鄭在富，祝竟梅

（四川礦產(chǎn)機(jī)電技師學(xué)院，四川，成都 611230）

0 引 言

建筑設(shè)備管理系統(tǒng)是各種家居和商業(yè)建筑中必不可少的配置，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、合理管理和使用建筑設(shè)備方面具有不可替代的作用。該系統(tǒng)的核心當(dāng)屬監(jiān)控組態(tài)軟件，監(jiān)控組態(tài)軟件屬于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可免除一些儀器儀表的配置，不但節(jié)省大量的人力和物力，而且還讓系統(tǒng)更加智能化。該類系統(tǒng)的功能非常完善，能夠采集最基本的信息數(shù)據(jù)，取得很好的控制效果。此外，該類系統(tǒng)還具有人機(jī)交互功能，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和分析處理，提供報(bào)表打印和故障診斷等功能，能夠根據(jù)不同的控制系統(tǒng)增減部件實(shí)現(xiàn)各自的功能，具有開放性、多變性和通用性。本文在建筑設(shè)備管理系統(tǒng)中使用了KingSCADA3.7 組態(tài)軟件。

1 系統(tǒng)的背景和意義

有研究表明，2013年國(guó)內(nèi)整個(gè)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)的市場(chǎng)規(guī)模只有5 197.4 億元，2018年超過10 000 億元，2019年超過12 000 億元，預(yù)計(jì)到2025年將會(huì)達(dá)到20 000 億元。由此可見，建筑設(shè)備管理系統(tǒng)發(fā)展迅速，市場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大。為了使企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出，迅速占領(lǐng)市場(chǎng)，本文研發(fā)了基于KingSCADA 的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，并在投入運(yùn)行后取得良好的效果。

2 功能分析

KingSCADA 是亞控公司自主開發(fā)的組態(tài)軟件，是在組態(tài)王（KingView）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的高端產(chǎn)品，在各行業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。KingSCADA3.7 組態(tài)軟件和其他常用的工業(yè)用軟件一樣結(jié)合了前期設(shè)計(jì)和后期運(yùn)用功能，具有優(yōu)異的組態(tài)功能。此類功能可以通過信息交互實(shí)現(xiàn)對(duì)以各種方式布局系統(tǒng)的智能化管理，以發(fā)揮設(shè)備的最佳效用。該軟件可應(yīng)用于各種主流操作系統(tǒng)中，支持多語(yǔ)種系統(tǒng)，完美支持Windows 10。管理人員和技術(shù)人員可隨時(shí)隨地從Web 端登錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控，同時(shí)具有管理者和生產(chǎn)者身份的角色，不但能夠查看各種歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，還能夠?qū)Ω鞣N報(bào)表、報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的處理，從而提高了生產(chǎn)力和執(zhí)行力。我們既可以組建單機(jī)系統(tǒng)，也可以通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)構(gòu)建多機(jī)一體化系統(tǒng)，適用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)。

組態(tài)軟件KingSCADA3.7 版本和其他版本的區(qū)別在于，數(shù)據(jù)詞典中添加的I/O 變量需要由獨(dú)立的KingIOServer 工程設(shè)計(jì)器來(lái)創(chuàng)建，并且通過網(wǎng)絡(luò)配置對(duì)IOServer 服務(wù)器的站點(diǎn)進(jìn)行添加后才能使用。首先，運(yùn)用組在服務(wù)端進(jìn)行畫面創(chuàng)建，編寫各種腳本對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以運(yùn)用的腳本包括配方模板、系統(tǒng)腳本和自定義腳本。對(duì)于比較復(fù)雜的大型系統(tǒng)（比如包含多個(gè)PID 控制的系統(tǒng)），還要結(jié)合運(yùn)用VB，以使系統(tǒng)達(dá)到控制要求。此外，對(duì)于各種控制數(shù)據(jù)，還需要?jiǎng)?chuàng)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)，各種報(bào)表和曲線的使用讓工業(yè)控制變得更加容易。

