基于Niagara的建筑智能化系統(tǒng)集成及能源管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

任靜 趙婉婉

摘? 要：我國(guó)人均能源占有量較低，而建筑能耗占社會(huì)能源消耗比重最高，使我國(guó)長(zhǎng)期面臨能源供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)的巨大壓力，對(duì)完成節(jié)能減排目標(biāo)造成了重大沖擊。本系統(tǒng)利用Niagara技術(shù)，搭建了基于Niagara的建筑智能化系統(tǒng)集成及能源管理平臺(tái)。該平臺(tái)以JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器作為核心控制器，將建筑物中原有的采用多種協(xié)議的系統(tǒng)混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的交換共享及多系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)，建立能耗計(jì)量數(shù)據(jù)與用能設(shè)備工作狀態(tài)的有效聯(lián)系，為提前發(fā)現(xiàn)用能設(shè)備異常提供數(shù)據(jù)參考，也為能耗分析、節(jié)能方案制定提供參考，進(jìn)一步提高節(jié)能方案的有效性。

關(guān)鍵詞：Niagara? ?JACE? 系統(tǒng)集成? 能耗監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）02（c）-0085-05

Design of Intelligent Building System Integration and Energy Management Platform Based on Niagara

REN Jing*? ZHAO Wanwan

（Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou， Henan Province，450000 China）

Abstract： The per capita energy consumption of China is low，but the proportion of building energy consumption in social energy consumption is the highest，so China has long faced enormous pressure on energy supply and environmental protection，it has a major impact on the achievement of energy conservation and emission reduction targets. This system uses Niagara technology to build an intelligent building system integration and energy management platform based on Niagara. This platform takes JACE 8000 network controller as the core controller， combines the systems with various protocols originally in the building， to realize the exchange and sharing of data of various systems and the linkage control of multiple systems. At the same time， the effective connection between energy consumption measurement data and the working state of energy-using equipment is established to provide reference data for the detection of anomalies of energy-using equipment in advance， as well as provide reference for the analysis of energy consumption and the formulation of energy saving plans， so as to further improve the effectiveness of energy saving plans.

Key Words： Niagara; JACE; System integration; Energy consumption monitoring

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)能源的需求量越來(lái)越大。我國(guó)能源資源總量居世界第三位，但因人口眾多，人均能源占有量?jī)H為世界平均水平的40%。在我國(guó)社會(huì)能源消耗中，建筑能耗占比為30%左右，已成為耗能最多的行業(yè)，且隨著城市化進(jìn)程的加快和人們生活質(zhì)量的改善，該占比呈逐年上升的趨勢(shì)，對(duì)我國(guó)完成節(jié)能減排目標(biāo)造成了重大的沖擊。住建部在2017年印發(fā)的《建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中提出，要加快提升建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，提高新建建筑中綠色建筑推廣比例，推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造，使建筑總體能耗持續(xù)下降[1]。

推動(dòng)建筑節(jié)能的有效方式之一，就是建立能源管理平臺(tái)，通過(guò)采集大量的能耗數(shù)據(jù)，對(duì)不同種類(lèi)的能耗、不同時(shí)間段的能耗及相同類(lèi)型的不同建筑的能耗進(jìn)行橫向或縱向的對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的量化管理[2]，分析出能耗過(guò)高的原因，有針對(duì)性地進(jìn)行能耗管理與改進(jìn)。該項(xiàng)目基于Niagara Framework技術(shù)，將建筑物設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、能耗計(jì)量系統(tǒng)、能耗分析系統(tǒng)及集成管理系統(tǒng)混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多協(xié)議、多系統(tǒng)的互連互通，實(shí)現(xiàn)建筑的能耗的監(jiān)測(cè)與分析，制定節(jié)能優(yōu)化方案，將建筑物能耗降低30%左右。

1? 技術(shù)概述

Niagara Framework是由Tridium公司研發(fā)的一種開(kāi)放的分布式架構(gòu)框架，該平臺(tái)能夠連接任何協(xié)議、設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，有效解決異構(gòu)系統(tǒng)集成的復(fù)雜性、應(yīng)用擴(kuò)展及運(yùn)維的高成本等問(wèn)題，滿(mǎn)足系統(tǒng)需求的多變性，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的互聯(lián)、互通及互操作性，使建筑設(shè)施達(dá)到真正的智能化。

