133智能建筑设备自动化系统中空调监控系统的设计

智能建筑设备自动化系统中空调监控系统设计解放军理工大学 彭福胜 缪小平 庄克鹏 连慧亮 吴兴平 摘 要：空调监控系统是智能建筑中建筑自动化系统的一个重要的子系统，本文介绍了一种以空调监控系统为基础，构建智能建筑设备自动化系统的方法，该系统利用西门子S7系列PLC 和工控机作为硬件平台，采用WinCC 作为软件平台，实现了通风空调系统、给排水系统、电力系统的监控，通过工程实践表明，该系统运行可靠、操作方便、节省人力、降低能耗，全面提高了工程的维护管理水平。

关键词：HVAC 智能建筑 楼宇自动化 PLC WinCC1 引言目前，智能建筑（IB ）楼宇自动化系统（BAS ），是智能建筑的重要组成部分，一般惯例是由电气和自动控制专业设计施工，本文提出了一种以空调监控系统为基础，来构建智能建筑设备自动化系统的途径和方法，并在工程设计和实践中应用，效果明显。

2 空调监控系统在BAS 系统中的地位和现状智能建筑综合管理系统（IBMS ），由建筑设备管理系统(BMS)、通信网络系统（CNS ）、办公自动化系统（OAS ）三大部分组成， BMS 由建筑设备自动化（BAS ）、消防自动化（FAS ）、安保自动化（SAS ）三部分组成，如图1所示。

图1、智能建筑综合管理系统结构智能建筑的最终目的，是要创建舒适、高效、节能、安全的生活和工作环境，要达到这个目的，BAS 是关键，而空调监控系统正是BAS 系统中最复杂、最重要的组成部分，同时也是BAS 系统中最容易出现问题的部分，目前，智能建筑中的空调监控系统,存在两个突出问题：一个是功能不完善，可靠性不高，仅能够实现参数检测、设备启停等,能实现空调系统经济运行的很少；另一个是盲目求大求全，照搬其它工程方案，造成了浪费，并且运行的效果不理想，无法解决实际问题。

出现这个问题的原因是，电气和自动控制专业一般不甚了解暖通空调专业的相关设备和控制规律，结果造成了设计和建造的楼宇自动化系统，达不到智能建筑的标准，不能满足实际应用的需求。

因此，要做好BAS 系统中的空调监控系统，需要两方面的知识，一个是电气和自动控制专业的知识，一个是暖通空调方面的知识，其中后者研究的就是BAS 的被控对象，只有把被控对象的特性和控制规律掌握好，才能把被控对象控制好。

因此，以暖通空调监控系统为基础，来构建BAS 系统，是目前解决BAS 系统中问题的一个有效途径。

3 空调监控系统的组成和功能以某地下工程BAS 为例，该系统由通风空调系统、给排水系统、电力系统三个系统的IBMSBMSOAS CNS BAS SAS FAS监控组成。

其中空调系统的监控，是该系统中内容最多，也是最重要的组成部分，主要由进排风系统、送回风系统、除湿空调机组、冷却水系统、参数监测系统组成，因此，在系统设计时，我们充分考虑通风空调系统的功能需求，基于通风空调监控系统，构建了智能建筑楼宇自动化系统。

控制系统实现了以下功能：（1）基本功能：控制系统分为远程、就地两地控制及手动、自动两种控制方式；重要设备的操作记录、故障记录、运行时间记录，为设备维护保养提供依据；（2）进排风系统、送回风系统：可以实现对单个设备的状态监测、故障报警、远程及就地控制，还可以实现风机和对应风路上阀门的联动控制，还具有风机和阀门之间的连锁控制，保证只有风机所在风路上阀门开启的情况下，才能开启风机。

