处理结果输出报警、启停、过程调节等功能。

3.3 数据记忆功能

对现场采集的数据，通过上位机进行记录与分析，合理规划并完善编程模块，就可以对能源进行更合理的利用。对监控组态软件进行组态，将工业仪表采集的数据按照设计好的组态画面进行记录[3]。

4 工业仪表与自动化装置在智能建筑中的应用

北京和欣运达有限公司 （以下简称和欣公司）专门生产楼宇自控设备，其产品广泛应用于高端商务大厦、酒店住宅的楼宇智能控制系统。可编程的中央空调智能监控系统在为用户提供舒适的温湿度环境的同时，发挥了显著的节能作用[4]。

空调系统由现场执行器，参数测量变送器，现场直接数字控制器，人机交互界面WEMATIC HMI，网关 BR－50，BR－10，WEBTALK 等设备构成。在上述设备基础上，结合算法实现除传统空调系统具有的功能外，还更加节约能源、更加智能[5-6]。

现场多个控制器配合网关BR－50，BR－10 通过BACnet 总线接口手拉手连接起来，构成现场BACnet 总线通信网络，图1 为网络拓扑图。无线网关可以进行协议转换，在此系统上将BACnet 总线协议转换为TCP/IP 协议，经由网线连接到WEBTALK，通过数据传输使得WEBTALK 可以读取到现场控制器的寄存器数值，从而获得现场设备的运行状态、重要的环境参数，通过对WEBTALK和HMI 画面操作实现远程和就地对现场DDC 设备的命令写入操作。

图1 网络拓扑图

利用和欣公司开发的编程软件 （Vistools）进行编程，控制执行对象的动作。工作时间与非工作时间的人流量不同，所以空调的运行状态也不应完全相同[7]。刚开始降温时，为了快速达到设定温度，以最大功率运行；当温度到达设定温度时，空调自动转换为低功率运行，以保持现有温度。这样既避免空调反复启停造成的环境参数波动，也可达到节能的目的。根据上述控制思路进行编程，使得空调启停，功率大小可以根据实时的空间状态进行运行，其控制流程见第70 页图2。

图2 空调工作状态流程图

利用WEBTALK 对实时检测数据进行画面组态，温湿度变送器通过采集现场数据，控制器通过画面显示实时数据，方便工作人员了解现场环境、对数据进行采集保留。实验中主要利用温湿度传感器对空调的风道口、室内环境等的温湿度进行测量，利用不同温湿度对空调运行状态进行调整。这样便可以达到节能的目的，以免浪费不必要的电力资源。另外，还有无线人感检测报表，可从报表中对人流量进行统计，通过人流量控制空调的运行状态，高峰期之前空调提前运行，降低温度，达到节约成本。

通过程序安装，以及设置无线传感器地址，可以将数据通过局域网传送到上位机。利用WEBTALK 程序建点，完成数据接收。进行组态画面建立，利用所建点可以进行数字、文本、图表等显示实时数据 （通过网页链接的方式可以在画面中显示图表）；也可以进行报警组态，因为可以通过无线网快速采集数据，以便更大可能地减少问题的出现和更快速地解决问题。利用WEBTALK 软件，管理者可以通过组态画面，监控相应项目的实时动态、所有设备的运行状态，不仅现场可以检测，控制室也可以检测，尤其酒店建筑，这一方面更为重要，后台工作人员可以及时收到客人的下单情况。

楼宇建筑的中央空调耗能很大，本系统可以根据实际需要调节空调系统的运行，也可以基于实时反馈的运行数据对空调的运行状态进行调整，实现最佳的温度控制。系统可以对监控参数的历史数据进行打印 （见图3），为控制工程师提供优化控制的第一手数据，从而进行更合理、更节能的编程，达到节约能源的效果[8]。大数据时代，数据的采集、传输与处理更为重要，在这方面，应该有更深入的研究。

图3 WEBTALK 数据表打印画面

5 结束语

工业仪表和自动化装置的进一步发展和智能建筑的兴起，使空调控制技术、新风换等技术越来越先进，和欣公司系统也做得非常完善，不仅可以实现空调的自动运行，类似的功能同样适用于消防、电梯、照明、门禁等系统，为建筑智能化提供软硬件条件。现代化自控技术、计算机技术的进步，使楼宇控制系统的自控技术进入智能化控制的全新时代。对于行业设计人员来说，是机遇也是挑战。未来的发展与自动化密不可分，科技进步推动工业仪表与自动化装置的发展，这些设备的发展促进生产力的提高，一切都相辅相成。