郭新蘭

摘要：本文以傳統(tǒng)寫字樓為對(duì)象，分析了能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，提出了全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。引入iFIX5.1組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了人機(jī)界面和控制代碼，實(shí)現(xiàn)樓宇中用電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與能耗采集功能，并可以自動(dòng)生成實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史信息、歷史曲線、報(bào)表，達(dá)到節(jié)省人力、提高安全水平和管理水平的目的，為用戶創(chuàng)造一個(gè)高效、舒適、安全的管理環(huán)境。

Abstract： This paper analyzes the structure and function of energy management system with traditional office buildings and puts forward a new system design scheme. This paper introduces the iFIX5.1 configuration software development platform， develops the man-machine interface and control code， which can realize the state monitoring and energy consumption of the electrical equipment in the building and can automatically generate real-time alarm， historical information， historical curve and report form， so as to save manpower， improve safety and management level and create an efficient， comfortable and safe management environment for users.

關(guān)鍵詞：電能管理系統(tǒng)；iFIX5.1組態(tài)軟件；人機(jī)界面

Key words： power management system；iFIX5.1 configuration software；man-machine interface

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）19-0216-04

0 引言

目前主要發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑能耗均已占社會(huì)總能耗的1/3左右，我國(guó)建筑能耗比例雖然不及發(fā)達(dá)國(guó)家，但由于建筑市場(chǎng)的飛速發(fā)展，建筑能耗占總能耗比例逐年上升。資料顯示，未來(lái)幾年內(nèi)寫字樓、公寓、飯店、會(huì)展中心等大型公共建筑會(huì)大幅度增加，在2020年前我國(guó)將新增約10億m2大型公共建筑。而我國(guó)約90%以上的大型公共建筑是典型的耗（電）能大戶，在能源需求日趨緊張的情況下，采用多種手段實(shí)現(xiàn)建筑電能管理是必然的選擇。如何進(jìn)行建筑能耗量化管理以及效果評(píng)估，降低建筑運(yùn)行過(guò)程中所消耗的能量，包括照明、空調(diào)、動(dòng)力、特殊設(shè)備等其他的能耗，從而降低運(yùn)行成本，成為大樓業(yè)主最為關(guān)注的問(wèn)題。

在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)最為廣泛，技術(shù)發(fā)展也最成熟。它作為能量管理系統(tǒng)的最主要的一個(gè)子系統(tǒng)，有著信息完整、效率高、能正確掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、可加快決策、能幫助快速診斷出系統(tǒng)故障狀態(tài)等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)不可缺少的工具。目前我國(guó)已具有相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)可以用來(lái)做電能管理，例如組態(tài)王、力控、紫金橋等組態(tài)軟件。它們具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，但只適用于點(diǎn)數(shù)較少的中小型系統(tǒng)，通?？梢园堰@樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)，并不適用于要求過(guò)高的大型工程。國(guó)外的一些組態(tài)監(jiān)控軟件主要有美國(guó)GE的iFIX、德國(guó)西門子的WinCC、和英國(guó)的inTouch等?？紤]到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通常使用國(guó)外有名的組態(tài)軟件。

能源管理是節(jié)能減排量化數(shù)據(jù)的體現(xiàn)，起著舉足輕重的作用。同時(shí)作為一種管理工具和手段，利用能源計(jì)量數(shù)據(jù)的采集、診斷、分析，實(shí)施有效管理，科學(xué)準(zhǔn)確的計(jì)量數(shù)據(jù)能夠指導(dǎo)建筑能源的利用，由此達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 電能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 電能管理系統(tǒng)的概述

電能管理系統(tǒng)是按用戶的需求，遵循配電系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范而二次開發(fā)的一套具有專業(yè)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、易使用、高性能、高可靠等特點(diǎn)的適用于低壓配電系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)。通過(guò)遙測(cè)和遙控可以合理調(diào)配負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，有效節(jié)約電能，并有高峰與低谷用電記錄，從而為能源管理提供了必要條件。同時(shí)對(duì)電能按照明插座用電、動(dòng)力用電、空調(diào)用電、特殊用電進(jìn)行分項(xiàng)計(jì)量，為企、事業(yè)單位電能節(jié)能審計(jì)提供依據(jù)。

1.2 電能管理系統(tǒng)功能的分析

根據(jù)樓宇中具體的用電設(shè)備，基于一定的平臺(tái)對(duì)應(yīng)的開發(fā)出一套對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能包含人機(jī)交互界面、信息處理、報(bào)警、異常事件的存儲(chǔ)、曲線及報(bào)表管理、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理、用戶權(quán)限管理、網(wǎng)絡(luò)功能等。

