楼宇能源设备监控管理系统设计

刘希军 解华林 叶一平 王昕欣

摘  要：设计研究楼宇设备管理系统以及阀门控制系统，实现智能楼宇的现代化控制方式。采用Webtalk通过BACnet IP协议将数据传输到网关，网关连接控制器，通过控制器控制管理楼宇末端设备。利用Vistools开发管理系统，功能整合成相应系统模块，完成控制器数据传输。利用组态界面模拟实际控件，开发空调组件、集水坑组件和楼宇中的信息采集控制界面，使楼宇管理者能够更加直观观察操作实际控件状态，实现检测数据显示与设备智能控制管理。

关键词：楼宇设备管理；网关；组态界面

中图分类号：TP277    文献标识码：A  文章编号：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

樓宇作为人类生存最基本的场所，随着时代发展，人口数量的增加，楼宇的数量呈现上涨的趋势，但是其中对于楼宇的智能建设我国的普及性还远远不足。相比传统的楼宇控制，智能楼宇控制系统对于楼宇内部的用电设备控制，更能够节约能源，并且对于室内的信息采集能够第一时间反馈到上位机上进行统一的管理运行[1，2]。

智能楼宇控制采用局域网控制，运用局域网可节约由于布线而浪费的人工成本和设备成本，可以自动监控设备，降低设备检查成本，提高安全管理标准，确保设备正常运行。同时，大数据可以分析能耗，帮助降低能耗，采用统一无线通信标准，可以轻松增加设备监控的数量，降低设备升级或改造的成本。楼宇能源计量与设备监控管理系统的设计可以提高管理单位对建筑物设施设备实际运行和环境信息的掌握，降低布线造成的设备和电线的运维成本。

对于现代化的楼宇而言，选用一套智能楼宇系统能够较好地实现设备自动运行，设备参数可视化等更加方便的功能。智能建筑发展以及能源的计量监控发展和应用具有重要意义。

1  能源设备监控管理系统开发设计

楼宇能源计量与设备监控管理系统上位机采用Webtalk，通过BACnet IP协议接入局域网，使得上位机能够通过网络连接在网页界面中控制各个不同的电器件，且能够读出DDC的键值并进行分析。Webtalk下端连接BR50网关和BACnet MS/TP总线。通过以太网接RJ-45接口，支持10 M/100 M网，兼容BACnet、LONWORKS、N2、EBI、CAN等多种协议[3，4]。

BR50驱动现场控制器DDC，使得相互连接的DDC作动，现场控制器并行连接。DDC下端接入A9104风阀驱动器、TS-N10-B电缆式温度传感器、EMC-2596B三相多功能电度表等设备。

运用Vistools进行程序编写，通过Vistools下载进入不同的DDC中，使得DDC带动控件作动。其中程序的编写运用整合程序，按照接线的端口做到一一对应。AO、AI、BO、BI等信息需运用在组态界面的建立。

运用上位机Webtalk完成组态界面建立。在Webtalk中能够运用Vistools里编写好的程序对其进行组态界面建立，能够达到直接在界面中显示出设备的状态，并且能够在网页中控制具体设备，进而完成智能控制、监控和计量功能。

2  管理系统Vistools程序开发设计

对用电设备进行人工控制或自动控制，在自动模式下，可以根据用户自己设定的时间对用电设备进行开启或者关闭。在组态界面中，使对电器件的开关与监控更加直观。在手动模式下可以使用上位机组态按键或者实际按键进行控制，实现开关点击对一个控件，或多个控件起到不同的控制效果。

设计空调控制方式，在自动控制情况下多个用户通过设计开启时间控制空调风阀状态过程；在手动情况下能够通过实际开关对空调的风阀进行调节。通过水阀的开度实现温度的调节控制，实现手动调节开度或自动调节开度。在自动控制下，通过采集到的温度与湿度数据，分析控制楼宇中室内的风阀开度。若设定温度与实时温度不同，通过PI控制，改变水阀的开度，使得环境温度向设定温度靠拢，最终到达设定温度，实现控制温度的目的。在温度过低的情况下，系统会停止风阀的工作，使水阀百分百运行来达到升温度的效果。通过实时采集到的温度和湿度值，和系统预设值实现智能控制，并将采集数据储存在后台形成图表。

设计开发楼控排水情况，本地远程开关实现设备是由本地强電接触器控制及远程继电器控制。运用两个泵体控制，当水位达到设定低液位时，第一个泵开始工作，当水位来到高水位时，第二个泵开始工作，当水位高于超高水位的时候，设计两个泵协同工作。当水位降低到超高水位以下时，二号泵停止工作，一号泵继续工作直到水位低于低水位的时候一号泵与二号泵才一起停止工作。如果一号泵故障，则设计第一次达到高水位时，二号泵则开始工作，当其中一个泵故障的情况下另一个泵能够接替其进行工作，并且能够通过手动的方式控制泵的工作。通过器件模拟水位高低来反馈到现场控制器中，使得水阀作出相对应的工作，运用双水阀，使得系统存在余度控制[5]。

3  管理系统组态界面建立

连接Webtalk，选择网关协议Bacnet完成设备扫描。建立设备点位，使不同的DDC带动不同的设备进行工作。建立PI控制的空调系统，运用检测到的温度与湿度控制空调组件，在界面中把温度与湿度两个AI量采用模拟量输入建立并加以标注。

空调系统能够通过时间控制空调的开、关状态，在Vistools中表示时间控制的AV量与用户控制界面相结合，设计能直观地观察时间控制管理界面，其中空调开始工作的小时数为AV1，开始分钟数为AV2，结束小时数为AV3，结束分钟数为AV4。空调组态界面如图1所示。