建筑設(shè)備管理系統(tǒng)包含智能照明管理系統(tǒng)、環(huán)境檢測(cè)管理系統(tǒng)、新風(fēng)管理系統(tǒng)、中央空調(diào)管理系統(tǒng)、能耗管理系統(tǒng)和報(bào)表系統(tǒng)等。本文以中央空調(diào)管理系統(tǒng)和新風(fēng)管理系統(tǒng)為例，介紹基于KingSCADA 的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

空調(diào)系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑的重要成員，是整個(gè)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)最為重要的監(jiān)控對(duì)象，也是整個(gè)樓宇工作系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控的重點(diǎn)目標(biāo)之一，其在建筑設(shè)備管理系統(tǒng)中的地位主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）中央空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效果決定著所控制區(qū)域乃至整個(gè)樓宇工作環(huán)境的優(yōu)劣；（2）中央空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)所消耗的能量占整個(gè)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)的一半，是整個(gè)系統(tǒng)中耗能最大的部分，而其能耗分配為冷熱源消耗40%，傳輸和運(yùn)送消耗60%，其耗能情況決定著整個(gè)系統(tǒng)的耗能表現(xiàn)；（3）空調(diào)系統(tǒng)控制要求是要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況變化立刻做出反應(yīng)，是整個(gè)系統(tǒng)中自動(dòng)化程度最高的部分，對(duì)組態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控要求比較高。只有從源頭即從空調(diào)開始做好監(jiān)控工作才能達(dá)到有效節(jié)能的目的。本系統(tǒng)采用KingSCADA 對(duì)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、監(jiān)控和控制調(diào)節(jié)。耗能的關(guān)系可用以下公式來(lái)表示：

=△=[（）-（）]

其中，為系統(tǒng)能耗，（）為室外溫度，（）為室內(nèi)溫度，系統(tǒng)能耗與溫差成正比。

中央空調(diào)和新風(fēng)系統(tǒng)主要通過送氣和回風(fēng)的關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)，對(duì)空氣進(jìn)行降溫和除濕，也就是對(duì)新風(fēng)溫度、新風(fēng)濕度以及回風(fēng)溫度、濕度的監(jiān)控、調(diào)節(jié)，使控制區(qū)域處于預(yù)期狀態(tài)。針對(duì)溫度的調(diào)節(jié)要注意室內(nèi)溫度與室外溫度的差異不能過大，通過組態(tài)監(jiān)控進(jìn)行PID 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，冬季溫度設(shè)定值大概在25℃～27 ℃之間，夏季溫度設(shè)定值要固定在25 ℃～27 ℃范圍之內(nèi)。根據(jù)不同環(huán)境的作業(yè)要求進(jìn)行工藝性調(diào)節(jié)。針對(duì)不同工作環(huán)境濕度變化不穩(wěn)定的情況，根據(jù)工業(yè)要求不同，各種生產(chǎn)工藝對(duì)濕度的要求大不相同，比如電子生產(chǎn)車間要求相對(duì)濕度50%±10%，但是紡織車間中工藝要求相對(duì)濕度85%±10%。所以冬季相對(duì)濕度設(shè)定值范圍為40%～50%，夏季相對(duì)濕度設(shè)定值范圍為50%～60%。溫度與濕度具有關(guān)聯(lián)性，彼此之間不是獨(dú)立存在的。濕度的變化會(huì)引起溫度的波動(dòng)，而溫度的變化則會(huì)引起相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的變化，溫度的變化將會(huì)引起相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度的增大或減小。所以在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要綜合考慮二者的相互影響，以實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

