工業(yè)儀表與自動化裝置在建筑智能化中的使用*

呂 明，王 琦，張昌杰，李 琪，劉增帥，劉禎玥，苗 苗

（山西大學(xué)自動化系，山西 太原 030006）

隨著科技的發(fā)展，工業(yè)儀表與自動化裝置等設(shè)備得到了不斷地加強(qiáng)與完善，在各種設(shè)置的配合下可以更好地去適應(yīng)各種不同的環(huán)境，通過工業(yè)儀表的測量及數(shù)據(jù)采集，并配合自動化裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及輸出，實(shí)現(xiàn)自動控制?，F(xiàn)在的各行各業(yè)都在發(fā)展并運(yùn)用自動控制，使工作過程智能化，建筑智能化也在其行列，不僅能達(dá)到智能化，更能為節(jié)約能源做出貢獻(xiàn)。因此，工業(yè)儀表與自動化裝置的深入研究愈加重要[1]。

1 工業(yè)儀表的發(fā)展

早在20 世紀(jì)30 年代就出現(xiàn)了工業(yè)儀表，最初只用于化工、石油煉制、熱能動力和冶金等連續(xù)性的熱力生產(chǎn)過程，因此稱為熱工儀表。機(jī)械式和液動式是當(dāng)時工業(yè)儀表的主要結(jié)構(gòu)形式，因儀表體積較大，只能實(shí)現(xiàn)就地檢測、記錄和簡單的控制。

到了20 世紀(jì)30 年代末40 年代初，氣動儀表出現(xiàn)，并使用了統(tǒng)一的壓力信號，隨之出現(xiàn)帶遠(yuǎn)程發(fā)送器的儀器，該儀器可在遠(yuǎn)距離外的二次儀表上重現(xiàn)讀數(shù)，從而能集中在中心控制室進(jìn)行檢測、記錄和控制。20 世紀(jì)50 年代又出現(xiàn)電動式的動圈式毫伏計(jì)、電子電位差計(jì)電氣機(jī)械式調(diào)節(jié)器和整套的電子管調(diào)節(jié)儀表。20 世紀(jì)80 年代工業(yè)儀表的發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)的自動化，并已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的自動化工具。計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等的發(fā)展與日俱進(jìn)，對自動化儀表的革新產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，已成為工業(yè)自動化儀器儀表發(fā)展的新的推動力，工業(yè)自動化儀表不僅能夠更高速、更靈敏、更可靠、更簡捷地獲取對象的全方位信息，而且完全突破了傳統(tǒng)的光、機(jī)、電的框架，朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、總線化、開放性的方向發(fā)展。

2 工業(yè)儀表的種類

工業(yè)儀表的種類很多，按被測量生產(chǎn)過程的參數(shù)區(qū)分有溫度測量儀表、壓力測量儀表、流量測量儀表、物位測量儀表、機(jī)械量測量儀表、流程分析儀器等；按其在工業(yè)生產(chǎn)過程的功能可分為檢測儀表、顯示儀表、調(diào)節(jié)儀表等。下面以建筑智能化系統(tǒng)常用的溫濕度儀表為例進(jìn)行介紹。

2.1 濕度變送器

面對環(huán)境資源的緊缺，節(jié)能是建筑智能化的主要任務(wù)之一。可以通過對濕度數(shù)據(jù)的采集，使得空調(diào)系統(tǒng)做出對應(yīng)的輸出，從而達(dá)到節(jié)能的效果。RH－XU－D－T 系列風(fēng)道濕度變送器通過－HIH－5031－濕度敏感元件測量濕度，然后經(jīng)過變送轉(zhuǎn)換為0～10 V 或4～20 mA 信號輸出。這個變送器本身具有濾除噪聲的功能，同時具有寬的電源供電DC 18 V～DC 30 V 功能。這個濕度敏感元件能檢測5%～95%的濕度范圍，線性信號輸出。通過濕度變送器和室內(nèi)智能空調(diào)系統(tǒng)的控制模塊以及其他必要環(huán)節(jié)的配合，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這一功能。

