基于嵌入式DDC 控制器的通信楼宇自控系统设计

赵攀峰

（中国人民大学 校园建设管理处，北京 100000）

0 引 言

智能楼宇是现代信息技术与智能化技术融合的一种集成系统，可将智能计算机技术、无线通信技术有机结合在一起，并通过自动化设备对信息资源进行有效管理，是建筑业和信息技术共同关注的新领域。但因设计存在缺陷，导致楼宇机电设备多且杂，能源消耗量大。因此，有必要控制通信楼宇系统。

一是将红色文化融入课程设计。我军红色文化内涵丰富、源远流长。比如井冈山精神、长征精神、延安精神、雷锋精神、“两弹一星”精神等，其价值不仅体现在当时当地，更重要的是对社会进步和军队发展能够产生积极影响。课程是院校教育的重要载体，将丰富的红色文化融入课程设计之中，推动红色文化课程化，对于军队院校文化建设及我军红色基因的传承，都具有重要意义。

文献[1]通过雷达料位计调整系统运行速度，利用旋转编码器记录系统行进距离，根据移位距离构建数学模型，提升系统整体的自动化控制。该系统可有效提高系统控制精度，但运行能耗较高。文献[2]基于ARM 嵌入式系统监测整体系统输出精度，通过变频控制优化模型和优先控制策略提高系统控制准确率，但控温效果有待提升。

为此，本文设计了基于嵌入式DDC 控制器的通信楼宇自控系统。将新一代Metasys 系统用于用户管理操作站，提升楼宇信息共享实效，通过SQL 标准数据库管理和存储数据，利用Web 技术网络控制引擎，实现多个网络控制系统数据实时显示，基于嵌入式DDC 控制器进行数据分享和网络监测，完成硬件系统结构设计。根据系统负荷值和干扰值设计节能控制方案，提高能源利用率，使用嵌入式DDC 控制器结合PID 控制方法，提升温控效果，完成通信楼宇自控系统设计。

1 系统总体结构设计

对于通信楼宇自控系统的设计，选择基于Web 技术的江森自控分布式控制系统，该系统采用分布式结构布置用户管理操作站、数据管理服务器、网络控制引擎和嵌入式DDC 控制器[3]。系统上位机主要有网络控制引擎、操作站和打印机等，并采用DDC 控制器进行现场控制。网络引擎的设计使用了TCP/IP 协议，在该协议下传输速率可达到100 Mb/s；各个楼宇间遵守BACnet MS/TP 通信协议，有效提高了资源通信速率，使系统具有38 400 B/s 的通信速度[4]。楼宇间采用了控制和管理两层结构形式，如图1 所示。

当前，学生的座位编排依据主要有身高、成绩、男女搭配、互助共进、个性互补等，但不论是哪种编排依据，都存在一定的弊端，也受到家长与社会的诟病。

图1 系统结构

由图1 可知，该系统使用了100/100 M BASE-T 以太网，通过已有的路由器进行楼宇间物理连接，实现不同楼宇间信息互通与共享。在分布式智能控制系统中，任何一个节点发生故障，都不会对系统正常工作和数据传递产生任何影响[5]；作为控制层的N2 总线，各现场控制器均采用分散式控制原则，并将其分布于受控装置周围。现场员工可以在DDC 的显示屏和控制台上进行操作和监视。如果要添加其他受控装置，则仅需在控制层网络中添加一个控制器即可，而不会对其他控制装置造成影响。江森自控也将.Net 视为一种重要技术，它将在智能建筑IT 系统的应用中起到重大作用。江森自控建筑管理以视窗技术为基础，支持自身IT 架构，使用.Net 技术建立网络服务体系[6-7]。江森自控建筑设备管理系统的主要目的是通过网络无缝整合，并且通过不断检验和测试，从而保证了可以方便而有效地与基于.Net服务系统进行交流。

