郭新蘭

摘要：本文以傳統(tǒng)寫字樓為對象，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)設計方案。引入iFIX5.1組態(tài)軟件開發(fā)平臺，開發(fā)了人機界面和控制代碼，實現(xiàn)樓宇中用電設備的狀態(tài)監(jiān)控與能耗采集功能，并可以自動生成實時報警、歷史信息、歷史曲線、報表，達到節(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；人機界面

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

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）19-0216-04

0 引言

目前主要發(fā)達國家的建筑能耗均已占社會總能耗的1/3左右，我國建筑能耗比例雖然不及發(fā)達國家，但由于建筑市場的飛速發(fā)展，建筑能耗占總能耗比例逐年上升。資料顯示，未來幾年內(nèi)寫字樓、公寓、飯店、會展中心等大型公共建筑會大幅度增加，在2020年前我國將新增約10億m2大型公共建筑。而我國約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，采用多種手段實現(xiàn)建筑電能管理是必然的選擇。如何進行建筑能耗量化管理以及效果評估，降低建筑運行過程中所消耗的能量，包括照明、空調(diào)、動力、特殊設備等其他的能耗，從而降低運行成本，成為大樓業(yè)主最為關(guān)注的問題。

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)的最主要的一個子系統(tǒng)，有著信息完整、效率高、能正確掌握系統(tǒng)運行狀態(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，現(xiàn)已成為電力系統(tǒng)不可缺少的工具。目前我國已具有相應的開發(fā)平臺可以用來做電能管理，例如組態(tài)王、力控、紫金橋等組態(tài)軟件。它們具有適應性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點，但只適用于點數(shù)較少的中小型系統(tǒng)，通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)，并不適用于要求過高的大型工程。國外的一些組態(tài)監(jiān)控軟件主要有美國GE的iFIX、德國西門子的WinCC、和英國的inTouch等。考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，通常使用國外有名的組態(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。同時作為一種管理工具和手段，利用能源計量數(shù)據(jù)的采集、診斷、分析，實施有效管理，科學準確的計量數(shù)據(jù)能夠指導建筑能源的利用，由此達到節(jié)能降耗的目的。

1 電能管理系統(tǒng)的設計

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)的標準規(guī)范而二次開發(fā)的一套具有專業(yè)性強、自動化程度高、易使用、高性能、高可靠等特點的適用于低壓配電系統(tǒng)的電能管理系統(tǒng)。通過遙測和遙控可以合理調(diào)配負荷，實現(xiàn)優(yōu)化運行，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。同時對電能按照明插座用電、動力用電、空調(diào)用電、特殊用電進行分項計量，為企、事業(yè)單位電能節(jié)能審計提供依據(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備，基于一定的平臺對應的開發(fā)出一套對用電設備進行監(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交互界面、信息處理、報警、異常事件的存儲、曲線及報表管理、后臺數(shù)據(jù)庫管理、用戶權(quán)限管理、網(wǎng)絡功能等。

人機交互界面：設計適合客戶要求的交互界面；標準圖元庫，方便調(diào)用組合；實時數(shù)據(jù)采集和顯示；數(shù)據(jù)信息的自動邏輯計算和處理；設備參數(shù)遠程更改設定；合、分閘狀態(tài)顯示和強制操作。

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

報警、異常事件的存儲：報警實時顯示與存儲、系統(tǒng)運行記錄存儲、操作員的操作記錄、歷史報警的查詢。

曲線及報表功能：客戶要求的電參量的趨勢曲線；正/反向、有/無功電度的歷史趨勢；設計滿足客戶需求的各種報表；自動生成電能計量的日、月報表；可根據(jù)常用的MS Excel設置模板并生成相應報表，使用戶輕松使用；任意時刻前數(shù)據(jù)報表、顯示并打印。

