智能楼宇中央空调监控系统的设计

　１　设计背景
楼宇自动化系统建设的主要目的是降低建筑设备系统的运行能耗，减轻运行管理的劳动强度，提高设备运行管理的水平。在智能建筑中，中央空调系统的耗电量通常占全楼总耗电量的１／３以上，而监控点位数量常常占全楼自动化控制系统总点位数量的５０％以上，因此需要通过自动化监控系统实现对中央空调系统的最优化控制。
通过直接数字控制器（ＤＤＣ）采集有关数据，经线路上传至中央监控系统，再经计算、比较，将有关控制信息返回ＤＤＣ，然后输出相应命令，由现场执行器执行有关命令，以完成整个自动控制过程。空调系统的运行可靠与否决定了建筑物内部的舒适程度，因此需要对中央空调各个子系统的空气参数和设备状态进行实时监控。
２　中央空调系统概述
２．１　工作原理
中央空调是供暖、制冷和空气调节系统的总称。在通风系统的基础上增加一些空气处理设施，通过除尘过滤系统来净化空气，再通过加热、制冷、加湿或去湿设备控制空气的温度和湿度。中央空调系统工作原理如图１所示。

图１　中央空调系统工作原理
中央空调系统包括空气处理及输配系统、冷热源系统，空气处理及输配系统包括进风部分、过滤部分、热湿处理部分、空气输送和分配部分，冷热源系统包括制冷机组、冷冻水、冷却水、锅炉机组和热交换器。
２．２　风门控制
室外新风和室内回风需按照一定比例进行混合。为了保证室内空气保持一定的洁净度和舒适度，并且具有节能的效果，必须对新、回风比例进行适度调节。新、回风口与送风口都安装有温度传感器，工程中常常比较回风温度与送风温度的差值，然后通过比例积分微分算法来对新、回风比例进行控制。新风风门不允许全关，一般设定开度为１０％～１５％。
２．３　温湿度控制
安装在送风口的温度传感器将采集到的温度数据上传至ＤＤＣ，与设定温度作比较，利用比例积分微分算法通过模拟量输出端口对冷水管上的电动调节阀开度进行调节，从而调节换热量，直到送风温度与设定温度一致。湿度控制类似于温度控制，ＤＤＣ将送风湿度传感器采集到的数据与设定湿度作比较，经过比例积分微分算法对干蒸汽加湿器阀门开度进行控制。
３　中央空调监控系统硬件
根据上述工作原理，笔者设计了基于ＬｏｎＷｏｒｋｓ现场总线和ＤＤＣ的智能楼宇中央空调监控系统，将中央空调系统各个子系统通过ＬｏｎＷｏｒｋｓ通信协议集成在一个平台上，使用西门子ＤＤＣ，通过Ｉｎｓｉｇｈｔ软件的编程实现对现场设备进行控制。

图２　中央空调监控系统架构
３．１　硬件组成
中央空调监控系统采用集散式控制系统架构，如图２所示。采用西门子ＤＤＣ，具有多个数字量输出、数字量输入、模拟量输入、模拟量输出等通道。
将前端温湿度传感器测量到的温湿度和流量信号与设定值进行比较，根据比较偏差按照设定好的控制方式去控制与执行调节装置直接相连的一体化装置。ＤＤＣ本身还带有强大的通信功能，能够接收管理工作站发出的各种控制信号，并按照给定命令完成对所监控设备的直接控制，同时还能够把设备的运行状况及各个参数及时反馈给管理工作站。
３．２　监控点位分配
以空气调节及输配系统为例来进行监控点位分配，详见表１。空气温度调节采用电动冷水阀或热水阀调节盘管内冷冻水或热水的流量，通过改变制冷或加热量来改变送风温度。同样，通过加湿调节阀调节送风湿度，通过新、回风门调节风量。

空气的温湿度及风量调节属于跟随设定值的连续调节，向ＤＤＣ传送的是模拟量输入控制信号。中央空调系统中电机类设备的常规监控包括启停控制、运行状态监测、过载状态监测、手自动状态监测。
 