空調(diào)管理系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)的功能分為冷源系統(tǒng)、熱源系統(tǒng)和前端設(shè)備。其中冷源系統(tǒng)由冷水機(jī)組、冷凍水系統(tǒng)組成。空調(diào)管理系統(tǒng)具有典型性。首先，各種干擾源均會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行，比如室外的天氣情況會(huì)影響室內(nèi)溫度，陰天和晴天對(duì)比下有雪天和無(wú)雪天的干擾結(jié)果肯定是不一樣的，同理新風(fēng)系統(tǒng)采集進(jìn)來(lái)的新風(fēng)也會(huì)形成干擾源，不但會(huì)影響室內(nèi)溫度還會(huì)影響室內(nèi)濕度。其次，工作情景模式需要根據(jù)季節(jié)和環(huán)境的變化而變換，冬季的控制策略和夏季的控制策略不一樣，可以進(jìn)行手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換。可以根據(jù)系統(tǒng)工作環(huán)境的不同設(shè)計(jì)不同的組態(tài)監(jiān)控位置和監(jiān)控參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)精確地控制。

系統(tǒng)控制策略可分為以下幾個(gè)部分：

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下又可通過兩種方式進(jìn)行控制。第一種方式是按照時(shí)間表控制風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)，時(shí)間表包含4 個(gè)定時(shí)開關(guān)段和1 個(gè)節(jié)假日時(shí)間段。第二種方式需要同時(shí)滿足送風(fēng)機(jī)無(wú)故障報(bào)警、無(wú)低溫報(bào)警，系統(tǒng)啟停命令為開、送風(fēng)機(jī)及空調(diào)啟動(dòng)命令為開時(shí)，送風(fēng)機(jī)及空調(diào)開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（2）系統(tǒng)需要將水閥、風(fēng)閥、加濕閥與風(fēng)機(jī)狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，當(dāng)風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，水閥、風(fēng)閥和加濕閥必須關(guān)閉。

（3）防凍開關(guān)用于防凍，當(dāng)環(huán)境溫度低于所設(shè)定的最低溫度時(shí)防凍開關(guān)開啟，與此同時(shí)新風(fēng)系統(tǒng)停止運(yùn)行。

（4）壓差開關(guān)用于對(duì)過濾網(wǎng)的阻塞進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到壓差不在工作范圍之內(nèi)時(shí)壓差開關(guān)開啟。

（5）加濕閥根據(jù)回風(fēng)濕度進(jìn)行控制。監(jiān)測(cè)回風(fēng)濕度，通過啟停空調(diào)加濕閥，使回風(fēng)濕度保持在設(shè)定值范圍內(nèi)（45%±10%）。當(dāng)回風(fēng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，加濕閥開啟；當(dāng)回風(fēng)濕度高于設(shè)定值時(shí)，加濕閥關(guān)閉。

（6）冷熱水閥在空調(diào)啟動(dòng)時(shí)開始工作，此時(shí)冷熱水閥開度開至1/2，空調(diào)未運(yùn)行時(shí)，冷熱水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)送風(fēng)溫度，通過PID 調(diào)節(jié)冷熱水閥，使送風(fēng)溫度保持在設(shè)定值范圍內(nèi)。系統(tǒng)啟動(dòng)后水閥開度50%持續(xù)5 分鐘，5 分鐘之后根據(jù)送風(fēng)溫度PI 調(diào)節(jié)水閥，使送風(fēng)溫度維持在設(shè)定值20 ℃±2 ℃。當(dāng)室外溫度大于10 ℃小于20 ℃時(shí)，水閥開度為0%，只開送風(fēng)機(jī)或空調(diào)。冬季送風(fēng)溫度維持在設(shè)定值30 ℃±2 ℃，控制策略與夏季相反。

