1、中央控制系统的监测控制系统设计摘要现在随着计算机技术的发展，建筑自动化系统（BAS）已经成为智能建筑的重要组成部分。一个电视大楼中的中央空调系统的监测控制系统被设计为建筑自动化的一部分。监测控制系统构建在企业建筑集成（EBI）的楼宇自动化系统之上，这一企业建筑集成来自于一个自动逻辑公司。下面来介绍这一系统的组成和特点。首先介绍硬件和软件，软件包括 EBI和计算机辅助管理工程（CARE） ，他们分别对应较高级别和较低级别的管理者。最后讨论这一建筑的中空调系统的控制策略，包括比例微积分（PID）控制,模糊控制还有混合模糊比例微积分控制法则。尤其是讨论空调房间的温度和湿度的控制方法。在一个电视大楼的
2、大型录音室内的实验证明混合模糊比例微积分控制法相比于比例微积分控制和模糊控制具有更好的适应性和稳定性，更少的超调量，更快的反映性和更高的准确度。关键词：建筑自动化系统，空调系统，监测控制系统，模糊比例微积分控制，硬件和软件引言最近，由于日益增长的能源需求和有限的资源现状，供热通风及空调（HVAC）技术的节能受到人们的普遍关注。据报道，中央空调的能源消费量高达整个建筑物能源消费量的 50%。附加的有效控制方法，例如自动化和程序化的恒温器，区域供冷供热有利于减少能源消耗。在大型建筑群里建筑自动化系统是控制和节约能源的重要方法，建筑自动化系统也是目前智能建筑的一个重要部分。随着计算机技术的飞速发展，
3、中央空调的监测监控点达到建筑自动化系统的 60%并且它已成为智能建筑的建筑自动化系统的核心设计。所以中央空调的监测监控系统不仅是节能的一种方法，而且是建筑自动化系统的一重要组成部分，尤其对于大型建筑来说。因此，中央空调的监测控制系统是建筑自动化系统至关重要的设计。监测控制系统的职能影响整个智能建筑的管理并且对智能建筑中的建筑自动化系统的投资意义重大。智能建筑所有装备中的计算机检测和控制是建筑自动化的一部分，它包括 HVAC系统，通道系统，停车系统等等。中央空调的检测控制使温度，湿度，风速，室内空气品质的控制和调节具体化。更重要的是，变风量系统中的新风机组和风机盘管的监测控制系统包括在建筑自动化
4、系统中。通过监测控制和记录的信息，节能和集中管理的各个控制可以结合运行，这为智能建筑的管理，能源消耗的减少，管理费用的经济化提供了方便。然而，在大型智能建筑中空调系统的集中监测控制系统的当前设计存在普遍问题。例如，来自室内和室外的不确定因素太多以至于 HVAC系统受影响并且控制系统的效果在中国并不理想，甚至在一些楼宇中自动化系统中并不运行。一些控制系统的运行并不稳定和节能。实际上基本的原因在于空调系统的专业设计者和自动化控制系统的设计者之间缺乏交流。由于空调系统专业设计者对计算机监测控制系统缺乏理解，传统的设计方法和专业领域的局限限制了计算机监测控制系统的执行。另一方面，自动化设计者不了解中央
5、空调系统，所以他们从中央空调系统设计者那被动接受技术过程和控制方法。最终中央空调的计算机检测控制系统不能达到预期的效果，这就是不能理解的控制部分，即投资费用和错误量增加。考虑到空调系统中的监测监控系统遇到的困难，这篇文章介绍了一座电视大楼中空调系统的监测控制系统，这个监测控制系统被设计用于适应一座自动化逻辑公司的企业楼宇集成（EBI）的建筑自动化系统。控制系统的硬件和软件都将详细介绍。强调较高级别和较低级别的 EBI和计算机辅助管理工程（CARE）软件。最后研究监测控制系统的智能控制策略并且通过实验证明这一系统的正确性。监测控制系统设计电视大楼的监测控制系统电视大楼的中央空调系统包括有 2个冷