JACE（Java Application Control Engine）是一個(gè)采用Niagara框架、基于JAVA的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器及服務(wù)器，該控制器帶有板載串口及IP網(wǎng)口，可以實(shí)現(xiàn)Modbus及IP設(shè)備的接入，通過(guò)擴(kuò)展插槽，可實(shí)現(xiàn)對(duì)LonWorks、GPRS、Zigbee、Bacnet等各種通信協(xié)議的支持，便于多種異構(gòu)系統(tǒng)的集成[3]。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 能耗監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)采用多回路智能計(jì)量表及JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器構(gòu)建能耗監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，對(duì)各回路能耗進(jìn)行計(jì)量及顯示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。計(jì)量數(shù)據(jù)具體到各系統(tǒng)的各個(gè)區(qū)域及位置，智能計(jì)量表采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)JACE 8000傳輸至管理層，作為能耗分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其主要結(jié)構(gòu)由以下部分組成：

（1）感知層：該層主要是安裝在終端用能區(qū)域的計(jì)量設(shè)備，包括智能電表、智能水表、智能冷熱量表等，對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行能量計(jì)量，計(jì)量數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus總線(xiàn)傳輸至控制層[4]。

智能電表采用ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表，該儀表能夠測(cè)量三相電流、三相電壓、有功功率、無(wú)功功率、電度、協(xié)波等常用電力參數(shù)，所有儀表參數(shù)可通過(guò)顯示面板設(shè)定，同時(shí)還具備完善的網(wǎng)絡(luò)通訊能力。儀表具有1路RS-485通訊接口，通過(guò)Modbus協(xié)議與JACE 8000進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及多種應(yīng)用需求。智能水表及智能冷熱量表也均采用具有RS-485通訊接口的設(shè)備，通過(guò)Modbus協(xié)議與JACE8000進(jìn)行通訊。

（2）控制層：控制層主要設(shè)備為一臺(tái)擴(kuò)展了3個(gè)Modbus總線(xiàn)端口的JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器。其中COM1、COM2、COM3分別用于連接現(xiàn)場(chǎng)的智能電表回路、智能水表回路及智能冷熱量表回路，智能計(jì)量表作為Modbus Async Device添加至相應(yīng)串口的目錄下，并對(duì)每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)、單位等參數(shù)及Modbus寄存器地址等信息進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器的通信。這些設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Modbus總線(xiàn)傳輸至JACE 8000控制器，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，再通過(guò)JACE上的PRI端口，以TCP/IP協(xié)議傳輸至上位機(jī)的能源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理平臺(tái)，用于進(jìn)一步的能耗呈現(xiàn)、分析等功能。

2.2 系統(tǒng)集成

在一幢智能建筑中，往往存在著智能照明、暖通空調(diào)、視頻監(jiān)控、建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種系統(tǒng)，各種系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝的時(shí)間不同，采用的技術(shù)也不相同，因此，在傳統(tǒng)的智能建筑中，各個(gè)系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立，單獨(dú)工作，相互之間沒(méi)有聯(lián)系，也沒(méi)有數(shù)據(jù)的交互及統(tǒng)一的管理。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備的工作狀態(tài)不同，其能源消耗也有所不同，而隨著設(shè)備損耗的增加，其單位工作時(shí)間內(nèi)的能耗也會(huì)隨之增加，因此，設(shè)備的狀態(tài)與能耗是息息相關(guān)的。如果只是單純地對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行能耗計(jì)量，能耗監(jiān)測(cè)就不可避免地會(huì)淪為一個(gè)抄表系統(tǒng)或收取水電費(fèi)的工具。因此，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成與數(shù)據(jù)交互，使設(shè)備能耗與設(shè)備狀態(tài)建立聯(lián)系，提高能耗分析方案的有效性。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

該項(xiàng)目采用基于Niagara的JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)各系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種信號(hào)的采集，并結(jié)合節(jié)能方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“分散控制，集中管理”。系統(tǒng)由監(jiān)控層及管理層組成，在監(jiān)控層，利用JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器連接各系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，在管理層，利用JACE內(nèi)置的組態(tài)軟件，創(chuàng)建上位機(jī)集成管理軟件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及交互[5]。系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

