基于KingSCADA的建筑设备管理系统设计与实现

2022-08-12郑在富祝竟梅

现代信息科技 2022年7期

郑在富，祝竟梅

（四川矿产机电技师学院，四川，成都 611230）

0 引言

建筑设备管理系统是各种家居和商业建筑中必不可少的配置，在实现节能减排、合理管理和使用建筑设备方面具有不可替代的作用。该系统的核心当属监控组态软件，监控组态软件属于现代计算机测控系统，在工业自动化中发挥着至关重要的作用，可免除一些仪器仪表的配置，不但节省大量的人力和物力，而且还让系统更加智能化。该类系统的功能非常完善，能够采集最基本的信息数据，取得很好的控制效果。此外，该类系统还具有人机交互功能，可进行数据的交换和分析处理，提供报表打印和故障诊断等功能，能够根据不同的控制系统增减部件实现各自的功能，具有开放性、多变性和通用性。本文在建筑设备管理系统中使用了KingSCADA3.7 组态软件。

1 系统的背景和意义

有研究表明，2013年国内整个建筑设备管理系统的市场规模只有5 197.4 亿元，2018年超过10 000 亿元，2019年超过12 000 亿元，预计到2025年将会达到20 000 亿元。由此可见，建筑设备管理系统发展迅速，市场规模越来越大。为了使企业在市场竞争中脱颖而出，迅速占领市场，本文研发了基于KingSCADA 的建筑设备管理系统，并在投入运行后取得良好的效果。

2 功能分析

KingSCADA 是亚控公司自主开发的组态软件，是在组态王（KingView）的基础上发展而来的高端产品，在各行业的工业控制系统中得到广泛的应用。KingSCADA3.7 组态软件和其他常用的工业用软件一样结合了前期设计和后期运用功能，具有优异的组态功能。此类功能可以通过信息交互实现对以各种方式布局系统的智能化管理，以发挥设备的最佳效用。该软件可应用于各种主流操作系统中，支持多语种系统，完美支持Windows 10。管理人员和技术人员可随时随地从Web 端登录系统，实现对工业现场的监控，同时具有管理者和生产者身份的角色，不但能够查看各种历史数据和现场数据，还能够对各种报表、报警数据进行及时的处理，从而提高了生产力和执行力。我们既可以组建单机系统，也可以通过网络拓扑机构建多机一体化系统，适用于各种工业控制系统。

组态软件KingSCADA3.7 版本和其他版本的区别在于，数据词典中添加的I/O 变量需要由独立的KingIOServer 工程设计器来创建，并且通过网络配置对IOServer 服务器的站点进行添加后才能使用。首先，运用组在服务端进行画面创建，编写各种脚本对系统进行控制，可以运用的脚本包括配方模板、系统脚本和自定义脚本。对于比较复杂的大型系统（比如包含多个PID 控制的系统），还要结合运用VB，以使系统达到控制要求。此外，对于各种控制数据，还需要创建相应的数据库来存储和处理数据，各种报表和曲线的使用让工业控制变得更加容易。

建筑设备管理系统包含智能照明管理系统、环境检测管理系统、新风管理系统、中央空调管理系统、能耗管理系统和报表系统等。本文以中央空调管理系统和新风管理系统为例，介绍基于KingSCADA 的建筑设备管理系统，系统网络结构如图1所示。

图1 系统网络结构

空调系统是现代建筑的重要成员，是整个建筑设备管理系统最为重要的监控对象，也是整个楼宇工作系统组态监控的重点目标之一，其在建筑设备管理系统中的地位主要体现在以下几个方面：（1）中央空调和新风系统的运行效果决定着所控制区域乃至整个楼宇工作环境的优劣；（2）中央空调和新风系统所消耗的能量占整个建筑设备管理系统的一半，是整个系统中耗能最大的部分，而其能耗分配为冷热源消耗40%，传输和运送消耗60%，其耗能情况决定着整个系统的耗能表现；（3）空调系统控制要求是要根据现场情况变化立刻做出反应，是整个系统中自动化程度最高的部分，对组态实时监控要求比较高。只有从源头即从空调开始做好监控工作才能达到有效节能的目的。本系统采用KingSCADA 对建筑设备管理系统进行组态、监控和控制调节。耗能的关系可用以下公式来表示：

=△=[（）-（）]