另外还可以实现通过一个按钮实现一种通风方式的控制等。

（3）空调系统、冷却水系统：可以实现空调机组及其冷却水系统的运行状态监测和设备控制。

包括：除湿空调机运行方式选择控制；除湿空调机控制参数的远程和就地设定；除湿空调机的故障显示，报警及存储信息；送风机运行状态监视及故障报警；空调水库水位，水温检测，并能在高温报警时排水和补水；冷却塔及冷却水泵，补水泵的运行状态监视及故障报警。

图2就是空调系统的一个监控操作界面。

图2 空调机组监控画面（4）参数监测系统：工程内部典型房间的温度和湿度的监视，存储和曲线绘制，工程外部温度和湿度的监视、存储和曲线绘制；工程内部典型房间的CO2浓度监视、存储和曲线绘制；工程内部水库液位的连续监测、存储和曲线绘制。

（5）系统联动控制：为保障空调机组的正常运行，空调机组相关设备需要与空调机组进行联动控制，一般是要求在空调机组运行之前，先开启冷却塔风机，冷却水回路上的阀门，待水路畅通以后，开启冷却水泵，然后再开启空调机组；关机的顺序相反。

该系统实现了空调机组与相关设备的联动控制。

另外，冷却水系统的补水控制，水库补水控制，都可以实现设备联动自动运行。

（6）系统节能运行模式的探讨：根据工程内外的温湿度参数，来确定空调系统应该采用哪种运行模式，并给操作人员一个建议，以便科学的控制好空调系统，如图3所示。

图3、确定设备运行模式图3中不同工况的说明如下：降温除湿工况：开启风机，开启压缩机，打开水泵，制冷剂三通比例调节阀分配制冷剂全部通过水冷冷凝器；升温除湿工况：开启风机，开启压缩机，关闭水泵，制冷剂三通比例调节阀分配制冷剂全部通过风冷冷凝器；调温除湿工况：开启风机，开启压缩机，打开水泵，根据环境温度，通过PID调节制冷剂三通比例调节阀分配制冷剂进入水冷和风冷冷凝器的比例。

由于工程的特殊性，在维护管理时，对内部温度要求不高，而对湿度要求比较严格，通常是要求不要高于某一水平就可以了。

那么，维护管理时，控制系统计算工程内外的空气含湿量的大小，当工程外部空气含湿量小于工程内部时，比如在冬季和过渡季节（早春和晚秋），就可以把工程外部的空气，直接通过进排风机，把工程内部的空气置换，而不用开启空调机组，达到节能和降低维护管理费用的目的。

（7）本系统的其它功能：该控制系统，还具有其它智能建筑BAS系统中的基本功能，如给排水系统监控、高低压配电系统监测、油机运行状态监测、门禁安保、电视监控、消防系统等。

4 BAS整体硬件结构设计实现该工程的空调设备采用的西门子S7-200PLC控制，为了实现以上的控制功能，我们以空调系统控制器为基础，采用工业现场总线技术、构建了一套基于西门子S7系列PLC和工图4 控制系统硬件结构示意图系统结构分三层：管理层、监控层、现场层。

（1）管理层：采用两台研华工控机（配置: Pentium 4/2.4G主频/512M内存/80G硬盘／19液晶显示器，内置D-LINK 10/1OOM自适应网卡。

）作为上位管理计算机（简称上位机），通过以太网与监控层进行通信，采用WINCC作为系统的组态和控制程序，通过系统组态，以数据、图形和表格形式显示系统运行状态，发出控制命令并完成记录、存档和打印等消息处理。

可以看出，通过WinCC组态，既实现上位机与PLC的连接、通信，又为用户提供了一个直观的操作界面，在监控主页面上不但可以形象地看到整个空调系统的布局，以及当前各个设备的运行状况，故障报警及记录，室内温湿度及CO2浓度实时数据曲线，又能方便的通过键盘和鼠标控制系统中的设备，使操作、维护工作变得简单易行。