（1）JACE 8000與智能照明系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的智能照明系統(tǒng)采用基于LonWorks總線(xiàn)的DDC開(kāi)發(fā)的。該系統(tǒng)通過(guò)LonWorks總線(xiàn)，將DDC連接到JACE上支持LonWorks協(xié)議的模塊接口上，實(shí)現(xiàn)智能照明系統(tǒng)系統(tǒng)集成平臺(tái)的硬件連接。然后，在JACE的Station中添加Lon Network的驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)搜索在線(xiàn)設(shè)備，將DDC添加至數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過(guò)自動(dòng)搜索該設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)變量，將需要監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)變量添加至數(shù)據(jù)庫(kù)，將DDC中的網(wǎng)絡(luò)變量轉(zhuǎn)化成JACE中的Niagara點(diǎn)，并進(jìn)行地址綁定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DDC設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)與控制。

智能照明系統(tǒng)中所需監(jiān)測(cè)的點(diǎn)有各種燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、可調(diào)光燈具的光照度、各種燈具的故障狀態(tài)、各種探測(cè)器的信號(hào)狀態(tài)等。需要控制的點(diǎn)有各種燈具的開(kāi)關(guān)、可調(diào)光燈具的照度值等。

（2）JACE 8000與暖通空調(diào)系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的暖通空調(diào)系統(tǒng)同樣是采用基于LonWorks總線(xiàn)的DDC開(kāi)發(fā)的，因此該系統(tǒng)的集成方法與智能照明系統(tǒng)類(lèi)似。需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)有空調(diào)系統(tǒng)與送排風(fēng)系統(tǒng)的送、回風(fēng)量;送、回風(fēng)溫濕度;送、回風(fēng)機(jī)啟停狀態(tài)及手/自動(dòng)狀態(tài);冷熱水盤(pán)管進(jìn)出水溫度;冷水閥、熱水閥、送風(fēng)閥、回風(fēng)閥、新風(fēng)閥、排風(fēng)閥等設(shè)備的開(kāi)度;各設(shè)備故障狀態(tài)等。需要控制的點(diǎn)有送、回風(fēng)量;新風(fēng)量;送風(fēng)溫濕度、送、回風(fēng)機(jī)啟停及各種設(shè)置參數(shù)等。

（3）JACE 8000與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的集成。

Tridium公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)開(kāi)放的視頻框架Niagara Video，用于統(tǒng)一的、智能能、多設(shè)備的視頻管理。Niagara Video能夠集成數(shù)字硬盤(pán)錄像機(jī)、IP攝像機(jī)、網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)等設(shè)備，使這些設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行通信。用戶(hù)可以從控制臺(tái)查看、錄制視頻，也可利用照片ID查看器將存檔的照片與實(shí)時(shí)視頻進(jìn)行比較，提供可視化驗(yàn)證[6]。

該建筑物原有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用了IP攝像機(jī)及網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)。將網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)與JACE 8000控制器連接，通過(guò)在Station的Driver下建立視頻驅(qū)動(dòng)，輸入IP攝像機(jī)的IP地址將其添加進(jìn)來(lái)，再利用Live Video控件顯示在窗口中，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的傳輸。

（4）JACE 8000與建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成。

該建筑物原有的建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采用CAN總線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，在對(duì)該系統(tǒng)集成時(shí)，需要使用CAN轉(zhuǎn)Modbus網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)CAN與Modbus TCP數(shù)據(jù)綁定及IP配置，網(wǎng)關(guān)配置完成后，通過(guò)在Station中添加Modbus TCP Network驅(qū)動(dòng)，在應(yīng)用端進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)配置及網(wǎng)關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。需要監(jiān)測(cè)的點(diǎn)有環(huán)境溫濕度、CO2濃度、PM2.5濃度、小微粒濃度、空氣質(zhì)量、天然氣濃度等。

（5）Jace 8000網(wǎng)絡(luò)控制器的集成。

在整個(gè)系統(tǒng)中，使用了多臺(tái)JACE 8000網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)集成建筑物中的各個(gè)子系統(tǒng)，為了將各個(gè)JACE 8000所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理，需要將一個(gè)本地工作站和多臺(tái)JACE 8000設(shè)備工作站建立通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)多臺(tái)JACE 8000所應(yīng)用的設(shè)備工作站的控制管理。

為了實(shí)現(xiàn)一臺(tái)本地工作站和多臺(tái)設(shè)備工作站的通訊，需要分別對(duì)各個(gè)JACE工作站的Niagara Network進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)雙擊Niagara Network中的Discovery按鍵查找JACE工作站，如果未查找到，需要新建相應(yīng)的工作站，并對(duì)工作站的名字和IP地址進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置完成后執(zhí)行Ping命令，便可實(shí)現(xiàn)JACE 8000之間通訊。

