基于现场总线C-CLINK和PLC的智能楼宇自控系统设计

近年来在不少城市中各种高层建筑不断建起，建筑内的各种设备品种多分布广如何搞好这些设备的运行管理，为客户提供一个舒适的环境又能合理利用能源便于管理，降低运行费用是业主最为关心的，因此不少大型建筑都设计了楼宇智能系统对楼宇中的设备进行集中管理。楼宇自动控制系统（BAS）其实质就是现代计算机集散控制系统在现代化多功能建筑中的应用，它将建筑内的各种设备如配电设备，给排水设备，暖通设备等在各自的现场控制器控制下按预定的控制策略使各个系统相互协调，工作在最佳状态下，达到节能、舒适的效果。BA 系统通常设有 1 至 2 个中央控制主站，在中央主站可以监控各个被控设备的运行情况和重要的运行参数，记录运行状态的历史趋势和设备的累计运行时间、报警类型和次数等，为设备管理分析制定维修计划提供可靠依据。目前国外不少著名的公司如美国 HOneywell，JOHOSOH 和西门子公司等都推出了一些专门楼宇智能控制系统。

这些系统虽然功能较强，但系统投资较大。我们针对楼宇控制系统的特点，采用了基于三菱现场总线 C-CLINK 技术，用可编程控制器（PLC）组成的集散型控制系统，具有运行可靠，修改控制软件简单，成本低等特点，中央站应用亚控自动化软件科技有限公司开发的组态王软件，这是一种运行在 Windows 95/NT 上的组态软件。具有多任务、多线程及良好的实时性，已运用于电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等多种工程领域，构造有效的监控和数据采集系统。整套控制系统已成功地在浙江印刷厂新厂房中应用，实践证明该系统性能稳定，灵活，非常适合在一些中小规模的智能建筑楼宇自控系统中使用。

（一） CC-Link简介

CC-Link 是 CONTROL&COMMUNICATION LINK 的简称，它通过简单的三芯屏蔽线，提供 156KBPS 至 10MBPS 的通讯速率（视系统通讯距离而定），最大通讯距离可达 1200M（156KBPS 速率）。CC-Link 网络上可挂的各种模块（包括开关量 I/O 和模拟量 I/O）以及子站控制器，可方便地组成各种类型的控制系统，并可大大简化控制学系统的布线。

（二） 三菱 FX2n 系列可编程控制器简介

三菱 FX2n 系列可编程控制器具有体积小，运行指令速度快（0.08us/ 基本指令）内置 8K 步的 RAM和时钟，具有 PID 运算指令，是 FX 系列中性能最高的， 并且拥有模拟量控制、系统通讯的各种特殊用途组件，是一套可以满足多样化广泛需要的 PLC。该系列 PLC 具有较强的通讯功能，可通过 FX2n-CCL 通讯模块直接挂在 CC-Link 网络上，组成集散控制系统，通过 CC-Link 网络可与主站交换数据，通过主站 PC 机对整个系统进行集中管理监视和控制。

（三） 整个系统的框图如图：

三，系统功能和控制策略

（一）、供配电系统：

安全、可靠供电是智能建筑正常运行的先决条件。本系统根据需要将电压、电流、功率因数和频率传感器将电压、电流信号等统一转换成 4-20ma 信号送至现场控制器的 A/D 转换模块读入控制器，实现能量管理。如配电系统采用先进的微机检测空气断路器并能提供 RS232 或 RS485 通讯接口和通讯协议，可用 PLC 的专用模块代替 A/D 转换器获取电量数据，以提高精度和实时性、降低成本。本系统还可并对重要回路开关开关状态与变压器的温升情况进行检测，监视各种异常情况。

（二）、空调子系统

空调系统在建筑物中能源消耗最大，约占 45%左右，楼宇自控系统在保证提供舒适环境的条件下尽量降低能耗。根据杭州地区冻夏季换季时间不定且时间较长的气候条件，在冷冻机房设计了以 PLC 和液晶触摸屏组成的智能操作台，该操作台省去了其他各种仪表盘，使盘面标准化、小型化，节省布线。通过冷冻机房操作台操作者可以直观地监视大楼内各有关参数如各采样点的温度，室外温湿度，各水池水位等，为操作者提供信息，并能在气候不适合自控操作时，如换季时或设备检修时切换至手动操作，还可以通过本操作台对各个设备有关参数进行设置，使设备运行在最佳状态。

