某军区场站智能控制与能源管理系统运用浅析

文｜ 浙江中控研究院有限公司 陈淑红 叶 莹 陶 霞

1 工程概况

某军区场站建筑群规模大（共35栋楼），建筑分散（占地530余亩），机电设备多且分散，能源使用不集中（部分能耗高，部分能耗低）。其机电设备管理、能源管理工程异常复杂，仅靠人工管理完全不能满足运营高效性和准确性的要求，因此该工程采用了浙江中控OptiSYS PCS-300分布式可编程控制系统来实现场站机电设备集中管理以及能源管理，实现了整个场站运营的快速、准确、高效，极大地提高了场站的运营管理能力。

2 设计思想

由于场站机电设备分布过于分散，机电设备种类繁多（包括冷热源系统、照明系统、给排水系统、绿化灌溉系统、柴油发电机系统、电梯系统、消防系统等），因此在设计时必须考虑使不同的监控设备对应各系统各自的工艺，并充分分析用户的使用需求，以期设计出合理的系统架构及控制原理。

同时，应考虑到能源采集点位分布在场站各区域，并且既涉及电能采集，也涉及自来水量采集，合理划分场站控制区域。

（1）场站机电设备分散，需采用分散控制、集中管理的模式（如图1所示）。

①所有监测区域的CPU模块PAC314-1（以下简称CPU模块）通过工业以太网连接到上位机，以TCP/IP协议传输所有监测的数据并发送控制指令——此为第一层网络。

②所有I/O模块通过CAN现场总线连接到相应的CPU模块，CPU模块通过CANopen协议读取InPut模块所监测的数据，向OutPut模块发送控制指令——此为第二层网络。

（2）场站机电设备种类繁多，需针对各子系统设计合理的控制方式。

（3）使用CPU模块自带的一个RS485口和一个RS232口采集各电表、水表的数据。

3 系统介绍

整个场站共配置15个DDC箱。DDC箱由PCS-300系列CPU控制器和若干I/O扩展模块构成。场站分为五个大区，每个大区分为三个小区。五个大区域通过光纤网络连接到管理中心；每个大区中的小区通过CAN现场总线连接到所属大区的汇集站，CAN现场总线的通信距离最长支持2500m，通信速率从10kbps～1Mbps共六种可选。

3.1 冷热源系统

场站冷热源系统包括两台具有热回收功能的水源热泵机组和一台无热回收功能的水源热泵机组，三台空调水循环泵，六台地埋侧循环泵（电路与空调水循环泵二对一联动），三台热回收循环泵，两台热水循环泵，以及膨胀水箱。如图2所示。

智能控制系统通过RS485/Modbus-RTU接口采集水源热泵机组各项参数，同时通过通信接口控制水源热泵机组启停，进行空调水循环泵、地埋侧循环泵、热回收循环泵、热水循环泵的运行状态、故障状态、手自动状态监测和启停控制，监测分水器各供水管水温和集水器各回水管水温、流量，监测空调侧供回水总管温度和压力，监测热水供回水总管温度，监测膨胀水箱液位。

3.1.1 控制策略

夏季制冷模式下，使用两台具有热回收功能的水源热泵机组，根据冷冻水总管供回水温度和供水流量，计算大楼实际冷负荷，并据此进行机组和水泵运行台数的控制；将冷冻水出水温度控制在7℃左右；将通过热回收制备的热水做生活热水使用，根据生活热水回水温度启停无热回收功能的水源热泵机组，将热水温度控制在45℃～50℃范围内。

冬季制热模式和夏季制冷模式基本相同。

3.1.2 能耗监测

能源计量系统通过RS485/Modbus-RTU接口采集三台水源热泵机组各自消耗电能以及所有水泵消耗电能的数据，利用I/O模块以及温度传感器、流量计采集的信号计算出冷负荷和热负荷——根据这两个值可以计算出制备生活热水消耗的电能、每个空调区域消耗的电能（如图3所示），进而进行能耗分析，为场站实行能耗管理提供有力的依据。

3.2 生活水系统

生活水系统包括两个自然抽水井，一个生活水箱，六台生活水泵，一个市政供水电动蝶阀。如图4所示。

智能控制系统监测生活水泵的运行状态、故障状态、手自动状态，控制其启停；控制变频器动作并监测其反馈；监测自然抽水井的高低液位；监测生活水箱的溢出液位、高低液位；控制电动蝶阀的开关。

3.2.1 控制策略

生活水系统控制的首要目标是保证生活水箱处于高液位状态：当生活水箱的水位低于高液位时，同时启用两个自然抽水井的抽水泵；在自然抽水井的水位处于低液位时，关闭抽水井的抽水泵；当自然抽水井、生活水箱的水位均处于低液位时，开启市政供水电动蝶阀，使用市政供水为整个场站供给生活用水；当自然抽水井水位上升后，关闭市政供水电动蝶阀，开启自然抽水井的抽水泵给整个场站供水。

系统根据对供水总管压力的监测来调节变频器频率，保证供水压力始终处于安全的范围内。

3.2.2 能耗监测

能源计量系统通过RS485/Modbus-RTU接口分别采集生活水泵、抽水井消耗电能的数据，通过RS485/M-Bus分别采集自然抽水井和市政供水的流量数据。根据长期统计的自然抽水井供水流量和市政供水流量，以及自然抽水井供水时间和市政供水时间，可以获知用水高峰期的时间段。如此，用户可以根据用水高峰时间段来分配用水单位合理的分布用水时间，进行错峰用水分配，保证尽量使用自然抽水井的地下水资源，避免过多地使用市政用水。