人機(jī)交互界面：設(shè)計(jì)適合客戶要求的交互界面；標(biāo)準(zhǔn)圖元庫(kù)，方便調(diào)用組合；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和顯示；數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)邏輯計(jì)算和處理；設(shè)備參數(shù)遠(yuǎn)程更改設(shè)定；合、分閘狀態(tài)顯示和強(qiáng)制操作。

信息處理：利用采集信息及特定方法進(jìn)行計(jì)算；統(tǒng)計(jì)總功率、最大需量、開關(guān)次數(shù)；采集功率因數(shù)、設(shè)定上下限；記錄負(fù)荷狀況分析電能質(zhì)量。

報(bào)警、異常事件的存儲(chǔ)：報(bào)警實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)、系統(tǒng)運(yùn)行記錄存儲(chǔ)、操作員的操作記錄、歷史報(bào)警的查詢。

曲線及報(bào)表功能：客戶要求的電參量的趨勢(shì)曲線；正/反向、有/無(wú)功電度的歷史趨勢(shì)；設(shè)計(jì)滿足客戶需求的各種報(bào)表；自動(dòng)生成電能計(jì)量的日、月報(bào)表；可根據(jù)常用的MS Excel設(shè)置模板并生成相應(yīng)報(bào)表，使用戶輕松使用；任意時(shí)刻前數(shù)據(jù)報(bào)表、顯示并打印。

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理：應(yīng)用廣泛的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件如ACCESS、SQL SERVER、ORCLE；建立開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫(kù)；存儲(chǔ)指定年限或所有的數(shù)據(jù)信息；軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息更新安全可靠。

用戶權(quán)限管理：密碼登錄后臺(tái)，保證設(shè)置安全；高權(quán)限對(duì)低權(quán)限管理，分級(jí)操作，各權(quán)限均具修改密碼功能。

網(wǎng)絡(luò)功能：雙機(jī)備份功能，支持雙機(jī)、雙網(wǎng)、雙設(shè)備等冗余，并采用備份的形式確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，配置簡(jiǎn)單、方便。網(wǎng)絡(luò)上任意一臺(tái)機(jī)器可指定為I/O服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)上的其他機(jī)器可方便地從該機(jī)器上獲取數(shù)據(jù)[1]。

1.3 系統(tǒng)方案總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的寫字樓的用電主要分為四個(gè)部分：照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電、特殊用電。其中照明插座用電包含了普通照明燈組、應(yīng)急照明燈組、插座負(fù)載的用電；空調(diào)用電包含風(fēng)機(jī)用電、冷熱水泵組的用電；動(dòng)力用電包含了電扶梯的用電、生活水泵的用電；特殊用電主要用于不可斷電的場(chǎng)合，如消防電梯、消防泵、消防照明和信息處理中心。如圖1。

系統(tǒng)通過(guò)電力儀表采集各類用電設(shè)備的耗能數(shù)據(jù)，智能儀表將采集到的數(shù)據(jù)送到現(xiàn)場(chǎng)控制器中，然后由SCADA以以太網(wǎng)的方式通過(guò)I/O驅(qū)動(dòng)軟件與硬件建立通信（現(xiàn)場(chǎng)控制器），自動(dòng)采集控制器中I/O地址中的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，處理后可以寫入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中備份在硬盤中，供日后工程師檢修排查故障提供依據(jù)。同樣后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)同樣可以通過(guò)控件在系統(tǒng)開發(fā)畫面中顯示運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與用電設(shè)備狀態(tài)人機(jī)界面監(jiān)控。

2 電能管理系統(tǒng)工作臺(tái)界面的開發(fā)

2.1 主頁(yè)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)登錄GUEST用戶啟動(dòng)主頁(yè)畫面運(yùn)行，在主頁(yè)顯示本系統(tǒng)的全稱，右上角顯示的是系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間日期與當(dāng)前登錄用戶名。

如圖2，畫面中有三個(gè)點(diǎn)擊按鈕，每個(gè)按鈕做了安全區(qū)設(shè)置，分別為建筑LOGO，在用戶有訪問(wèn)權(quán)限時(shí)點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)；登錄按鈕，點(diǎn)擊后彈出窗口用來(lái)注銷當(dāng)前用戶與登錄新用戶；退出按鈕，用戶點(diǎn)擊后彈出二次菜單選擇是否退出系統(tǒng)。否則將提示當(dāng)前用戶沒(méi)有訪問(wèn)權(quán)限，無(wú)法進(jìn)入系統(tǒng)。點(diǎn)擊登錄后登錄管理員賬號(hào)，進(jìn)入系統(tǒng)。