3? 平臺(tái)界面設(shè)計(jì)及系統(tǒng)功能

3.1 平臺(tái)界面設(shè)計(jì)

在JACE上位機(jī)軟件平臺(tái)中，可以創(chuàng)建PX頁(yè)面，通過(guò)背景頁(yè)面設(shè)置、文本框編輯、按鈕編輯、I/O數(shù)據(jù)綁定等操作，進(jìn)行系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)組態(tài)，對(duì)平臺(tái)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各個(gè)子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀況直觀(guān)地顯示出來(lái)，還可通過(guò)Web Service命令，將平臺(tái)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中去，使局域網(wǎng)中的設(shè)備可以通過(guò)工作站的IP地址，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。

平臺(tái)界面主要包括首頁(yè)、智能照明系統(tǒng)頁(yè)面、暖通空調(diào)系統(tǒng)頁(yè)面、視頻監(jiān)控系統(tǒng)頁(yè)面、建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頁(yè)面和能耗監(jiān)控系統(tǒng)頁(yè)面。各頁(yè)面不僅實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與控制，不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)還可以通過(guò)模塊化編程，進(jìn)行數(shù)據(jù)的邏輯處理和分析，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)控制。

3.2 系統(tǒng)功能

（1）建筑設(shè)備監(jiān)控及能耗監(jiān)測(cè)。

通過(guò)對(duì)建筑物中各子系統(tǒng)集成，以及建立建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑各系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)控與呈現(xiàn)，并將這些數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，后續(xù)可通過(guò)歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)分析工作。

（2）建筑能耗數(shù)據(jù)分析。

實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑照明、空調(diào)等系統(tǒng)設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)、分項(xiàng)計(jì)量的同時(shí)，將能耗數(shù)據(jù)與用能對(duì)象及區(qū)域相互匹配。通過(guò)能耗曲線(xiàn)，及早發(fā)現(xiàn)用能異常的設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行及時(shí)干預(yù)，防止造成更大的損失。在進(jìn)行用能分析時(shí)，結(jié)合用能對(duì)象的實(shí)際工作狀態(tài)，提升能耗分析的有效性。

（3）各子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。

通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)管理協(xié)同化、數(shù)據(jù)共享化，能夠在一個(gè)平臺(tái)中對(duì)不同系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，可以根據(jù)用戶(hù)的需求進(jìn)行單系統(tǒng)及跨系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)控制設(shè)定，進(jìn)一步提高建筑物的智能化水平。

（4）報(bào)警處理預(yù)案。

通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及能耗數(shù)據(jù)的規(guī)律性研究，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，找出用能異常點(diǎn)，制定報(bào)警預(yù)案處理機(jī)制，監(jiān)控到異常情況時(shí)，確保能耗管理系統(tǒng)根據(jù)預(yù)案自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能管理。

4? 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)在建立建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明、空調(diào)、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)、分項(xiàng)計(jì)量的同時(shí)，利用Niagara Framework平臺(tái)，將建筑物中采用不同協(xié)議的智能照明系統(tǒng)、暖通空調(diào)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及建筑環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)管理協(xié)同化、數(shù)據(jù)共享化。在進(jìn)行能耗分析時(shí)，將能耗數(shù)據(jù)與用能對(duì)象的工作狀態(tài)、區(qū)域相匹配，制定節(jié)能優(yōu)化方案，提升能耗分析的有效性，將建筑物能耗降低30%左右。

參考文獻(xiàn)

[1] BEIJIA HUANG， MAUERHOFER V ， GENG Y. Analysis of existing building energy saving policies in Japan and China[J]. Journal of Cleaner Production， 2016（112）：1510-1518.

[2] 王建華.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在建筑節(jié)能管理中的應(yīng)用[J]. 建筑電氣，2017（6）：69-72.

[3] 畢玉萍.基于Niagara物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合管廊數(shù)字化的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2019.

[4] 許維超，朱惠英.大型公建能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與節(jié)能分析[J].建筑節(jié)能，2016，44（9）：92-94，114.

[5] 曹宇.基于Niagara的分布式能源物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué)，2020.

[6] 穆永超，周志華，鄒芳睿，等.基于Niagara平臺(tái)的公共建筑監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J].建筑技術(shù)，2020（1）：52-55.