本系统由冷冻机组、热交换器和空调系统末端设备三部分组成：

控制策略与功能

A．根据冷冻机组运行要求对冷却水泵、空调水循环泵、冷却塔风机及冷冻机组启动停止顺序进行全自动、半自动和手动进行逻辑控制。

B．根据空调供回水温差和空调水流量计算即时的系统制冷或制热量，实时显示系统负荷率，为冷冻机组、热交换器半自动或全自动的启停和台数控制提供依据。

C．本系统通过检测空调供回水压差并与设定值比较进行 PID 运算来调节旁通阀以实现水系统流量恒定。

D．通过检测冷却水的温度来控制冷却风机的启停和台数控制，以保证冷水机组冷媒压力在一定的范围内，并可达到节能的目的。

E．空调系统末端由空调机和分散的风机盘管组成。空调机为现场申请或由时间程序控制开关，并根据印刷车间工艺要求的室温采用 PID 算法控制空调机水阀开度；空调机组运行时间可根据季节程序设定。还可实现空调机累计运行时间；空气滤网淤塞报警；夜间换风和防冻运行等功能。

F. 对各车间的空调机所消耗的冷量或热量进行计量。冷量或热量的计量公式为 E=△t * Q，这里△t 为空调供回水温差，Q 为空调机的流量累计值。考虑到流量传感器成本较高，我们采用了大口径脉冲水表来测量流量，在正常流量时其测量误差小于 5 %，已能满足工厂成本核算的精度要求。

G．冬季运行时，台数控制按冬季程序执行，同时热交换器蒸汽阀与空调水泵连动，其余功能同夏季。

（三）、锅炉和给排水控制子系统：

本子系统对锅炉运行情况进行监测，对锅炉的辅机进行控制，对生活水箱、消防水箱、集水坑的水位进行监测，高低水位报警；进水量检测，并根据设定值对相应水泵进行自动启停控制，也可由 BA 中心遥控或现场手动控制。

控制策略和功能

A. 本系统对燃油锅炉的运行参数，如蒸汽压力、温度、锅炉水位、烟道温度等进行监测，；对锅炉系统的辅助设备包括：给水泵、除氧泵、油泵、日用油箱油位和温度、大油箱油位、温度，各水箱水位等都通过现场智能操作台进行监控，通过操作台也可设置运行参数。

B. 对各水箱液位连续变化在 BA 中心屏幕上动态显示，并根据生活水箱水位控制相应水泵。

C. 根据污水池水位控制污水泵的启停。在现场监控站和主站上显示，通过软件判断污水泵的状态 / 故障和启 / 停水泵。

D. 根据脉冲水表计量工厂日、月度用水量， 供大楼管理系统作能耗依据，及时发现不正常用水量的情况。

E. 提供给排水系统设备累计运行时间，设备状态，制定设备保养维修计划和水池清洗计划。

（四）、照明控制子系统：

照明系统点多面广，在智能建筑中仅次于空调系统。能有效加以控制节能意义较大。

控制策略和功能

A. 公共照明按时间自动开关，在关灯时间内，可手动申请开灯。

B. 节日、泛光照明可在任意时间内定时开关，也可手动开灯后定时关灯。

C．可与保安服务系统联动，当保安系统侦得非法入侵时开启相应区域照明，以利于摄像及掌握入侵者情况。

四、系统软件部分

由于楼宇控制系统中控制点数较多，为提高编程的效率，详细制定 PLC 内部元件的用途很重要，我们根据实际被控设备制定了如下 PLC 内部参数表（部分）

2F PLC 32CCL 设置站号（Station No：）13~16 占用 4 站

主站 RWr（从站至主站）地址范围：310H~31FH 共 16 点

主站 RWw（主站至从站）地址范围：210H~21FH 共 16 点

主站 RX（从站至主站）地址范围：F8H~FFH 共 112 点

主站 RY（主站至从站）地址范围：178H~17FH 共 112 点

依据上述详细的内部参数表及功能要求，即可画出梯形图编制 PLC 程序，同时制定中央站组态王监控软件的数据词典，根据数据的类型和特点进行动画连接，达到对设备的实时监测和控制。

应用 CC-Link 现场总线系统扩充点数灵活的特点，本系统还可根据需求采用脉冲电度表和脉冲热水表对电量和对建筑物内风机盘管空调量进行计量，可以较低的成本达到满意的精度，大大提高智能大楼管理的水平。

邬惠峰：提供可编程控制器的国产方案

来源：【科学网】

邬惠峰 杭电供图

在现代化的工厂里，不同的机械臂正在协作工作，每个机械臂背后对应着一个相当于大脑的控制器（PLC）。目前看来，不同大脑操控不同手臂。但一些复杂任务要求两个手臂协作，这时是一个大脑操控制两个手臂，还是两个大脑操控两个手臂？哪个更好更快呢？

这也是未来工厂要解决的问题。为此，杭州电子科技大学教授邬惠峰团队正在研发以任务为中心的集成控制器，希望实现复杂逻辑、运动、图像处理、人工智能等领域的融合应用。日前，邬惠峰入选中国自动化产业年会公布“2021中国自动化领域年度人物”。