6、却水单元的冷却水系统和有 11个空气调节单元（AHU）的空气调节系统，即定风量系统。这一检测控制系统的设计满足资方的以下要求：（1）基本参数的测量和设备的开关控制， （2）能量调节和管理， （3）冷冻源，空气水系统的调节和控制。总之监测控制系统包括控制的功能，设计，操作员接口，数据收集和分析以及中央空调系统管理。参数包括空调区的温度，湿度，二氧化碳的浓度，冷却水系统和冷冻水系统的温度和压力。为了保证这些参数在理想的状态，先进的检测控制系统是必须的。另外季节的更替和不同的设备使监测控制系统在改变工况和节能方面显得尤为重要。在智能建筑中中央空调的监测控制系统采用分散性控制系统（DCS） ，它包括中
7、央工作站，信息中转设备，11 个直接数字控制仪（DDC） 。冷却水系统的监测点在图 1。在图片 1中，AI 是模拟输入，AO 是模拟输出，DI 是数字输入，DO 是数字输出。I代表温度，F 代表流量。有两个用水冷却的冷却水单元。各自有 3个泵循环冷却水和冷冻水，两个备用泵。由单元提供的冷却水通过水分离器被送到 AHUs。空调系统的主要控制点在图标 2。这一系统有回风系统。AHU 包括过滤器，盘管，加湿器，风机等等。在图片 2里，TO 和 HO分别代表室外的温度和湿度，Ts 和 Hs分别代表回风温度和湿度，也代表空调区工况，CA 代表压差开关，MV 代表电控阀，LT 代表防冻以免低温损坏盘管，M
8、CC 是风机控制开关。控制和监测功能在中央空调系统中温度，湿度，风速是最重要的几个监测因素。在建筑中由于风速和空气流动引起的能量损失将会成为供热和制冷损失的主要因素。以下列出的数据提供控制和监测系统的检测控制和运行表格。1. 用户接口功能 为接口，监测，故障检修提供安全控制 显示设定点，开关状况，传感器，型号，输入控制，开关 用传感器观察窗户和空气进出口的开度的自动化系统以减少或者停止机械地制冷或通风 最佳的开始点和温度预测程序是为了理想地利用能源 部分载荷，区域监测，控制2.能源日志，绩效审计 在监测期间通过内设传感器收集运行数据 状况的及时报告 自动纠正错误报告监测控制系统的硬件一旦控制问
9、题和监测参数确定，传感器的选择，进出口设置还有计算机的软硬件和网络设置和链接就能确定。中央空调系统的硬件通常是小型的分布控制系统，它有一个工作站和较低级别的控制。空调系统的监测控制系统在 EBI系统中设计和发展。整个系统由这样的硬件组成作为中心工作站，DDCs，传感器和执行器等。监测系统的硬件在图片 3中。工作站用标准计算机并且直接与区域控制器联系。这一工况主要检测管理空调系统设备的运行和温度还有相关湿度以满足要求。另一方面，空调系统的运行参数可以查询甚至一些诸如 PID 控制参数，样本阶段和设定温湿度的参数可以在工作站被修正。充满控制器的 DDC可以独自监测控制温湿度，过滤器堵塞报警和风机状
10、况等。DDC的结构如下图 4。空调系统的传感器检测和控制包括风道的集成温湿度传感器，PT1000 温度传感器，风系统的压力传感器和流量传感器等。盘管和加湿器的电子阀是 isopercental two-way valve另外冷却水系统和供热系统有各自的控制器，它包括在通信协议中的 EBI系统。监测控制系统的软件空调系统的软件包括两个子系统。一个是在工作站的监测管理系统，另一个是在DDC控制领域的智能控制系统。工作站的软件是 EBI系统并且 DDC的软件是在 CARE中编程的。EBI是一精密的管理和控制应用： 显示易于理解的系统数据 可以通过发送相应的要求控制系统 自动执行表格任务 通知你系统活