（7）空調(diào)運(yùn)行后，風(fēng)閥都要開啟，初始開度新風(fēng)閥為3/10、回風(fēng)閥為7/10，空調(diào)送風(fēng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，電動(dòng)風(fēng)閥關(guān)閉。當(dāng)室外溫度大于15 ℃小于25 ℃時(shí)，新風(fēng)閥開度為100%。當(dāng)室外溫度小于15 ℃或者大于25℃時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)后新風(fēng)閥開度50%持續(xù)5 分鐘。5 分鐘之后根據(jù)回風(fēng)CO濃度持續(xù)5分鐘。5 分鐘之后根據(jù)回風(fēng)CO濃度PID 調(diào)節(jié)新風(fēng)閥，使回風(fēng)CO濃度維持在500 ppm±10%。此過程中新風(fēng)閥設(shè)定最小開度值30%?；仫L(fēng)閥開度總量與新風(fēng)閥開度互補(bǔ)，新風(fēng)閥開度和回風(fēng)閥開度之和始終維持在100%。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)、系統(tǒng)控制策略和運(yùn)行策略的要求，兼顧系統(tǒng)的性價(jià)比和可操作性，本文采用直接數(shù)字控制（Direct Digital Control, DDC）設(shè)計(jì)了基于KingSCADA 的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)。根據(jù)控制策略，監(jiān)控組態(tài)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)為：

（1）監(jiān)控風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)，是否運(yùn)行、處于手動(dòng)還是自動(dòng)狀態(tài)、有沒有過載報(bào)警、統(tǒng)計(jì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的總時(shí)間、運(yùn)行開關(guān)次數(shù)、風(fēng)機(jī)的頻率大小及調(diào)節(jié)情況。

（2）監(jiān)測(cè)送風(fēng)通道和回風(fēng)通道的溫度和濕度。監(jiān)測(cè)送風(fēng)溫度、送風(fēng)濕度、回風(fēng)溫度、回風(fēng)濕度，然后根據(jù)設(shè)定值的大小運(yùn)用PID 對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制水閥和加濕閥的開度，讓送風(fēng)溫濕度和回風(fēng)溫濕度達(dá)到設(shè)定值的范圍。

（3）監(jiān)測(cè)回風(fēng)CO濃度，根據(jù)CO濃度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。

（4）監(jiān)測(cè)室外溫度和相對(duì)濕度。

（5）監(jiān)測(cè)粗效過濾網(wǎng)兩邊的壓差，根據(jù)報(bào)警信號(hào)提示進(jìn)行清洗。

（6）監(jiān)測(cè)防凍開關(guān)的狀態(tài)，出現(xiàn)低溫報(bào)警時(shí)及時(shí)停止風(fēng)機(jī)，關(guān)閉送風(fēng)機(jī)。

（7）根據(jù)室內(nèi)和室外溫度的差值，及時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)和風(fēng)閥。

根據(jù)以上擬定的組態(tài)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)

設(shè)計(jì)各控制流程，其中回風(fēng)CO濃度控制流程如圖2所示。

圖2 回風(fēng)CO2 濃度控制流程

工業(yè)控制中各個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)大小和單位量綱都不一樣，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）轉(zhuǎn)換后該數(shù)據(jù)變得沒有量綱。在工程實(shí)踐中，需要將這些沒有量綱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有量綱的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行計(jì)算、讀寫和控制打印等，實(shí)現(xiàn)最終的標(biāo)度變換。KingSCDA 通過現(xiàn)場(chǎng)的各種溫濕度傳感器等I/O 設(shè)備監(jiān)測(cè)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)量，經(jīng)過算法處理后實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：（1）以動(dòng)畫或圖形的方式在KingSCDA 畫面上顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。（2）根據(jù)控制要求將一些控制參數(shù)傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的I/O，然后對(duì)控制對(duì)象和執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。通過畫面設(shè)計(jì)和編輯，編輯出適合系統(tǒng)的組態(tài)界面，編寫應(yīng)用程序后進(jìn)行調(diào)試。實(shí)際操作中，首先運(yùn)用仿真模式檢驗(yàn)動(dòng)畫的運(yùn)行效果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行狀態(tài)是否符合設(shè)定的控制流程要求。連接好設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序后設(shè)置正確的通信協(xié)議與外部設(shè)備進(jìn)行連接。綜合測(cè)試后，排除和修正所存在的問題和缺陷，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)后最終投入實(shí)際運(yùn)行。