其中，为系统能耗，（）为室外温度，（）为室内温度，系统能耗与温差成正比。

中央空调和新风系统主要通过送气和回风的关联调节，对空气进行降温和除湿，也就是对新风温度、新风湿度以及回风温度、湿度的监控、调节，使控制区域处于预期状态。针对温度的调节要注意室内温度与室外温度的差异不能过大，通过组态监控进行PID 实时调节，冬季温度设定值大概在25℃～27 ℃之间，夏季温度设定值要固定在25 ℃～27 ℃范围之内。根据不同环境的作业要求进行工艺性调节。针对不同工作环境湿度变化不稳定的情况，根据工业要求不同，各种生产工艺对湿度的要求大不相同，比如电子生产车间要求相对湿度50%±10%，但是纺织车间中工艺要求相对湿度85%±10%。所以冬季相对湿度设定值范围为40%～50%，夏季相对湿度设定值范围为50%～60%。温度与湿度具有关联性，彼此之间不是独立存在的。湿度的变化会引起温度的波动，而温度的变化则会引起相对湿度和绝对湿度的变化，温度的变化将会引起相对湿度和绝对湿度的增大或减小。所以在设计系统时需要综合考虑二者的相互影响，以实现最佳的系统性能。

空调管理系统按照实现的功能分为冷源系统、热源系统和前端设备。其中冷源系统由冷水机组、冷冻水系统组成。空调管理系统具有典型性。首先，各种干扰源均会影响系统的运行，比如室外的天气情况会影响室内温度，阴天和晴天对比下有雪天和无雪天的干扰结果肯定是不一样的，同理新风系统采集进来的新风也会形成干扰源，不但会影响室内温度还会影响室内湿度。其次，工作情景模式需要根据季节和环境的变化而变换，冬季的控制策略和夏季的控制策略不一样，可以进行手动模式和自动模式的切换。可以根据系统工作环境的不同设计不同的组态监控位置和监控参数，以实现精确地控制。

系统控制策略可分为以下几个部分：

（1）系统启动分为手动模式和自动模式。自动模式下又可通过两种方式进行控制。第一种方式是按照时间表控制风机的启动，时间表包含4 个定时开关段和1 个节假日时间段。第二种方式需要同时满足送风机无故障报警、无低温报警，系统启停命令为开、送风机及空调启动命令为开时，送风机及空调开始正常运转。

（2）系统需要将水阀、风阀、加湿阀与风机状态相关联，当风机关闭时，水阀、风阀和加湿阀必须关闭。

（3）防冻开关用于防冻，当环境温度低于所设定的最低温度时防冻开关开启，与此同时新风系统停止运行。

（4）压差开关用于对过滤网的阻塞进行报警。当系统检测到压差不在工作范围之内时压差开关开启。

（5）加湿阀根据回风湿度进行控制。监测回风湿度，通过启停空调加湿阀，使回风湿度保持在设定值范围内（45%±10%）。当回风湿度低于设定值时，加湿阀开启；当回风湿度高于设定值时，加湿阀关闭。

（6）冷热水阀在空调启动时开始工作，此时冷热水阀开度开至1/2，空调未运行时，冷热水电动调节阀关闭。系统监测送风温度，通过PID 调节冷热水阀，使送风温度保持在设定值范围内。系统启动后水阀开度50%持续5 分钟，5 分钟之后根据送风温度PI 调节水阀，使送风温度维持在设定值20 ℃±2 ℃。当室外温度大于10 ℃小于20 ℃时，水阀开度为0%，只开送风机或空调。冬季送风温度维持在设定值30 ℃±2 ℃，控制策略与夏季相反。

（7）空调运行后，风阀都要开启，初始开度新风阀为3/10、回风阀为7/10，空调送风机关闭时，电动风阀关闭。当室外温度大于15 ℃小于25 ℃时，新风阀开度为100%。当室外温度小于15 ℃或者大于25℃时，系统启动后新风阀开度50%持续5 分钟。5 分钟之后根据回风CO浓度持续5分钟。5 分钟之后根据回风CO浓度PID 调节新风阀，使回风CO浓度维持在500 ppm±10%。此过程中新风阀设定最小开度值30%。回风阀开度总量与新风阀开度互补，新风阀开度和回风阀开度之和始终维持在100%。

3 系统设计

根据系统设计目标、系统控制策略和运行策略的要求，兼顾系统的性价比和可操作性，本文采用直接数字控制（Direct Digital Control, DDC）设计了基于KingSCADA 的建筑设备管理系统。根据控制策略，监控组态监控功能设计为：