2 系统硬件结构设计

2.1 用户管理操作站

用户管理操作站可为用户提供先进的视窗界面，不需要在运行场所安装自动化控制软件[8-10]，所有网络控制引擎都可以通过标准因特网浏览器进行访问，以方便用户浏览、管理与分配。基于互联网的新一代Metasys用户接口，提供了一个功能强大的体系结构，使整个楼宇实现智能化畅游和信息共享。用户管理操作站可以为使用者提供先进的视窗界面，系统不需要在运行场所安装自动化控制软件，所有网络控制引擎都可以通过标准因特网浏览器进行访问，以方便用户浏览、管理与分配。使用者界面拥有多个视窗，可让建筑物控制系统各方面都能同时呈现。

在大数据环境不断优化的背景下，档案局应更加注重科学技术在档案管理及保护工作中的应用，要选用有专业素养的人才。只有在专业素养人才的带领下才能建立起专门的档案保护部门，使整个部门的工作人员认清档案管理及保护的工作规划、工作形势和工作步骤。首先，要提高现有档案管理工作人员的专业素养，对工作人员进行培训，在培训过程中要注意到每个工作人员存在的问题，并单独解决每个员工的不足。其次，要招聘新的有专业素养的人才，应能够对以前档案管理存在的问题提出解决意见。

2.2 数据管理服务器

对于不同控制对象，选择合适的常数项系数λ来调整PD 调节时机，能够有效消除升温阶段受到的参数影响，降低过渡阶段的超调。通过公式（7）计算结果获取PID 控制器输出结果，控制升温或降温继电器工作，使系统温度达到通信楼宇自控温度要求。

2.3 网络控制引擎

2.确定命题内容。刚才也提到了，我们平时的口语交际训练都是在具体的交际情境中进行的，所以口语交际的评价也应在具体的交际情境中进行。因此命题的内容一定要有与交际话题相适应的交际情境，这里就不再赘述了。

2.4 嵌入式DDC 控制器

嵌入式DDC 控制器是系统前端器件，主要分布于通信楼宇间各个设备中，如空调房、水泵房、冷冻站等。嵌入式DDC 控制器结构如图2 所示。

图2 嵌入式DDC 控制器结构

由图2 可知，DDC 与江森公司BACnet 总线相连，可以实现对ADS 操作站的操控。DDC 系统以BACnet 数字控制器FEC 为核心，它是控制制冷机机组、空调系统HVAC 工艺、工作分配照明及其他电气设备的理想控制器[13]。FEC 控制器能够通过扩展控制器总线来提升输入和输出数据速率，并可以通过内部发光二极管对这些问题进行监控，在局域网中，控制器可以实现数据的分享，FEC 控制器可以把所有的监控点和控制信息准确地传送到BACnet 或控制台。

3 楼宇自控系统监控方案

3.1 机电设备最佳启停节能控制方案

在通信楼宇内，夜间不需要使用空调的房间应立刻关闭，保证系统达到最佳节能效果。另外，室内温度是一个被控制物体，其惯性很大。为了避免房间里温差大，可以暂时关掉冷气。建筑设备的自动控制系统能对空调启停进行精确计算和控制[14]。空调间歇时间不能过长或过短，若间隔时间过长，就会导致空调在启动瞬间达到温度最高值，该瞬间会给系统带来滞后问题，使温度无法快速降到舒适值；若间隔时间过短，则导致空调压缩机频繁启动影响空调散热。普通的压缩机间隔时间应该大于3 min。充分考虑上述几个方面，在不连续关闭状态下重新启动时，将系统的负荷和干扰看作是一个恒定值，那么从负荷角度可以用以下方式来表达：

图3 中的AB阶段、CD阶段为升温阶段，BC阶段、DE阶段为温度过渡阶段，EF阶段为降温阶段，在这几个阶段中最容易出现超调的阶段就是BC阶段、DE阶段。造成这种现象的主要原因是PID 积分项累计，为了解决该问题，充分考虑过渡阶段抑制系统温度过快增长需求，采用积分分离思想，结合系统切换时机，得到的过渡阶段控制策略为：

