CN101968651B

CN101968651B - 基于无线模式的建筑节能监控系统

Info

Publication number: CN101968651B
Application number: CN201010530196A
Authority: CN
Inventors: 朱学莉; 朱树先; 汪帮富; 郭胜辉; 祝勇俊
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu Yicheng Juxin Construction Technology Co ltd
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: CN101968651A

Abstract

本发明公开了一种基于无线模式的建筑节能监控系统，它包括：中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统、集中照明节能监控子系统、无线网络和监控中心；监控中心通过无线网络与各个监控子系统相连。本发明所述的基于无线模式的建筑节能监控系统操作灵活易于扩展，组网灵活、方便、实用性强。

Description

基于无线模式的建筑节能监控系统

技术领域

本发明属于一种应用于大型建筑或建筑群的整体节能监控技术，具体来说就是一种从整体节能的思想出发，将信息技术、自动控制技术及网络集成技术相融合，把若干个中央空调、供水、供电及集中照明子系统进行无线网络集成，研发了一个先进的建筑节能监控系统。

背景技术

国外在建筑节能方面的研究起步较早。在暖通空调（HVAC）领域的节能控制研究，主要针对空调系统本身进行，或针对HVAC负荷预报，关于适应HAVC对象特点，进行与负荷预报相结合研究控制算法未见有报道。国外有学者提出分布式供水系统，将建筑供水系统作为市政供水管网的一个智能节点，其研究重点在于管理方面，缺乏对节能技术的研究。

国内建筑空调系统节能目前主要采用集中智能控制方式，对于集中控制进一步节能不够重视。在负荷预报方面，主要以室外环境温度为依据作线性预报，不能监控实时系统。供水系统主要采用变频调速技术恒压供水。在建筑照明监控系统中，侧重于监视运行状态、检测系统参数，或给出某种节能措施，基本不作控制，没有节能控制功能。

从应用的角度看，从整体节能目标出发，将上述系统进行网络集成和统一管理作为建筑的综合解决方案才是最佳解决方案。但是纵观国内外建筑各子系统节能研究现状和专利，一方面集中在建筑结构、材料、设备及工艺节能方面，另一方面则是针对某一单项节能技术进行研究或应用，没有从整体节能的思想出发，进行综合节能研究和相关产品研发的相关报道，因此本项目在技术及理念上在国内外均属先进。

发明内容

[0006]发明目的：为了解决现有建筑节能技术的不足，本发明提供了一种从整体节能的思想出发，将信息技术、自动控制技术及网络集成技术相融合，把若干个中央空调、供水、供电及集中照明子系统进行无线网络集成的基于无线模式的建筑节能监控系统。

技术方案：为了实现以上目的，本发明所述的一种基于无线模式的建筑节能监控系统包括：中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统、集中照明节能监控子系统、无线网络和监控中心；监控中心通过无线网络与中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统、集中照明节能监控子系统相连接。

所述中央空调节能监控子系统由一组中央空调节能节点构成；所述供水节能监控子系统由一组供水节能节点构成；所述供电节能监控子系统由一组供电节能节点构成；所述集中照明节能监控子系统由一组集中照明节点构成；所述中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中包括：PLC主模块、GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块和控制输出模块；其中PLC主模块分别与GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块与控制输出模块相连接；中央空调系统设备、供水系统设备、供电系统设备及集中照明系统设备分别通过电气线路与监控节点中的数据采集模块和控制输出模块相连接。数据采集模块与设备连接用于实时采集设备的实时参数；控制输出模块与设备连接，用于向设备传输指令，调整设备的参数及运行工况，实现整个系统设备的节能运行。

中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统和集中照明节能监控子系统通过GPRS模块经无线网络与监控中心连接。

本发明中所述中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中用触摸屏作为现场的人机交互界面，该触摸屏与PLC主模块相连接。

本发明从整体节能的思想出发，将信息技术、自动控制技术及网络集成技术相融合，将负荷预报与PID控制相结合的控制策略用于空调子系统，将专家系统用于供水节能监控子系统，同时将中央空调、供水、供电及集中照明监控子系统纳入监控中心进行统一监控与管理，构建了一个可应用于大型建筑及建筑群的先进节能监控系统。