（1）监控风机工作状态，是否运行、处于手动还是自动状态、有没有过载报警、统计风机运行的总时间、运行开关次数、风机的频率大小及调节情况。

（2）监测送风通道和回风通道的温度和湿度。监测送风温度、送风湿度、回风温度、回风湿度，然后根据设定值的大小运用PID 对电动调节阀进行调节，控制水阀和加湿阀的开度，让送风温湿度和回风温湿度达到设定值的范围。

（3）监测回风CO浓度，根据CO浓度实时调节控制。

（4）监测室外温度和相对湿度。

（5）监测粗效过滤网两边的压差，根据报警信号提示进行清洗。

（6）监测防冻开关的状态，出现低温报警时及时停止风机，关闭送风机。

（7）根据室内和室外温度的差值，及时调节风机和风阀。

根据以上拟定的组态监控功能设计监测点，如表1所示。

表1 监测点

设计各控制流程，其中回风CO浓度控制流程如图2所示。

图2 回风CO2 浓度控制流程

工业控制中各个对象的数据大小和单位量纲都不一样，通过计算机数字控制系统采集数据后，经过模数转换（A/D）转换后该数据变得没有量纲。在工程实践中，需要将这些没有量纲的数据转换为有量纲的数据才能进行计算、读写和控制打印等，实现最终的标度变换。KingSCDA 通过现场的各种温湿度传感器等I/O 设备监测获取实时数据量，经过算法处理后实现两方面的功能：（1）以动画或图形的方式在KingSCDA 画面上显示实时数据。（2）根据控制要求将一些控制参数传送给现场设备的I/O，然后对控制对象和执行结构进行控制。通过画面设计和编辑，编辑出适合系统的组态界面，编写应用程序后进行调试。实际操作中，首先运用仿真模式检验动画的运行效果是否达到设计要求，运行状态是否符合设定的控制流程要求。连接好设备驱动程序后设置正确的通信协议与外部设备进行连接。综合测试后，排除和修正所存在的问题和缺陷，改进系统设计后最终投入实际运行。

工业现场的实时反应需要开环控制，工业系统中一般采用对控制对象设置一个设定值的方式实现。但是控制系统要求迅速准确地使生产对象达到所设定的偏差之内，所以现代生产系统中采用了符合生产实际的控制算法，现阶段大量运用的是PID 控制算法。本系统采用KingSCADA 中“对象”“OCX 控件”目录下的“KingviewPid Control”。该OCX 控件需要在画面中使用，如果系统建立的画面有很多个，但是具有“KingviewPid Control”控件的画面没有处于当前运行活动状态，说明控制算法没有起到控制作用。采用的处理方法是在命令程序语言中编写脚本，使“KingviewPid Control”控件设定值与数据词典设定值相关联，让该控件处于运行状态。此方法的缺点是需要设置的参数比较多，而且该控件只能提供温度、压力的PID 调节功能，对于复杂的工业控制系统则需在设备端实现PID 控制。“KingviewPid Control”控件如图3所示。

图3 “KingviewPid Control”控件

根据PID 表达式采用命令语言编写PID 控制程序。PID表达式又分为位置型算法和增量型算法两种，位置型算法表达式为：

增量型算法表达式为：

在工业控制系统中增量型算法比较实用，相邻时刻输出绝对值的差为增量型，位置型算法产生的累加误差比较大，增量型算法计算误差对控制量影响不大。位置型算法输出全部控制量，误动作比较大，增量型算法误动作比较小，可以采用逻辑判断对输出进行控制，对系统的影响几近为零。增量型积分不会无效，控制精度容易得到控制，编程简单系统占用内存很少。部分PID 代码为：

新建组态系统，设计各功能的监控画面，在KingIOServer工程设计器中新建各设备变量，然后在KingSCADA3.7 的数据词典中设置各监控点的参数。仿真调试后，现场运行达到设定目标，最终系统成功投入运行。系统工作人员在组态监控画面中可以查看生产现场的监控数据和生产流程，打印实时/历史报表，观看实时/历史趋势曲线，根据监控情况实时处理过程报警和系统报警，进行必要的数据参数修改以干预某个流程，远程网络监控和发布实时生产数据。网络发布远程监控提供实时生产数据。设计的其中一组画面如图4所示。