后臺數(shù)據(jù)庫管理：應用廣泛的數(shù)據(jù)庫軟件如ACCESS、SQL SERVER、ORCLE；建立開放式、網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)庫；存儲指定年限或所有的數(shù)據(jù)信息；軟件系統(tǒng)實現(xiàn)的動態(tài)鏈接庫；實時數(shù)據(jù)信息更新安全可靠。

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

網(wǎng)絡功能：雙機備份功能，支持雙機、雙網(wǎng)、雙設備等冗余，并采用備份的形式確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，配置簡單、方便。網(wǎng)絡上任意一臺機器可指定為I/O服務器，網(wǎng)絡上的其他機器可方便地從該機器上獲取數(shù)據(jù)[1]。

1.3 系統(tǒng)方案總體設計

本系統(tǒng)將傳統(tǒng)的寫字樓的用電主要分為四個部分：照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電、特殊用電。其中照明插座用電包含了普通照明燈組、應急照明燈組、插座負載的用電；空調(diào)用電包含風機用電、冷熱水泵組的用電；動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)通過電力儀表采集各類用電設備的耗能數(shù)據(jù)，智能儀表將采集到的數(shù)據(jù)送到現(xiàn)場控制器中，然后由SCADA以以太網(wǎng)的方式通過I/O驅(qū)動軟件與硬件建立通信（現(xiàn)場控制器），自動采集控制器中I/O地址中的數(shù)據(jù)，存儲到后臺數(shù)據(jù)庫中，處理后可以寫入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中備份在硬盤中，供日后工程師檢修排查故障提供依據(jù)。同樣后臺數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)同樣可以通過控件在系統(tǒng)開發(fā)畫面中顯示運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與用電設備狀態(tài)人機界面監(jiān)控。

2 電能管理系統(tǒng)工作臺界面的開發(fā)

2.1 主頁設計

系統(tǒng)啟動后自動登錄GUEST用戶啟動主頁畫面運行，在主頁顯示本系統(tǒng)的全稱，右上角顯示的是系統(tǒng)的當前時間日期與當前登錄用戶名。

如圖2，畫面中有三個點擊按鈕，每個按鈕做了安全區(qū)設置，分別為建筑LOGO，在用戶有訪問權(quán)限時點擊進入系統(tǒng)；登錄按鈕，點擊后彈出窗口用來注銷當前用戶與登錄新用戶；退出按鈕，用戶點擊后彈出二次菜單選擇是否退出系統(tǒng)。否則將提示當前用戶沒有訪問權(quán)限，無法進入系統(tǒng)。點擊登錄后登錄管理員賬號，進入系統(tǒng)。

2.2 照明插座監(jiān)控畫面設計

右側(cè)最大的部分就是監(jiān)控的主畫面，用來顯示監(jiān)控畫面和功能畫面。進入系統(tǒng)后設計為默認進入照明插座的監(jiān)控畫面，在照明插座的監(jiān)控畫面中主要有照明燈組、應急照明燈組和插座負載。其中普通照明燈組有十盞等組成，其控制方式分手動與自動兩種方式，若選擇自動模式則燈組的開關(guān)由自然光照度控制，如圖5系統(tǒng)設置為當光照度大于200LX自動關(guān)閉，小于200LX時自動關(guān)閉燈組。若選擇手動控制，如圖6燈組的亮滅由右側(cè)的數(shù)字量開關(guān)進行直接控制。

應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)，紅色為停止狀態(tài)。若此時消防聯(lián)動動作，如圖8消防聯(lián)動觸點動作，應急照明為強制工作狀態(tài)，無論開關(guān)處于閉合和斷開位置，如圖中的第二盞應急燈在正常狀態(tài)下為關(guān)閉，消防聯(lián)動為開啟[3]。并且消防語音報警啟動，通知人員撤離。

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

插座是每個寫字樓不可缺少的用電裝置，對于不同類型和功率的用電設備可分為三種類型：單項小負載、單項中等接地負載、三相負載。系統(tǒng)中單項負載用純電阻代替，三相負載有三相電機代替。如圖9所示。