本发明中各节能监控节点采集与之相连设备的实时数据，将此数据送入PLC主模块存储，然后由GRPS模块经无线网络送至监控中心，由监控中心上位机对实时数据进行接收、运算和存储，技术人员可以通过上位机调用查看相关数据；各节能监控节点中，技术人员可以通过触摸屏输入操作指令，经PLC主模块经分析、计算后向所连接的设备发出相应的指令，对设备参数和运行状态进行调整。

本发明中将中央空调节能控制器、供水节能控制器、供电节能控制器及集中照明节能控制器统一进行管理与监控，构建了可应用于大型建筑或建筑群的基于无线模式的建筑节能监控系统。

本发明中，中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统和集中照明节能监控子系统的功能如下：

（1）中央空调节能监控子系统

中央空调节能监控子系统主要是实现对双工况主机、冷却水泵、冷热水泵、乙二醇泵及冷却塔风机等的节能运行控制。中央空调过程控制系统采用“负荷预报与PID控制相结合”的节能控制策略。

中央空调节能监控子系统所实现的功能为：

制冷供热工况监测：显示板式换热器一、二级网供回水温度、供回水压力等重要参数及冷却水泵、冷热水泵、乙二醇泵、冷却塔风机的运行状态。

制冷供热参数设定：可以分为两类参数的设定。第一类为现场阀门开度、变频器频率、负荷值等现场变量的手动设定；第二类为各控制回路控制参数的设定。

报警记录：在系统运行过程中，对参数超限进行实时报警。此外，可通过历史报警记录表查看历史报警记录信息，并具有报警记录打印功能。报表打印：实现班报表、日报表、月报表的显示与打印。⑤动力中心控制模式设定。

（2）供水节能监控子系统

该子系统采用“专家系统智能调节水压”的供水节能策略，此部分根据专家系统对进水阀门进行自动调整。

供水节能监控子系统所实现的功能为：①供水系统工作模式设定。可进行手动/自动工作模式设置。②供水系统运行参数监测与显示。监测与显示1^#水泵、2^#水泵、3^#水泵的运行方式；1^#水泵、2^#水泵、3^#水泵电机的工作频率；市政供水管网压力；蓄水箱液位。③过程参数报警。可实现蓄水箱水位低限报警、蓄水箱高限报警、供水管网过压报警、供水管网欠压报警、1^#、2^#、3^#水泵故障报警、消防泵故障报警。④数字量输出控制。1^#、2^#、3^#水泵变频器输出频率；1^#、2^#、3^#水泵工频有效标志；1^#、2^#、3^#水泵停止有效标志；蓄水箱阀门开启标志。

（3）供电节能监控子系统

供电节能监控子系统根据每天不同时段的用电量，对供电装置采用负荷预报与优化功率因数相结合的智能补偿方法进行节能控制。

供电节能监控子系统所实现的功能为：①手动/自动模式切换。可进行手动/自动工作模式设置。根据需要，手动或自动补偿功率因数。②电力参数监测与显示。功率因数测量与显示；三相电压、电流检测与显示；有功功率、无功功率的测量及显示；总用电量累加与显示；③异常报警。当功率因数出现异常时，发出声光报警，关闭所有补偿设备。

（4）集中照明节能监控子系统

该子系统可根据人体工程学视觉感应对供电电压进行智能调节。

集中照明节能监控子系统所实现的功能为：①根据照度的变化控制照明灯具的开/关；②当灯具的端电压偏高或偏低时，控制8421码变压器组中变压器的投入/切出，使灯具的端电压稳定在设定值附近；③电网运行数据监测与显示。可进行相电压、相电流、室外照度及调节后的相电压的测量与显示。④参数设置。可进行室外照度、相电压设定值的设定。⑤故障报警。对相电压短路、相电压过电压、相电流过流、相电流断路故障进行报警；对照明节能监控装置故障报警。⑥模式选择。进入集中照明系统主界面后，可进行模式选择。监控模式可进行关闭、定时、自动方式选择；还可进行春秋、夏季、冬季选择定时模式选择。

综上，本发明将信息节能的理念融入网络技术之中，从整体节能的思想出发，将中央空调、供水、供电及集中照明子系统进行网络集成，构建了本发明所述的可应用于大型建筑或建筑群的“基于无线模式的建筑节能监控系统”。在各个子系统中，通过采用不同的节能控制策略，使系统达到了最佳的节能效果。经初步计算，整体节能可达20%—40%。