设计空调系统模拟开关BV量，BV5为手自动切换开关，BV6为手动启停开关，BV9为冬夏季切换开关，BV10为水阀手自动切换开关，BV21为防冻报警开关。采用模拟量AV设定温度值，AV13为温度的设定值，AV15为手动打开水阀的开度的开关，AV20为运行次数的统计的模拟量，AV20为运行时间统计的模拟量。空调系统的水阀与风阀与对应的点位进行绑定，水阀为BV9，风阀为BV23。

设计雨天污水排水系统水阀组态管理组态，设计低水位、高水位和超高水位三个水位状态，采用BI量输入，并用指示灯指示。运行时间设置AV量，本地远程控制维设置BI量输入，手自动切换采用远程控制上实现的BV量，一号泵和二号泵手动启停开关运用自动控制，按钮控制水泵的开关。

远程本地开关为DI6，连接实际开关，为数字输入量。水泵手自动切换开关BV1，对于低水位DI8，高水位DI7，超高水位DI6，运用红蓝开关代表水位是否达到水位标准，一号位水泵的运行时间为模拟的变量AV10，二号位水泵运行时间为AV11。设计一号位泵和二号位泵状态状态量BV40，开关对应旋转风阀，并设置个泵发生损坏时的状态，泵1损坏的状态由DI9表示，泵2损坏的状态由DI10表示。集水坑组态页面如图2所示。

4  楼宇能源设备监控管理系统调试

对于空调风阀的调控先设置为本地控制，能够运用开关对风阀进行控制。将风阀控制切换到远程控制状态，在远程控制状态下能够通过按钮控制风阀的开度与水阀的开度，手动打开风阀开度。对于水阀的冬夏季切换也能做到手动控制，使得出水在冬季为热水，在夏季为冷水。当触发防冻警报时，系统作出报警指示。在自动状态下，组态能够通过设定的时间与温度参数对水阀与风阀进行相对应的控制与显示。

将系统手自动控制设置为手动控制模式，即将水阀手自动切换按钮设置为手动控制，此时系统不会受到程序中按照时间判断来控制该阀门系统，只能通过控制区中的手动控制按钮来控制该系统。在手动控制模式下，将系统打开并且将水阀开度调节到60%，此时，组态风阀水阀状态和风阀水阀组件状态分别如图3和图4所示。

当系统正常运行，滤网无堵塞以及系统未结冰时，将系统控制方式设置为自动控制，此时设置运行时间为7：00至22：00，调试时间在这个时间段内，因此系统会自动打开，系统无堵塞，风阀达到最大开度。将冬夏季切换按钮选择为夏季，用户设定温度为22 ℃，模拟系统状态开关。系统传感器检测到当前室内温度为21.4 ℃，比设定的温度值要低，因此水阀开度达到最小值30%。将冬夏季切换按钮设置为冬季，设定温度为22 ℃高于室内实测温度21.4 ℃，因此此时该系统将要通过加大水阀的开度，使室内温度升高。通过程序PI控制，计算得出此时阀门开度为82.15%。

将系统模拟压差报警打开，模拟压差报警，即模拟发生滤网堵塞，此时组态界面相应滤网位置将发生报警。将系统模拟防冻开关打开，模拟系统防冻报警，即表示此时系统有结冰的情况，此时水阀开度达到最大，且风阀开度为最小。

模拟雨天污水排水系统的水阀的调试，将本地远程开关打到远程，能够通过模拟水位来实现自动的泵体开关的控制。当没有水位显示，两个泵都是关闭状态。当把低液位状态变为开的时候，两个泵体均为未工作状态，模拟打开高水位开关。在一号泵没有损坏的情况下，一号泵泵开始工作，若水位上升到超高水位，二号泵开始排水。水位积水组态图如图5所示。若出现泵故障情况，即若一号泵出现故障，液面达到高水位时，一号泵停止工作，二号泵独立完成排水工作，如图6所示。

打开组态界面楼宇实时温度报表，区域选择为温度，设置需要查询温度的起始时间与结束时间，时间间隔为5分钟，类型选择为最大值。点击查询，即可查询时间内每隔五分钟的历史温度数据形成的折线图。将区域选择为湿度，设置需要查询湿度的起始时间与结束时间，时间间隔为5分钟，类型选择为最大值。点击查询，即可查询时间内每隔五分钟的历史湿度数据形成的折线图。温湿度折线图如图7所示。

5  结  论

针对传统楼宇控制布线多而杂、材料资源能源消耗大的问题，设计研究采用了LoRaWAN无线物联网技术，Vistools编程控制。通过无线网技术，减少了很多数据传输线以及电源线的消耗，同时使控制系统现场变得更加简洁和直观。使用Vistools编程控制，实现智能楼宇阀门控制系统。达到针对不同的实际情况实施不同的控制策略，减少不必要的能源损耗，达到节约能源资源的目的。

针对传统楼宇控制中控制端固定，多在控制现场手动操作，操作多，操作难等问题，设计研究采用建立组态界面实现控制。将每一个控制元件绑定在同一个组态界面中，实现在用户界面统一控制调试整个系统，从而减少在现场操作控制的工作量，减少人力与物力的消耗。

参考文献：

[1] 任江，钟崇光.物联网技术在智能建筑中的应用研究 [J].智能建筑，2013（2）：65-68.

[2] 李慧，段晨旭.变风量空调系统末端装置的性能分析 [J].山东建筑工程学院学报，2005（1）：69-71.

[3] 周栋梁.基于wifi的物联网智能楼宇控制系统的设计与实现 [D].南京：南京邮电大学，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.

作者简介：刘希军（1985—），男，汉族，山东烟台人，副教授，博士，研究方向：智能楼宇系统。