图２　中央空调监控系统架构
４　中央空调监控系统软件
４．１　Ｉｎｓｉｇｈｔ编程
以新风设备子系统为例，在ＤＤＣ与中央监控主机实现通信以后，在主机Ｉｎｓｉｇｈｔ软件中编制相应运行程序，即可实现对新风对象模拟模块的监控。
（１）根据夏季、冬季不同的状态，决定往冷盘管或热盘管输送冷水或热水，并控制输送量。
００１０ＩＦ（ＡＩ１．ＧＴ．５）ＴＨＥＮ　ＡＣＴ（００３０）ＥＬＳＥ　ＤＥＡＣＴ（００３０）∥选择制冷
００２０ＩＦ（ＡＩ１．ＬＥ．５）ＴＨＥＮ　ＡＣＴ（００４０）ＥＬＳＥ　ＤＥＡＣＴ（００４０）∥选择制热
（２）根据送风温度与设定温度，对调节阀开度进行比例积分微分调节，使送风温度始终控制在设定的范围内。夏季，送风温度比设定温度高时，风机盘管上冷水电动调节阀开大；送风温度比设定温度低时，风机盘管上冷水电动调节阀开小。冬季，送风温度比设定温度高时，风机盘管上热水电动调节阀开小；送风温度比设定温度低时，风机盘管上热水电动调节阀开大。
００３０ＬＯＯＰ（０，ＡＩ１，ＡＯ１，ＡＩ３，１０００，２０，０，１，５，２，８，０）∥比例积分微分正向调节
００４０ＬＯＯＰ（－１，ＡＩ１，ＡＯ１，ＡＩ３，１０００，２０，０，１，５，２，８，０）∥比例积分微分反向调节
（３）根据送风湿度与设定湿度，对加湿调节阀开度进行比例积分微分调节，从而控制送风湿度，使送风湿度始终控制在设定范围内。
００５０ＬＯＯＰ（０，ＡＩ２，ＡＯ３，ＡＩ４，１０００，２０，０，１，５，２，８，０）
（４）新风阀与送风机联动控制，送风机停止工作时自动关闭新风阀，送风机启动前延时打开新风阀。
００６０ＷＡＩＴ（３，ＤＯ１，ＤＯ２，１，１）∥延时３ｓ开启新风阀
００７０ＴＨＥＮ（ＤＯ１．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＯＦＦ（ＤＯ２）∥自动关闭新风阀
００８０ＩＦ（ＤＩ１．ＥＱ．ＯＮ．ＡＮＤ．ＤＩ２．ＥＱ．ＯＮ）ＴＨＥＮ　ＯＮ（Ｘ１）ＥＬＳＥ　ＯＦＦ（Ｘ１）
００９０ＩＦ（ＤＩ３．ＥＱ．ＯＮ．ＡＮＤ．ＤＩ６．ＥＱ．ＯＮ）ＴＨＥＮ　ＯＮ（Ｘ２）ＥＬＳＥ　ＯＦＦ（Ｘ２）
０１００ＩＦ（Ｘ１．ＥＱ．ＯＮ．ＯＲ．Ｘ２．ＥＱ．ＯＮ）ＴＨＥＮ　ＯＦＦ（Ｘ３）ＥＬＳＥ　ＯＮ（Ｘ３）
０１１０ＩＦ（ＤＩ５．ＥＱ．ＯＮ）ＴＨＥＮ　ＡＣＴ（０１３０）ＥＬＳＥ　ＤＥＡＣＴ（０１３０）∥选择手动
０１２０ＩＦ（ＤＩ５．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＡＣＴ（０１４０）ＥＬＳＥ　ＤＥＡＣＴ（０１４０）∥选择自动
０１３０ＩＦ（Ｘ３．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＯＮ（ＤＯ２）ＥＬＳＥ　ＯＦＦ（ＤＯ２）
０１４０ＩＦ（Ｘ３．ＥＱ．ＯＦＦ．ＡＮＤ．ＤＩ４．ＥＱ．ＯＮ）ＴＨＥＮ　ＯＮ（ＤＯ２）ＥＬＳＥ　ＯＦＦ（ＤＯ２）
０１５０ＩＦ（ＤＯ２．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＡＯ１＝０
０１６０ＩＦ（ＤＯ２．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＡＯ２＝０
０１７０ＩＦ（ＤＯ２．ＥＱ．ＯＦＦ）ＴＨＥＮ　ＡＯ３＝０
４．２　子系统运行监控
以空气处理及输配系统为例，在中央监控主机Ｉｎｓｉｇｈｔ的监控界面中导入新风设备子系统结构图，以便直观地对新风设备子系统中的风机、阀门等设备进行监控，然后在结构图中添加与各个设备对应的数字及模拟点。正常情况下，新风设备子系统的运行监控画面如图３所示。
５　结束语
智能楼宇中央空调监控系统涵盖了楼宇控制常见的多个子系统，所控制的子系统涉及暖通、给排水等相关专业。对温湿度采用比例积分微分调节，同时解决了对各个子系统中每个控制点的逻辑运行顺序控制问题。这一监控系统主要采用Ｌｏｎｗｏｒｋｓ现场总线和通信协议，通过以太网口通信，上位机采用Ｉｎｓｉｇｈｔ软件对ＤＤＣ进行组态控制，确保了系统安全稳定运行，实现了楼宇自动化控制的目的，为楼宇提供了安全、舒适、高效的办公与生活环境。

图３　新风设备子系统运行监控画面