2.2 照明插座監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

右側(cè)最大的部分就是監(jiān)控的主畫面，用來(lái)顯示監(jiān)控畫面和功能畫面。進(jìn)入系統(tǒng)后設(shè)計(jì)為默認(rèn)進(jìn)入照明插座的監(jiān)控畫面，在照明插座的監(jiān)控畫面中主要有照明燈組、應(yīng)急照明燈組和插座負(fù)載。其中普通照明燈組有十盞等組成，其控制方式分手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式，若選擇自動(dòng)模式則燈組的開關(guān)由自然光照度控制，如圖5系統(tǒng)設(shè)置為當(dāng)光照度大于200LX自動(dòng)關(guān)閉，小于200LX時(shí)自動(dòng)關(guān)閉燈組。若選擇手動(dòng)控制，如圖6燈組的亮滅由右側(cè)的數(shù)字量開關(guān)進(jìn)行直接控制。

應(yīng)急照明是在緊急情況下必須工作的照明燈組，這樣才能保證在突發(fā)情況下，人員能夠有效的安全快速的撤離。應(yīng)急照明燈同樣采用兩種方式，及正常狀態(tài)（Normal）與消防聯(lián)動(dòng)狀態(tài)（Fire）。如圖7正常狀態(tài)下有數(shù)字量開關(guān)控制其工作狀態(tài)，同樣綠色為工作狀態(tài)，紅色為停止?fàn)顟B(tài)。若此時(shí)消防聯(lián)動(dòng)動(dòng)作，如圖8消防聯(lián)動(dòng)觸點(diǎn)動(dòng)作，應(yīng)急照明為強(qiáng)制工作狀態(tài)，無(wú)論開關(guān)處于閉合和斷開位置，如圖中的第二盞應(yīng)急燈在正常狀態(tài)下為關(guān)閉，消防聯(lián)動(dòng)為開啟[3]。并且消防語(yǔ)音報(bào)警啟動(dòng)，通知人員撤離。

在每盞消防應(yīng)急燈的下方同樣設(shè)有每盞應(yīng)急燈的能耗顯示，右側(cè)是緊急消防開關(guān)按鈕，下方顯示當(dāng)前的消防狀態(tài)與當(dāng)前應(yīng)急燈總能耗。

插座是每個(gè)寫字樓不可缺少的用電裝置，對(duì)于不同類型和功率的用電設(shè)備可分為三種類型：?jiǎn)雾?xiàng)小負(fù)載、單項(xiàng)中等接地負(fù)載、三相負(fù)載。系統(tǒng)中單項(xiàng)負(fù)載用純電阻代替，三相負(fù)載有三相電機(jī)代替。如圖9所示。

點(diǎn)擊負(fù)載右側(cè)的數(shù)字量開關(guān)，關(guān)閉斷開觸點(diǎn)。負(fù)載綠色為工作中，紅色為停止。此時(shí)圖中的單項(xiàng)負(fù)載與三相負(fù)載正在工作，其能耗值在下方顯示，并且右側(cè)有插座負(fù)載的總能耗值。

畫面中的負(fù)載工作狀態(tài)以及觸點(diǎn)的斷開與閉合也是由前景色動(dòng)畫專家和可視動(dòng)畫專家完成。

2.3 空調(diào)用電監(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

寫字樓中的空調(diào)用電在整棟樓用電占中很大的比例，所以采取了單獨(dú)監(jiān)控。本系統(tǒng)采用空調(diào)系統(tǒng)為常用的變流量水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管機(jī)組，其用電具體可分為風(fēng)機(jī)用電、制冷機(jī)組、制熱機(jī)組用電[3]。其空調(diào)的控制方式分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種，若采取自動(dòng)方式，空調(diào)的開關(guān)由溫度自動(dòng)控制，當(dāng)溫度低于16攝氏度或高于26攝氏度時(shí)空調(diào)自動(dòng)開啟，并且通過(guò)室內(nèi)溫控器的判斷自動(dòng)開啟關(guān)閉制冷熱機(jī)組，其風(fēng)機(jī)風(fēng)速控制由右側(cè)的旋鈕手動(dòng)控制。如圖10所示。

3 系統(tǒng)功能畫面設(shè)計(jì)與說(shuō)明

3.1 實(shí)時(shí)報(bào)警畫面設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)有報(bào)警產(chǎn)生時(shí)，實(shí)時(shí)報(bào)警窗會(huì)對(duì)此進(jìn)行分析處理，把具體信息提示給用戶，做出相應(yīng)的處理。