11、动，包括报警和任务 产生相应的报告EBI由 3个子系统组成：建筑自动化控制系统，生活安全管理系统和安防系统。EBI系统继承现存的工业化标准继续使用 Windows 2000或者 Windows NT。系统采用通信协议是 TCP/IP标准的以太网。此外 EBI支持其他的工业协议，例如 BAC网，OPC 和 Lon Works等。一个典型的 BBI系统包括服务器，站，控制器和网线等，这些在如图 5所示。EBI管理服务器，即主机，它收集处理数据，管理系统活动，执行自动任务。实际上，站是“控制组”的集合，通过它我们可以监测控制系统。站是一个应用于标准计算机的分离的 EBI程序也是一个服务器。在我们的系
12、统中，站和服务器应用于同一个计算机。站提供的信息是一系列 display。每一 display是一个“控制组”提供特殊的设置或者主要信息，并且有相应的一套控制，例如“按钮”和“滚动条” 。这里有两钟主要的显示：系统：由 EBI提供并且用标准方法展示信息。最主要的部分，系统显示由名单和“电子表格”组成，包含系统配置的细节。Custom：这些尤其适用于特殊系统，使停止和控制系统更加简单。例如，一个security-related display最好展示特殊楼层的布局，而空调 display最好包括空调系统的原理图。控制器是实际系统的“栓手和双眼” ，从现场设备中收集控制数据，例如读卡器，空调单元等
13、。我们用 CARE软件编程控制器的控制程序。CARE软件提供绘图工具创造数据文件并且控制控制器的程序。CARE 是一 windows应用程序可以利用菜单，对话框和点击功能。CARE 有 4个主要的功能产生程序文件下载控制：工艺流程图，控制策略，转换逻辑，还有时间程序。工艺流程图：创造工艺的第一步是确定一个方案。这个方案是一种有 1至 30个控制器的一般总线。一个控制器可以分配多个工艺。流程图由每个工艺产生。一个工艺流程图是“分段”的组合，它展示了流程图的设备以及它们是怎样组合的。如图 6所示，一个 AHUs的流程图。段是一个控制系统组件，例如，锅炉，泵和其它设备。段的每部分设备包括传感器，状态
14、点，开关，和泵。控制策略：原理图产生后，我们开始创造控制策略，它提供智能控制器管理系统。控制策略为基于条件，数学计算和分时天时间表的循环决策。控制可以依靠模拟值，数字值，或全部。CARE 提供标准控制运算法则例如 PID， ，最小值，最大值，平均值，关联值。转换逻辑：为了增加控制策略，原理图中增加转换逻辑达到数字控制例如转换状况。转换逻辑基于设置有逻辑 Orson，逻辑 ANDs和高级 Orson的逻辑桌面。例如，当进风机开始工作，一个程序延迟后转换逻辑使回风机也还是工作。时间程序：时间程序是控制设备开关次数与使用期一致。每周日程安排（例如，工作日，周末，假期）可以确定和安排。当完成一个工艺，
15、我们用其他 CARE功能编辑并转化工艺文件到控制格式，然后我们就能下载文件并检查操作控制器。下图 7总结了 CARE方案，工艺，和功能组织。控制策略空调系统正常而精密的运行不仅和适当的空调系统有关，还和自动控制策略有关。这个空调系统的控制单元主要包括开关控制，连续调节控制和连锁控制。空调房间空气等的温度和湿度属于连续调节控制。开关控制包括开关冷却单元，风机和泵等。连锁控制保护空调系统不受意外事故和其他情况的影响，例如连接冷却水系统和风机。相对湿度的基本控制原则类似于温度的。这里我们讨论温度的控制原则。温度传感器使用热变电阻控制实际温度。根据设定温度值和室内实际温度的差值，直接数字控制系统发出数