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)需要開環(huán)控制，工業(yè)系統(tǒng)中一般采用對(duì)控制對(duì)象設(shè)置一個(gè)設(shè)定值的方式實(shí)現(xiàn)。但是控制系統(tǒng)要求迅速準(zhǔn)確地使生產(chǎn)對(duì)象達(dá)到所設(shè)定的偏差之內(nèi)，所以現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)中采用了符合生產(chǎn)實(shí)際的控制算法，現(xiàn)階段大量運(yùn)用的是PID 控制算法。本系統(tǒng)采用KingSCADA 中“對(duì)象”“OCX 控件”目錄下的“KingviewPid Control”。該OCX 控件需要在畫面中使用，如果系統(tǒng)建立的畫面有很多個(gè)，但是具有“KingviewPid Control”控件的畫面沒有處于當(dāng)前運(yùn)行活動(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明控制算法沒有起到控制作用。采用的處理方法是在命令程序語(yǔ)言中編寫腳本，使“KingviewPid Control”控件設(shè)定值與數(shù)據(jù)詞典設(shè)定值相關(guān)聯(lián)，讓該控件處于運(yùn)行狀態(tài)。此方法的缺點(diǎn)是需要設(shè)置的參數(shù)比較多，而且該控件只能提供溫度、壓力的PID 調(diào)節(jié)功能，對(duì)于復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)則需在設(shè)備端實(shí)現(xiàn)PID 控制?！癒ingviewPid Control”控件如圖3所示。

圖3 “KingviewPid Control”控件

根據(jù)PID 表達(dá)式采用命令語(yǔ)言編寫PID 控制程序。PID表達(dá)式又分為位置型算法和增量型算法兩種，位置型算法表達(dá)式為：

增量型算法表達(dá)式為：

在工業(yè)控制系統(tǒng)中增量型算法比較實(shí)用，相鄰時(shí)刻輸出絕對(duì)值的差為增量型，位置型算法產(chǎn)生的累加誤差比較大，增量型算法計(jì)算誤差對(duì)控制量影響不大。位置型算法輸出全部控制量，誤動(dòng)作比較大，增量型算法誤動(dòng)作比較小，可以采用邏輯判斷對(duì)輸出進(jìn)行控制，對(duì)系統(tǒng)的影響幾近為零。增量型積分不會(huì)無(wú)效，控制精度容易得到控制，編程簡(jiǎn)單系統(tǒng)占用內(nèi)存很少。部分PID 代碼為：

新建組態(tài)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)各功能的監(jiān)控畫面，在KingIOServer工程設(shè)計(jì)器中新建各設(shè)備變量，然后在KingSCADA3.7 的數(shù)據(jù)詞典中設(shè)置各監(jiān)控點(diǎn)的參數(shù)。仿真調(diào)試后，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行達(dá)到設(shè)定目標(biāo)，最終系統(tǒng)成功投入運(yùn)行。系統(tǒng)工作人員在組態(tài)監(jiān)控畫面中可以查看生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和生產(chǎn)流程，打印實(shí)時(shí)/歷史報(bào)表，觀看實(shí)時(shí)/歷史趨勢(shì)曲線，根據(jù)監(jiān)控情況實(shí)時(shí)處理過程報(bào)警和系統(tǒng)報(bào)警，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)參數(shù)修改以干預(yù)某個(gè)流程，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和發(fā)布實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)發(fā)布遠(yuǎn)程監(jiān)控提供實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)的其中一組畫面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控組態(tài)畫面

4 結(jié) 論

基于KingSCADA 的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試后投入運(yùn)行，在某醫(yī)院建筑設(shè)備管理系統(tǒng)中運(yùn)行監(jiān)控組態(tài)狀態(tài)良好，為企業(yè)自主設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了良好的解決方案，而不用買成套的成品，同等條件下為企業(yè)節(jié)約了成本，提高了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。