另外，两台上位机采用使用WinCC/Redundancy选件，实现上位机的热备冗余。

当其中一台出现故障时，另一台上位机承担整个系统的控制任务。

当故障的上位机恢复运行时，所有消息内容和过程值归档都被复制回这台运行的上位机内，从而显著地提高了系统的可用性。

换句话说，即使一台上位机发生故障，你的自控系统依旧处于正常的运行状态。

系统不只是在一个上位机出现故障时，自动地切换到冗余伙伴上位机；在过程通讯或应用程序受到干扰时，系统也会自动地进行切换。

（2）监控层：监控层是整个分布式控制系统的中间层，起着联系管理层和现场层的纽带作用。

监控层采用西门子S7-300系列PLC（型号为313C-2DP）作为主站，并为主站配置了CP340-RS232C 模块和CP343-1 Lean 模块和一台触摸屏人机界面（与PLC通过MPI电缆相连，可以在上位机出现故障时，通过触摸屏监控整个系统）。

主站与上位机通过工业以太网交换机来实现以太网通信，与下位机通过PROFIBUS-DP总线网络进行通信。

主站从下位机监测被控对象的状态信息，传送给上位机；从上位机接收控制指令，给下位机下达命令。

采用自主开发的总线型智能多点温湿度检测仪，通过RS485总线电缆，与温湿度传感器和二氧化碳传感器相连，实现对工程内部典型的房间的温湿度及二氧化碳浓度的远程检测，并通过仪表的通信接口，和主站的CP340-RS232C模块的RS232C接口连接，将数据上传至主站PLC。

（3）现场层：也叫现场控制层，采用西门子S7-200系列PLC（型号为CPU224）作为控制从站，根据不同的设备控制要求，搭配不同的扩展模块。

由于控制的设备较多，按照设计要求，各从站都配备了触摸屏（采用MPI电缆通信），可以就地监控操作设备的运行。

从站配置EM277通信模块，与监控层之间通过PROFIBUS-DP总线通信，从站可以向现场触摸屏和上位机传递设备的实时状态，接受并执行现场触摸屏或上位机的实时控制指令。

总之，BAS是一个整体，在这个系统平台上的所有设备，都可以接受监控主站和上位机的监测和控制，基于这个平台，设备之间的协调运行和联动控制，都变得很简单可靠。

BAS又是一个开放的系统平台，基于这个平台，将来既可以根据需求增加一些硬件设备，也可以利用现有的系统和数据，开发更加合理、高效的控制和管理算法，拓展系统的功能和应用领域。

5 结语基于空调系统控制的智能建筑设备自动化系统建成运行后，既符合通风空调专业的运行管理规律，又实现了过去实现比较繁琐的一些联动控制功能和节能控制功能，同时通过系统的集中监控，大大减少工程维护管理人员的劳动强度，提高了工作效率，减少设备运行能耗，提高设备运行的可靠性，全面的提高了工程的维护管理水平。

附：名词解释：PLC：可编程控制器的简称。

PROFIBUS-DP：PROFIBUS-DP技术是西门子公司首先提出的一种工业现场通信总线技术，目前已经成为欧洲和国际标准。

它具有速度快，可靠性高，编程简单的特点。

WinCC：WinCC (Windows Control Center，窗口控制中心)是西门子公司实现PLC与上位机之间通信及上位机监控画面制作的组态软件。

WinCC/Redundancy，是WinCC的一个选件，可以实现系统的冗余。

MPI：Multi Point Interfacer，西门子PLC内置的通信协议，多点接口协议的简称。

主要用于西门子PLC之间以及PLC与触摸屏之间的通信。

参考文献[1] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子S7—300PLC.北京：北京航空航天大学出版社,2004[2] 西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WINCC V6.0.北京：北京航空航天大学出版社,2004[3]（德）韦格曼，（德）基利恩著，闫志强等译.西门子PROFIBUS工业通信指南(第2版).北京：人民邮电出版社，2007[4] 范良凯，彭福胜，缪小平.等.某地下车库内部设备计算机智能管理系统设计.地下空间与工程学报，2006，04：195—199[5] 姜珊，周鹏，巩海全.等.PLC在全自动控制冷冻站系统中的应用.制冷与空调，2004，。