2.2 溫度傳感器

建筑智能化不僅要達(dá)到節(jié)能目標(biāo)，還要讓用戶在環(huán)境中感受到舒適。TS－XX－B－系列室內(nèi)溫度傳感器通過熱敏電阻－NTC、鉑電阻－PT－和鎳電阻等敏感元件來檢測溫度。敏感元件包括玻璃封裝的熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)的溫度敏感元件，鉑電阻是－3851－規(guī)格的敏感元件和陶瓷封裝的鎳電阻傳感器。通過溫度傳感器，對溫度進(jìn)行測量，并通過無線網(wǎng)關(guān)傳入集控室，通過分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行合理輸出，而這些過程都是通過對自動化裝置進(jìn)行編程達(dá)到自動控制的目的[2]。

3 自動化裝置的控制功能

3.1 可編輯功能

對設(shè)備的不同輸出進(jìn)行不同功能的控制，通過編程，結(jié)合CPU、網(wǎng)關(guān)等將輸出結(jié)果進(jìn)行編程并下載，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)設(shè)備的自動控制，解放勞動力。

3.2 處理數(shù)據(jù)與輸出控制的功能

工業(yè)儀表對各個指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行采集，傳輸給CPU 等控制器，控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后根據(jù)處理結(jié)果輸出報(bào)警、啟停、過程調(diào)節(jié)等功能。

3.3 數(shù)據(jù)記憶功能

對現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)進(jìn)行記錄與分析，合理規(guī)劃并完善編程模塊，就可以對能源進(jìn)行更合理的利用。對監(jiān)控組態(tài)軟件進(jìn)行組態(tài)，將工業(yè)儀表采集的數(shù)據(jù)按照設(shè)計(jì)好的組態(tài)畫面進(jìn)行記錄[3]。

4 工業(yè)儀表與自動化裝置在智能建筑中的應(yīng)用

北京和欣運(yùn)達(dá)有限公司 （以下簡稱和欣公司）專門生產(chǎn)樓宇自控設(shè)備，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于高端商務(wù)大廈、酒店住宅的樓宇智能控制系統(tǒng)?？删幊痰闹醒肟照{(diào)智能監(jiān)控系統(tǒng)在為用戶提供舒適的溫濕度環(huán)境的同時，發(fā)揮了顯著的節(jié)能作用[4]。

空調(diào)系統(tǒng)由現(xiàn)場執(zhí)行器，參數(shù)測量變送器，現(xiàn)場直接數(shù)字控制器，人機(jī)交互界面WEMATIC HMI，網(wǎng)關(guān) BR－50，BR－10，WEBTALK 等設(shè)備構(gòu)成。在上述設(shè)備基礎(chǔ)上，結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)除傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)具有的功能外，還更加節(jié)約能源、更加智能[5-6]。

現(xiàn)場多個控制器配合網(wǎng)關(guān)BR－50，BR－10 通過BACnet 總線接口手拉手連接起來，構(gòu)成現(xiàn)場BACnet 總線通信網(wǎng)絡(luò)，圖1 為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。無線網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，在此系統(tǒng)上將BACnet 總線協(xié)議轉(zhuǎn)換為TCP/IP 協(xié)議，經(jīng)由網(wǎng)線連接到WEBTALK，通過數(shù)據(jù)傳輸使得WEBTALK 可以讀取到現(xiàn)場控制器的寄存器數(shù)值，從而獲得現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、重要的環(huán)境參數(shù)，通過對WEBTALK和HMI 畫面操作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和就地對現(xiàn)場DDC 設(shè)備的命令寫入操作。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