有益效果：本发明提供的基于无线模式的建筑节能监控系统，与现有技术相比，其优点是：

（1）系统性强

本发明所进行的节能技术研究，是建筑领域采用自动控制、通信技术与网络技术将空调、水泵、供电、供水、照明系统进行系统管理，系统性强。

（2）操作灵活易于扩展

本发明中以PLC主模块为中心，配以触摸屏，具有顺序控制、算术运算、数据转换和通信等功能，且功耗低、体积小、可靠性好。程序结构灵活、便于安装调试及现场控制等优点。

（3）实现了无线组网方式

本发明中采用了GPRS无线通信技术，将分散的中央空调、供水、供电及集中照明节能控制装置集成到一个整体建筑节能监控系统中，可由监控中心发出节能调度指令，并可通过Internet实现远程异地监控，是一种新一代数字化网络化产品。

（4）是一种节能环保的新产品

本发明中采用无线组网方式的优点是不必敷设电气管线，既适用于新建建筑，也适用于既有建筑的改造，不产生建筑垃圾、对环境无污染，组网灵活、方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中的中央空调节能监控子系统的结构示意图；

图3为本发明中供水节能监控子系统的结构示意图；

图4为本发明中集中照明节能监控子系统的结构示意图；

图5为本发明中各节点的结构示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例

如图1-5所示的一种基于无线模式的建筑节能监控系统，它包括：中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统、集中照明节能监控子系统、无线网络和监控中心。

所述中央空调节能监控子系统由一组中央空调节能节点构成；所述供水节能监控子系统由一组供水节能节点构成；所述供电节能监控子系统由一组供电节能节点构成；所述集中照明节能监控子系统由一组集中照明节点构成。

所述中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中包括：PLC主模块、GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块和控制输出模块；其中PLC主模块分别与GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块与控制输出模块相连接。

中央空调系统设备、供水系统设备、供电系统设备及集中照明系统设备分别通过电气线路与监控节点中的数据采集模块和控制输出模块相连接。

所述中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中用触摸屏作为现场的人机交互界面，该触摸屏与PLC主模块相连接。

本实施例中PLC主模块选用SIEMENS公司S7-200系列中的6ES7-CPU226，扩展模拟量输入模块选用EM231，模拟量输出模块选用EM232。PLC程序的开发平台为STEP7-MicroWIN_V4.1编程软件。人机接口选用北京昆仑通态的TPC7602K触摸屏。GPRS通信模块选用深圳宏电公司的H7710 GPRS DTU模块。监控中心的上位管理机以ForceControl组态软件为系统监控软件

当本实施例所述基于无线模式的建筑节能监控系统对中央空调节能监控子系统进行管理监控时

中央空调节能监控子系统所实现的功能为：制冷供热工况监测：显示板式换热器一、二级网供回水温度、供回水压力等重要参数及冷却水泵、冷热水泵、乙二醇泵、冷却塔风机的运行状态。制冷供热参数设定：可以分为两类参数的设定。第一类为现场阀门开度、变频器频率、负荷值等现场变量的手动设定；第二类为各控制回路控制参数的设定。报警记录：在系统运行过程中，对参数超限进行实时报警。此外，可通过历史报警记录表查看历史报警记录信息，并具有报警记录打印功能。

报表打印：实现班报表、日报表、月报表的显示与打印。⑤动力中心控制模式设定。

空调负荷预报可分为短期预报、中期预报和长期预报。空调短期负荷预报是指预报出未来0～24小时之内空调系统负荷的变化，其目的是使冷(热)源的供冷(热)量与用户所需冷(热)量相匹配，进而使整个系统能够协调高效的运行。在本发明中，即对空调负荷进行短期预报，并将预报结果作为空调过程控制系统的参考值，采用PID算法进行控制，实现了中央空调系统的进一步节能。

在本发明中，通过在Matlab环境下进行算法的研究，然后将形成的算法程序用Matlab编译工具生成COM组件。最后采用VC开发平台开发负荷预报界面，通过调用COM组件实现负荷预报核心算法程序的运行。

负荷预报软件开发的具体的步骤如下：

(1) AR建模及仿真：AR建模及仿真是指在Matlab中编写.m的AR模型文件，即建模、预报、仿真图三个文件。这些文件都与SQL数据库进行交互，先从数据库中读取需要预报的负荷值（在数据库中的Temp表中）以及AR建模的一些参数，将建模与预报后的参数与预报值输入到数据库中，最后通过查看仿真图查看预报结果图。