开机时间t1约束如下所示：

如果不考虑系统滞后问题，开机时间可表示为：

式中t0为开机初始时间。如果空调启动时间过长，那么室内温度就会大幅度降低，与此同时耗电量也随之增加。

为了节能需充分考虑滞后问题，在确定滞后时间常数前提下，根据式（4）计算结果控制间歇启停。假设在室内达到最低温度前一刻的时间为T1，室内达到最高温度前一刻的时间为T2，则有如下控制方案：

尽管这种改进提高了配电网络的计算速度，但是由于粒子群算法在寻优得到当前最优时，其他粒子快速向其聚集，容易在局部极值中跳不出来出现早熟现象，因此要进一步研究改进算法应用在配网重构中。

在制冷室中装有DDC 和现场监测单元，对制冷供水系统的供水/回水总管压力差值进行测量，并对各旁路阀门的开度进行控制，以维持适当压力差，确保空调系统的正常工作。减少不需要启动和停止容忍时间，以确保舒适环境，从而达到节能效果；同时，在预冷和预热过程中关掉新风阀门，既可以降低装置容积，又可以减少由于获得新鲜空气而造成的制冷和供热消耗。

3.2 等效温度和区域控制方案

由于人体对温度十分敏感，但对湿度反应速度较慢，人体在相对湿度为35%～65%的情况下是比较缓慢的；但是，如果相对湿度大于65%或者35%，则会引起身体对水分强烈反应，在这种情况下，室内空气相对湿度会起到主要作用。在整个控制过程中，以舒适为指标，而不是单纯地以温度为控制指标。使用嵌入式DDC 控制器能够实时监控回风温度，结合PID 控制方法控制温度值，然后将数据输入到电动阀门中进行调节。将水阀与风扇连锁，若无风扇，则可自行关闭。在以嵌入式DDC 控制器为核心的控制系统中，使用PID 算法实现等效温度和区域控制，公式为：

由图4 可知，在该报告界面下，使用N-CRT 接口描述性消息描述节能事件和温度控制事件，该消息总长度为150 个字节，事件消息格式如图5 所示。

式中：sp表示PID 控制器的调节参数；e(s)、e(s-1 )分别表示第s次、s-1 次采样偏差；TD表示控制器微分时间常数。依据式（6）计算结果，得到如图3 所示的温度变化曲线。

图3 温度变化曲线

式中：q1表示实际运行负荷；q2表示启动过程中浪费的负荷；C表示房间热容量；t1表示空调启动时间；t2表示停机时间。对于开机时间t1，计算公式为：

整个楼宇的设备控制都是通过局域网进行数据服务管理的[11-12]，而NAE 需要对全部数据进行有效管理。系统中的ADS 服务器负责将楼宇信息通过SQL 标准数据库进行整理和存储。设定数据管理服务器中的时间表，计划功能让用户可以自定装置运作日期与时间，如装置开始与停止，并改变设定值。Metasys 用户接口能够为用户每周日程安排提供界面，根据时间表设定的时间指令可以时刻启动楼宇内所有装置。

本文设计一种基于Web 技术网络控制的引擎，该引擎具有视窗操作系统和建筑自动控制系统，用于对嵌入式DDC 控制器进行实时监测，并通过Metasys 用户接口进行导航。将网络引擎放置在无线网络中，能够为数据管理服务提供数据支持。该引擎使用了非易失性固态快闪存储器中的全部程序进行数据存储，并对非易失性固态快闪存储器进行保护[9]。关掉电源后，把它保存到闪存里，该供电装置装有LED，主要用于实时计时，电源上装有LED，当发生故障时，可以及时报警并替换。利用多个网络控制系统实现了对多个网络控制系统数据实时显示，方便实现对整个系统数据进行浏览。

4 系统测试

为了验证设计的基于嵌入式DDC 控制器的通信楼宇自控系统的有效性，进行了如下系统测试。

4.1 警报报告

在通信楼宇自控系统安全检测过程中，会存在一份警报报告，该报告的警报、离线、禁用点均在导航中显示。当报表执行完毕后，可以对已完成报表进行实时更新，确定报告运行最新位置。警报报告单如图4 所示。

而对于非法政治参与，则是对于一些社会中的不法分子而言，他们采取的政治参与形式，对于社会以及人民造成了一定的伤害以及利益损失，严重威胁到了社会的稳定，对于社会的发展和国家的发展都有着严重的影响。