利用和欣公司開發(fā)的編程軟件 （Vistools）進(jìn)行編程，控制執(zhí)行對象的動作。工作時間與非工作時間的人流量不同，所以空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)也不應(yīng)完全相同[7]。剛開始降溫時，為了快速達(dá)到設(shè)定溫度，以最大功率運(yùn)行；當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定溫度時，空調(diào)自動轉(zhuǎn)換為低功率運(yùn)行，以保持現(xiàn)有溫度。這樣既避免空調(diào)反復(fù)啟停造成的環(huán)境參數(shù)波動，也可達(dá)到節(jié)能的目的。根據(jù)上述控制思路進(jìn)行編程，使得空調(diào)啟停，功率大小可以根據(jù)實(shí)時的空間狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行，其控制流程見第70 頁圖2。

圖2 空調(diào)工作狀態(tài)流程圖

利用WEBTALK 對實(shí)時檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行畫面組態(tài)，溫濕度變送器通過采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，控制器通過畫面顯示實(shí)時數(shù)據(jù)，方便工作人員了解現(xiàn)場環(huán)境、對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集保留。實(shí)驗(yàn)中主要利用溫濕度傳感器對空調(diào)的風(fēng)道口、室內(nèi)環(huán)境等的溫濕度進(jìn)行測量，利用不同溫濕度對空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。這樣便可以達(dá)到節(jié)能的目的，以免浪費(fèi)不必要的電力資源。另外，還有無線人感檢測報(bào)表，可從報(bào)表中對人流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過人流量控制空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，高峰期之前空調(diào)提前運(yùn)行，降低溫度，達(dá)到節(jié)約成本。

通過程序安裝，以及設(shè)置無線傳感器地址，可以將數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送到上位機(jī)。利用WEBTALK 程序建點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)接收。進(jìn)行組態(tài)畫面建立，利用所建點(diǎn)可以進(jìn)行數(shù)字、文本、圖表等顯示實(shí)時數(shù)據(jù) （通過網(wǎng)頁鏈接的方式可以在畫面中顯示圖表）；也可以進(jìn)行報(bào)警組態(tài)，因?yàn)榭梢酝ㄟ^無線網(wǎng)快速采集數(shù)據(jù)，以便更大可能地減少問題的出現(xiàn)和更快速地解決問題。利用WEBTALK 軟件，管理者可以通過組態(tài)畫面，監(jiān)控相應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)時動態(tài)、所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，不僅現(xiàn)場可以檢測，控制室也可以檢測，尤其酒店建筑，這一方面更為重要，后臺工作人員可以及時收到客人的下單情況。

樓宇建筑的中央空調(diào)耗能很大，本系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行，也可以基于實(shí)時反饋的運(yùn)行數(shù)據(jù)對空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳的溫度控制。系統(tǒng)可以對監(jiān)控參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行打印 （見圖3），為控制工程師提供優(yōu)化控制的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，從而進(jìn)行更合理、更節(jié)能的編程，達(dá)到節(jié)約能源的效果[8]。大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理更為重要，在這方面，應(yīng)該有更深入的研究。

圖3 WEBTALK 數(shù)據(jù)表打印畫面

5 結(jié)束語

工業(yè)儀表和自動化裝置的進(jìn)一步發(fā)展和智能建筑的興起，使空調(diào)控制技術(shù)、新風(fēng)換等技術(shù)越來越先進(jìn)，和欣公司系統(tǒng)也做得非常完善，不僅可以實(shí)現(xiàn)空調(diào)的自動運(yùn)行，類似的功能同樣適用于消防、電梯、照明、門禁等系統(tǒng)，為建筑智能化提供軟硬件條件?，F(xiàn)代化自控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使樓宇控制系統(tǒng)的自控技術(shù)進(jìn)入智能化控制的全新時代。對于行業(yè)設(shè)計(jì)人員來說，是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。未來的發(fā)展與自動化密不可分，科技進(jìn)步推動工業(yè)儀表與自動化裝置的發(fā)展，這些設(shè)備的發(fā)展促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，一切都相輔相成。