3.3 照明系统

照明系统包括整个场站的路灯照明及庭院景观照明，分为东、南、西、北四个区域，每个区域各有三路路灯照明和一路庭院景观照明。

智能控制系统监测照明系统的运行状态和手自动状态，控制其启停；监测室外照度。

3.3.1 控制策略

系统采用时间控制与照度控制相结合的控制模式对场站照明系统进行控制。在夏季，预定下午七点开启所有回路灯具，晚上十点关闭各区域的庭院景观照明及两路路灯照明，仅开启一路路灯照明以供巡逻和应急使用，早上五点半关闭照明；同时，根据照度情况，在下午开灯时间未到但照度不满足需求，或早上关灯时间已过但照度不满足需求时，强制开启1～2路路灯照明，以保证场站的正常运营。冬季控制模式与夏季基本相同。

3.3.2 能耗监测

能源计量系统通过RS485/Modbus-RTU接口分别采集四个区域的照明消耗电能的数据；可以根据长期的数据统计对场站的路灯能耗做出全面的分析，为照明运行时间和控制策略的优化调整提供依据。

3.4 绿化灌溉系统

绿化灌溉系统（如图5所示）覆盖整个场站的绿化区域。整个绿化区域分为五个部分，每个部分的绿化灌溉均由电动二通阀进行控制。

智能控制系统监控各部分的绿化灌溉电动二通阀的开启和关闭，同时监测电动二通阀的开启、关闭反馈信号。

3.4.1 控制策略

系统以时间控制方式对绿化灌溉系统进行控制。当水阀开启时，由中央水处理站输送的绿化灌溉水在各绿化区域喷洒；当水阀关闭时，绿化灌溉停止。

管理人员也可根据土壤干涸程度对绿化灌溉系统进行手动控制。

3.4.2 能耗监测

能源计量系统通过RS485/M-Bus监测绿化灌溉消耗水量，根据统计水量分析以及绿化植被的生长趋势进一步调整雨季与旱季的时间设置，优化控制方案。

3.5 发电机系统

发电机系统包括两台柴油发电机。

智能控制系统通过RS485/Modbus-RTU接口对柴油发电机的运行参数、发电参数以及各种报警信号进行采集。

3.5.1 监测策略

系统监测发电机组的三相电流、三相电压、有功功率、运行状态、故障报警等，将其实时显示在中央管理平台上。管理人员可通过平台查看每台发电机组的运行参数。

3.5.2 能耗监测

能源计量系统通过RS485/Modbus-RTU接口分别采集两台发电机组的发电数据。

3.6 排污系统

排污系统包括两个集水坑、四台排污泵。

智能控制系统监测集水坑的溢出液位、高液位及低液位，监测排污泵的运行状态、故障状态、手自动状态，控制其启停。

系统根据集水坑的液位对排污泵的启停进行控制：在集水坑的水位处于高液位时启动累积运行时间短的排污泵；在集水坑的水位处于低液位时关闭排污泵；在集水坑的水位处于溢出液位时，同时启动两台排污泵，保证污水及时排出。

3.7 安防报警系统

场站的安防报警包括营区、围墙、机关办公楼三个区域的安防监控和报警。

智能控制系统可通过中央管理平台实时查看每台监控摄像机的画面，可选择多画面或单画面显示，同时可对摄像机进行伸缩、转向、调焦等控制。

对于围墙周界监控，系统采用实时报警模式。管理人员可在有报警发生时通过中央管理平台及时调用对应的监控画面，及时地对突发事件予以处理。

3.8 电梯系统

电梯系统包括三台电梯。智能控制系统监测每台电梯的上下行状态以及运行楼层，可通过中央管理平台实时查看每台电梯的运行情况，同时可结合安防报警系统及时调用电梯所运行到的楼层的视频监控图像，确保可以及时跟踪了解每台电梯的人员出入情况，保证机关办公大楼的安全。

3.9 消防系统

消防系统包括两台消防主机。智能控制系统监测消防主机的运行状态和故障报警，对各消防线路进行实时监测报警；可通过中央管理平台实时查看每台监控主机与各消防线路的运行情况和报警情况，对消防报警进行及时的提示。管理人员可通过管理平台实时查看消防系统的运行情况，对突发情况进行实时的处理。

4 能源管理分析

能源管理的内容包括电能实时显示、电能报表、水量实时显示、水量报表以及水源热泵系统报表。通过这些能源统计及报表处理，管理人员可以获知任意时间段的能源使用情况，并可据此对整个场站的能耗使用进行有根据的管理，还能通过后续监控跟踪能耗管理调度的成效。

4.1 电能实时显示

管理人员可通过电能实时显示界面实时查看各区域建筑的电能使用情况。

4.2 电能报表

如图6所示，电能报表分为电能时间段报表、电能月报表、电能年报表、电能消耗实时报警、电能分析图，其中电能时间段报表支持选择任意时间段进行电能消耗值查询；电能消耗实时报警可根据管理人员设置的每栋建筑的电能使用限值，在建筑用电量即将达到限值和已经到达限值时发出报警通知，提示管理人员根据报警情况对用电进行管理；电能分析图支持任意选择不同月份的电能消耗值进行对比。

4.3 水量实时显示

管理人员可实时查看地下水和市政供水两个水源的使用情况。

4.4 水量报表

水量报表和电能报表类似，在此不再赘述。

4.5 水源热泵系统报表

如前文对冷热源系统的介绍中所说，能源计量系统可以在对水源热泵系统的能源管理中，计算出空调使用电能、制备生活热水所使用的电能以及各区域空调系统使用的电能。通过这些数据可以得出与电能监测类似的数据分析，管理人员可以根据这些数据分析及时调整空调及水源热泵机组运行策略，降低能源消耗。