近年来，虽然许多高校图书馆都会藉由“世界读书日”开展阅读推广活动，但多是各高校图书馆自行举办，没有成立一个长期、稳定的机构进行活动规划和统筹，其活动效果有限。并且往往都是图书馆在校内开展阅读推广工作，其他部门并不参与，使得活动效率低、影响范围有限。

图4 警报报告单

虽然形符能够划分众多汉字的义项，但是存在一些构字能力差、笔画繁琐的形符。如，“邑”这一形符指的是城市、都城，通用汉字中仅有“邕、邫、郌、郒、郶、郺、鄨”，且都是笔画繁多、记忆难度大的汉字。这种构字能力差，出现概率小的汉字，不适宜对留学生进行教学。本文认为，对外汉语教师应该选取一些构字能力强，出现频率高的形符进行教学。下面就举例说明：

从图4可以看出，矿化床对于渗沥液中的COD去除具有很好的效果，能达到90%以上的去除率。对于氨氮和总氮的去除效果没有像COD一样明显。但结合7、8月测验数据，可以看出经矿化床出水的氨氮和总氮去除均在限值以下，说明矿化床单元能够有效地处理渗沥液，几乎可以保证使其达标排放。

图5 事件消息格式

将N-CRT 端口作为连续监测端口，在该端口下获取的消息是具有全面性的。

4.2 测试数据分析

统计事件消息，得到的实际测试数据如表1 所示。

表1 实际测试数据

将表1 数据作为对照数据，进行详细测试分析。

4.3 节能控制测试

对于节能控制的测试，以空调运行能耗为例，分别使用文献[1]系统、文献[2]系统、本文设计系统对比分析空调运行能耗，将超过实际能耗的数值视为不节能能耗，对比结果如图6 所示。

图6 三种系统空调运行能耗对比分析

由图6 可知：使用文献[1]系统空调运行能耗在7 月10日—8月10日出现了首个高峰期，数值为1 400 kW·h。在8 月10 日—9 月10 日、9 月25 日—10 月5 日能耗曲 线波动范围较大，其余时间波动范围较小；使用文献[2]系统空调运行能耗在8 月5 日出现了首个高峰期，数值为1 520 kW·h。在8月10日—9月10日、9月25日—10月5日能耗曲线波动范围较大，其余时间波动范围较小；使用本文设计系统在6 月25 日—8 月10 日，空调运行能耗保持1 250 kW·h不变，在8月10日—9 月10日、9月25日—10 月5 日能耗曲线波动范围较大，其余时间继续保持不变。通过上述分析结果可知，使用本文设计系统与实际测试数据一致，说明使用该系统能耗控制效果较好，具有一定节能效果。

4.4 温度控制测试

选取第5 个温度控制节点的302 号房间为例进行温度测试，满足人体对温度舒适度感觉不大于26 ℃，使用文献[1]系统、文献[2]系统、本文设计系统对比分析室内温度控制效果，对比结果如图7 所示。

图7 三种系统温度控制结果对比分析

由图7 可知：使用文献[1]系统温度由24.3 ℃调节到25.3 ℃；使用文献[2]系统温度由23.5 ℃调节到25.1 ℃；使用本文设计系统温度由25.0 ℃调节到26.0 ℃。由此可知，使用本文设计系统温度变化范围在实际温度变化范围内，说明使用该系统温度控制效果较好。

5 结 语

本文设计的基于嵌入式DDC 控制器的通信楼宇自控系统，能够通过对整个楼宇间机电设备进行数据采集与控制，使变电工程总部设备管理系统达到自动化控制的目的，有效改善了系统运行质量，确保各个楼宇的舒适性。运用最优操作计划进行合理能耗节约管理。结合PID 算法控制等效温度，使过渡期温度控制在合理范围内。在系统测试中，本文设计系统的能耗最大值为1 250 kW·h，温度最大值为26.0 ℃，表明所设计系统研究是具有合理性的，为通信楼宇智能运行提供了设备支持。