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

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

2.3 空調(diào)用電監(jiān)控畫面設計

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)風機盤管機組，其用電具體可分為風機用電、制冷機組、制熱機組用電[3]。其空調(diào)的控制方式分為自動、手動兩種，若采取自動方式，空調(diào)的開關(guān)由溫度自動控制，當溫度低于16攝氏度或高于26攝氏度時空調(diào)自動開啟，并且通過室內(nèi)溫控器的判斷自動開啟關(guān)閉制冷熱機組，其風機風速控制由右側(cè)的旋鈕手動控制。如圖10所示。

3 系統(tǒng)功能畫面設計與說明

3.1 實時報警畫面設計

當系統(tǒng)有報警產(chǎn)生時，實時報警窗會對此進行分析處理，把具體信息提示給用戶，做出相應的處理。

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

3.2 歷史查詢畫面設計

系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫包含歷史報警、操作員的歷史操作記錄、系統(tǒng)運行歷史記錄。通過iFIX的ODBC報警驅(qū)動向第三方關(guān)系數(shù)據(jù)庫寫數(shù)據(jù)，保存至計算機的硬盤，供歷史畫面查詢調(diào)出，為日后的故障排查與系統(tǒng)維護提供依據(jù)。查詢畫面如圖13所示。

3.3 報表畫面的設計

報表是企業(yè)管理的基本措施和途徑，是企業(yè)的基本業(yè)務要求，也是大部分客戶所要求的。報表可以幫助企業(yè)訪問、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)運營狀況，是企業(yè)發(fā)展的強大驅(qū)動力。在本系統(tǒng)中報表分為日報與月報，主要是用來統(tǒng)計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

由于本系統(tǒng)開發(fā)并沒有真實的控制器與現(xiàn)場設備，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集并沒有連接到真實控制器的I/O地址中。本系統(tǒng)采用iFIX自身的仿真驅(qū)動SIM-Simulation Driver，通過對SIM驅(qū)動I/O地址寄存器的配置，編輯不同類型的標簽名。如圖15為SIM驅(qū)動的添加。

4.2 系統(tǒng)的調(diào)試

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

設計程序?qū)懲旰?，點擊運行后可能會出現(xiàn)提示出錯，點擊調(diào)試，仔細檢查代碼是否是數(shù)據(jù)類型定義錯誤或未定義、標簽名使用錯誤等。如圖16、圖17為系統(tǒng)開發(fā)中遇到的部分錯誤。

目前系統(tǒng)已經(jīng)能夠很好的運轉(zhuǎn)，但還是存在一些問題。iFIX軟件過于龐大，對硬件系統(tǒng)要求過高，希望iFIX平臺能夠不斷的完善。

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PLC進行實時控制，對冗余數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)的分析處理，數(shù)據(jù)傳輸超時處理等功能都需要進一步的編寫代碼，而且該通信程序以進程形式運行。下一步的目標就是開發(fā)出線程級的通訊程序，以進一步增強通訊速度和安全性。

5 總結(jié)

以GE iFIX作為平臺開發(fā)電能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對寫字樓的電能的監(jiān)控與管理。首先分析當今能源問題的嚴峻形勢與國內(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強大的易擴展性、分布結(jié)構(gòu)、服務器的特性，針對寫字樓中的不同類型的用電進行了對應的開發(fā)與說明。系統(tǒng)實現(xiàn)了樓宇用電設備狀態(tài)監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集，并擁有實時報警、歷史數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線、報表等強大功能，在樓宇能耗細則上為客戶提供了更直觀的依據(jù)。

參考文獻：

[1]王華忠.監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]錢立湘.極易組態(tài)軟件專業(yè)培訓網(wǎng)[M].二版.2009.

[3]李界家.樓宇設備控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2011.

[4]李洪.智能大廈控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]魏立明.智能建筑電氣技術(shù)與設計[M].北京：化學工業(yè)出版社.