在報(bào)警畫面中插入iFIX的AlarmSummaryOCX1控件，將數(shù)據(jù)庫(kù)中已定義報(bào)警的數(shù)據(jù)塊報(bào)警細(xì)則自動(dòng)顯示在畫面中。舉例說(shuō)明數(shù)據(jù)塊的報(bào)警定義，可選擇報(bào)警區(qū)域、報(bào)警優(yōu)先級(jí)、報(bào)警高低限。如圖11和圖12分別為空調(diào)溫度的模擬量報(bào)警和動(dòng)力急停按鈕的數(shù)字量報(bào)警。

3.2 歷史查詢畫面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)包含歷史報(bào)警、操作員的歷史操作記錄、系統(tǒng)運(yùn)行歷史記錄。通過(guò)iFIX的ODBC報(bào)警驅(qū)動(dòng)向第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)寫數(shù)據(jù)，保存至計(jì)算機(jī)的硬盤，供歷史畫面查詢調(diào)出，為日后的故障排查與系統(tǒng)維護(hù)提供依據(jù)。查詢畫面如圖13所示。

3.3 報(bào)表畫面的設(shè)計(jì)

報(bào)表是企業(yè)管理的基本措施和途徑，是企業(yè)的基本業(yè)務(wù)要求，也是大部分客戶所要求的。報(bào)表可以幫助企業(yè)訪問(wèn)、格式化數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)信息以可靠和安全的方式呈現(xiàn)給使用者。深入洞察企業(yè)運(yùn)營(yíng)狀況，是企業(yè)發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。在本系統(tǒng)中報(bào)表分為日?qǐng)?bào)與月報(bào)，主要是用來(lái)統(tǒng)計(jì)寫字樓的每日和每月的用電能耗，為管理者提供參考。（圖14）

4 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試

4.1 仿真驅(qū)動(dòng)

由于本系統(tǒng)開發(fā)并沒(méi)有真實(shí)的控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集并沒(méi)有連接到真實(shí)控制器的I/O地址中。本系統(tǒng)采用iFIX自身的仿真驅(qū)動(dòng)SIM-Simulation Driver，通過(guò)對(duì)SIM驅(qū)動(dòng)I/O地址寄存器的配置，編輯不同類型的標(biāo)簽名。如圖15為SIM驅(qū)動(dòng)的添加。

4.2 系統(tǒng)的調(diào)試

編好程序后，進(jìn)行運(yùn)行檢查是否存在錯(cuò)誤。作為程序的正確性不僅僅表現(xiàn)在正常功能的完成上，更重要的是對(duì)意外情況的正確處理。

設(shè)計(jì)程序?qū)懲旰螅c(diǎn)擊運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)提示出錯(cuò)，點(diǎn)擊調(diào)試，仔細(xì)檢查代碼是否是數(shù)據(jù)類型定義錯(cuò)誤或未定義、標(biāo)簽名使用錯(cuò)誤等。如圖16、圖17為系統(tǒng)開發(fā)中遇到的部分錯(cuò)誤。

目前系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好的運(yùn)轉(zhuǎn)，但還是存在一些問(wèn)題。iFIX軟件過(guò)于龐大，對(duì)硬件系統(tǒng)要求過(guò)高，希望iFIX平臺(tái)能夠不斷的完善。

在與PLC通信，目前通信程序只是完成了數(shù)據(jù)的讀取與寫入功能，還有其他的，例如：對(duì)PLC進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，對(duì)冗余數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的分析處理，數(shù)據(jù)傳輸超時(shí)處理等功能都需要進(jìn)一步的編寫代碼，而且該通信程序以進(jìn)程形式運(yùn)行。下一步的目標(biāo)就是開發(fā)出線程級(jí)的通訊程序，以進(jìn)一步增強(qiáng)通訊速度和安全性。

5 總結(jié)

以GE iFIX作為平臺(tái)開發(fā)電能管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寫字樓的電能的監(jiān)控與管理。首先分析當(dāng)今能源問(wèn)題的嚴(yán)峻形勢(shì)與國(guó)內(nèi)外一些關(guān)于電能管理系統(tǒng)的發(fā)展，引入iFIX組態(tài)軟件，充分發(fā)揮iFIX強(qiáng)大的易擴(kuò)展性、分布結(jié)構(gòu)、服務(wù)器的特性，針對(duì)寫字樓中的不同類型的用電進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的開發(fā)與說(shuō)明。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了樓宇用電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，并擁有實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線、報(bào)表等強(qiáng)大功能，在樓宇能耗細(xì)則上為客戶提供了更直觀的依據(jù)。

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