16、字信号，这些数字信号是根据控制法则和数模转换器计算处理而得。然后数目转换器将数字信号转变成 4到 20毫安培木模拟信号并控制盘管管道上的反馈电子开关。通过调节喷嘴的开度改变冷却水或热水的不稳定并且空调房间的冷热也得到控制，从而使温度控制在设定范围。在供热，通风及空气调节系统中有许多关于温度控制的研究。利用模糊逻辑控制系统结合区域运行网络技术来控制并且空调系统强大的管理功能增加了系统控制信息的交流。在普通的温度控制策略中利用两个执行器（开关和泵）代替一个执行器（控制开关），两个执行器可以完成最佳的供应温度控制。有两个输入和一个输出的模糊逻辑空调控制器被设计于工业运行。这一系统包括反馈控制的两个传
17、感器：一个是监测温度另一个是监测湿度。三个控制因素：制冷阀，供热阀，和加湿阀来调节送风的温度和湿度。这一控制器的模糊原则由温度和湿度规定。温度的控制策略采用混合模糊比例微积分控制。混合模糊比例微积分控制的构造如图 8所示。在图片 8中，r 是设定值，e 是设定值和实际值之间的差值，e*是差值大小，u 是控制输出，即被控参数，E 是对错误的模糊状态的隶属度，EC 是差的误差的模糊状态的隶属度，C 是控制输出的模糊状态，R 代表识别器，F 代表输入的模糊性，RULE 代表模糊规则，D 代表去模糊化的模糊输出，它 defuzzifies 输出模糊集 C产生精确的输出数据U。系统的运行状态由识别器决定
18、，它决定了系统的比例微积分控制或者模糊控制。混合模糊比例微积分控制被应用于电视大楼的中央空调系统中。为了研究 HVAC系统的混合模糊比例微积分控制和它的性能，选择在冬季工况做实验，地点是电视大楼里德一个大型录音棚。实验模型包括比例微积分控制,模糊控制还有混合模糊比例微积分控制。空调系统 24小时的运行如下图 9所示。图 9（a）展示了 PID控制的 24小时运行。我们可以看到房间温度在 22度波动，最低温度 21.7最高温度 22.7。由于室内设备的开关，温度在白天经常波动。图 9（b）模糊控制的 24小时运行。通过比较 PID控制和模糊控制，模糊控制的温度曲线没有很大的起伏并且波谷也比 PI
19、D控制平缓。模糊控制甚至是在白天也没有太大的波动并且反应迅速。然而，模糊控制的精度不如 PID控制高。模糊控制的室内温度很难稳定在设定值。从 PID控制和模糊控制的实验我们可以看出模糊控制可以降低超调量，缩短反应时间并且提高 HVAC系统的运行，但是模糊控制的稳定性相对不足，控制精度也低于 PID控制的。图 9（c）展示了混合模糊比例微积分控制的 24小时运行。相比于 PID控制，混合模糊比例微积分控制的温度曲线与 PID控制的类似。但是曲线的波峰和波谷小于 PID控制，它的曲线起伏变动不那么强些。从这一点，我们可以看出模糊控制可以削减波峰减少超调量。通过和模糊控制比较，混合模糊比例微积分控制的温度稳定在设定值，表明PID控制可以减小净误差。结论中央空调系统的监测控制系统在电视大楼的建筑自动化系统中运行良好。建筑自动化系统很容易设置成监测控制系统。监测控制系统的工作情况表明空调房间的控制参数可以达到要求并且人机对话满足了建筑的管理。空调系统的策略采用混合模糊比例微积分控制。它具有两者的优点并克服了两者的缺点。从 24小时的运行来看，混合模糊比例微积分控制具有诸如小超调量，反应快，运行稳定的优点。答谢在这次课题的研究中，作者答谢能源与动力工程和北方电力能源大学的主要能源试验站的资金和技术支持。