(2) Matlab生成COM组件：将上面的三个文件通过Matlab中的COMTOOL命令，执行打包生成COM组件。组件里面包括所需要的.dll文件、MCR安装包以及之后注册所需要的文件。

(3) VC编程、调用COM中DLL文件：在VC 6.0环境中编写应用程序，其中调用了COM中DLL文件。

(4) 用InstallShield安装程序制作软件将VC程序打包成Windows安装程序（MSI）。

当本实施例所述基于无线模式的建筑节能监控系统对供水系统进行监控管理时；

由于不同用户不同时间段内供水压力/流量的特性不同，目前广泛采用的恒压供水方式无法适应不同时间段内供水压力的特性，供水系统依然存在一定的节能空间，为此本项目充分研究了用户供水压力的内在规律，依据专家系统进行压力设定。

本实施例中所述的供水节能监控子系统设置在供水泵房内。供水节能节点中的PLC主模块用于检测供水管网上的压力、流量等现场数据，控制水泵调节供水阀门开度以达到节能的目的；人机界面的触摸屏用于技术人员现场调试与操作；GPRS模块用于远程通信。

当本实施例所述基于无线模式的建筑节能监控系统对供电系统进行管理控制时；

本实施例中针对建筑供电节能中电能优化的要求，采用了功率因数补偿的节能策略。由于供电负荷预报对建筑供电系统可靠、安全、经济地运行具有重要的作用，本实施例中提出了供电负荷预报与调功率因数补偿的供电节能策略。

供电节能监控子系统装设于变电所低压控制室内。其中，供电节能节点中的PLC主模块用于检测电力参数等现场数据，控制无功补偿电容器的投入/切出；GPRS模块用于远程通信。

当本实施例所述基于无线模式的建筑节能监控系统对集中照明节能监控子系统进行管理控制时;

照明系统的电能浪费和设备损耗是一个普遍存在的现象。这是因为随着午夜后用电量的大大降低，一定程度上使得电网的电压升高，不仅增加了照度及能耗也损害了照明灯具。针对这个问题，本实施例中提出了人体视觉感应与非相控智能调压方式，即根据人体视觉感应原理对集中照明的供电电压进行智能调节。

照明节能控制装置用于集中照明灯具的节能控制。装置采用8421码变压器组进行电压调节，以使灯具的电压稳定在额定电压上，这样既减少了电能的消耗量，又延长了灯具的使用寿命。变压器电压调节范围为±28V。集中照明节能监控子系统亦由PLC主模块、人机界面、GPRS模块四个部分组成。PLC主模块用于对电网电压进行检测、对变压器进行投入/切出控制；人机界面用于现场调试与操作；GPRS模块用于与控制中心进行远程通信。

本实施例所述基于无线模式的建筑节能监控系统中的各现场节能监控子系统通过GPRS模块与监控中心进行通信，构成建筑节能监控网络，用监控中心的微机作为上位管理机，节能控制与管理可以在现场、监控中心及远程客户端上进行。

Claims

1.一种基于无线模式的建筑节能监控系统，其特征在于，它包括：中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统、集中照明节能监控子系统、无线网络和监控中心；

所述中央空调节能监控子系统由一组中央空调节能节点构成；所述供水节能监控子系统由一组供水节能节点构成；所述供电节能监控子系统由一组供电节能节点构成；所述集中照明节能监控子系统由一组集中照明节点构成；

所述中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中包括：PLC主模块、GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块和控制输出模块；其中PLC主模块分别与GPRS模块、PLC扩展输入模块、PLC扩展输出模块、数据采集模块与控制输出模块相连接；

中央空调系统设备、供水系统设备、供电系统设备及集中照明系统设备分别通过电气线路与监控节点中的数据采集模块和控制输出模块相连接；

中央空调节能监控子系统、供水节能监控子系统、供电节能监控子系统和集中照明节能监控子系统通过GPRS模块经无线网络与监控中心连接；

所述系统中的中央空调节能监控节点、供水节能监控节点、供电节能监控节点和集中照明节能监控节点中用触摸屏作为现场的人机交互界面，该触摸屏与PLC主模块相连接。