“如果国外断供怎么办？”

2006年，邬惠峰从浙江大学博士毕业后加入杭电教授严义的团队，正式走上科研路。

严义现任PLCopen中国区主席。PLC即可编程逻辑控制器，是一种数字运算操作的电子系统，已被广泛应用于各种装备和生产过程的自动化控制中。长期以来，PLC的核心技术被国外企业控制。

“PLC是工厂自动化的大脑，如果国外断供怎么办？”严义向《中国科学报》介绍了当时决定深研PLC时的心境。

邬惠峰是PLC“中国解决方案执行者”的核心成员，负责软件开发。他说：“国外进口的PLC及其集成开发环境（平台软件），我们只能用其部分功能，但更多应用需要进入PLC的核心，所以我们决定自主研发软件，让中国人掌握PLC的核心。”

2006～2010年，在严义的总体设计思路指导下，邬惠峰负责具体实现。他回忆道：“几乎每前进一步都是困难重重，图形语言的编译尤其难，进口的PLC只能看到外面，里面的架构设计要自己去思考，幸运的是我们最终攻克了这些难关。”

严义团队研发的CASS平台软件，是中国工业软件在PLC上的重大突破，提供了PLC的中国“芯”。

邬惠峰介绍，CASS平台软件可以支持多种国产CPU构造全自主的可编程控制器，平台支持用图形化形式开发，并自动生成PLC程序。也就是俗称的通过“拼图、搭积木”自动生成控制程序代码，这一点对工厂普通技术人员“尤其友好”。

目前，CASS平台软件已经推广至国内上百家企业应用，产生经济效益累计达数十亿元以上。严义团队的学科公司——义益钛迪借助CASS平台软件生产的PLC产品，在国内二十余万基站动环监控系统上成功获得应用。

“经常下工厂做研发”

2021年，邬惠峰领衔完成的大型复杂光学级零件注塑成型工艺与装备的研发及产业化项目获得浙江省科学技术进步奖一等奖。这也是他和团队十五年磨一剑，专注做PLC研究和产业化的结果。

“现在的PLC与最初的PLC相比，内涵和外延已经大不相同。”邬惠峰解释道，早期的PLC是逻辑控制，现在则进入运动控制、视觉控制阶段。“前人也许根本想不到现在的PLC能做出如此精密复杂的运动控制。”

邬惠峰以注塑机为例介绍，注塑机用于生产高端塑料设备，如汽车车灯、全景天窗、显示屏、深海探测器的视窗为代表的光学级塑料零件。不同于普通塑料产品，光学级塑料零件对耐压、透明等技术指标要求高，进而要求生产这些零件的注塑机要完成大量复杂、连贯、精细的加工工作。

邬惠峰团队研发的CASS平台软件设计出的PLC控制器，填补了我国大型复杂光学级零件注塑成型工艺与装备的空白。合作方泰瑞机器总工程师周宏伟感叹道：“我们的大型注塑机装备再也不怕外国断供了。”

这些年来，邬惠峰一直保持“经常下工厂做研发”的习惯。在泰瑞机器做大型注塑机研发时，邬惠峰经常在注塑机旁一观察就是3～5个小时。“控制器要实现的动作越来越复杂，这也对安全稳定性的要求更高。只有亲自观察，才能设计出最好的动作方案。”邬惠峰说。

理论和实践凝练论文

在邬惠峰和他的团队看来，首先是要解决实际问题，做出成功产品，为国家工业控制领域创造价值，等产品成果有所积累，将背后的理论和实践探索凝练起来，就是一篇高质量论文。

“早些年自己可能会被认为‘不务正业’，当时主要在工厂做工业控制，论文写得较少。这些年，我把解决实际问题背后的思考写进了论文里，这些文章以理论突破和实际案例为基础，受到工业领域国际权威期刊的认可。现在看来，这条路走对了。”邬惠峰说。

由于在PLC控制器领域的突出贡献，邬惠峰主持了《工业互联网基于边缘计算的可编程逻辑控制器（PLC）》国家重大项目，负责起草了工业机器人可编程控制器软件开发平台程序的XML交互规范国家标准。他同时还是国际电工协会（IEC）可编程系统工作组成员，曾作为唯一的中国代表参加PLC（可编程逻辑控制）领域国际标准制定。

“可编程控制器在现在和未来的工业自动化领域均大有作为，能做的事太多了，但还有很多事还没做。”邬惠峰感叹道，工业控制国产替代任重道远，我们要在可编程控制系统国际标准制定领域为中国赢得话语权。”

本文来自【科学网】，仅代表作者观点。全国党媒信息公共平台提供信息发布传播服务。

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