群智能化建筑樓宇微網協調控制系統設計

袁江輝

（北京中盛國華工程技術有限公司，北京 100070）

隨著微電子技術、信息網絡技術的發展，群智能化建筑技術手段不斷得到提升，建筑樓宇微網的控制需求推動著建筑樓宇向智能化方向發展[1]，智能化建筑樓宇的建筑目的是建設出智能、安全、舒適的樓宇環境，滿足對樓宇微網的控制需求[2]。

他認為，農資流通企業數量的增多促使農資經營網點遍布全國各個鄉鎮、村落，方便農民采購農資產品，保障農時所需，有積極的意義。不過，當前農資流通企業“小散弱”的基本現狀也為行業發展帶來了一些問題。

為了滿足樓宇微網運行階段對控制設備的自動管理，我國在建設智能化建筑樓宇時，通常會設計樓宇微網協調控制系統，但在實際生活中，建筑樓宇微網的運行控制情況并沒有達到理想狀態，據調研結果顯示，大部分傳統的建筑樓宇微網協調控制系統沒有真正實現自動化控制，傳統的微網協調控制系統雖然實現了狀態監測，但系統的優化協調依舊沒有實現，主要問題包括協調控制子系統互不兼容，系統的優化協調只能在基站進行；控制系統集成困難，處理數據能力差；有數據卻不能有效進行存儲，需要現場組網配置，容易造成數據丟失；不能充分地滿足建筑樓宇的協調控制需求，不能靈活進行更新和擴展等[3]。

蘭州石化認真落實從嚴管黨治黨的要求，牢固樹立“黨的一切工作到支部”思想。公司黨委堅持“抓書記、書記抓”，選拔能力強、作風硬的干部擔任黨支部書記，帶動黨支部科學化、規范化運行。

基于以上傳統控制系統出現的問題，該文設計了群智能化建筑樓宇微網協調控制系統，該系統通過設計系統硬件，使協調控制子系統互相兼容，完成系統的集成工作，并通過系統中相關的器件，對微網數據進行處理和存儲，最終達到協調控制要求，最后通過實驗驗證該文設計的控制系統的有效性。

盡管津巴布韋農業部無法立即提供一個市場更新要求，但根據之前數據表明，津巴布韋國內大約有40家農業化學企業，其中一些企業參與了近450種不同農產品的配方和銷售。

1 系統硬件設計

第四步：接收各項設備的采集信息，通過傳輸信道傳輸至協調控制系統，等待控制系統發送控制命令，如果為控制命令，則通過系統的硬件設備分析處理各項采集信息；如果不是控制命令，則重新等待群智能化設備發送采集命令。

圖1 控制系統硬件結構

1.1 電源電路設計

控制系統的電源電路輸入電壓為16 V，輸出電流最高為4 A，單路輸出電壓為24 V，額定功率為80 W，該電源電路主要由開關電路、控制電路、電壓反饋電路以及濾波電路構成。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

開關電路中最高電流能達到2 A，2 A 的電流可以驅動開關，電路中由于存在源邊電感，因此會產生尖峰電流，從而縮短了開關的充放電時間，在一定程度上會提升電源電路中電壓的穩定性，并提升電路效率。控制電路中開關的頻率由電路中的電阻決定，當控制電路中電阻為4 kΩ時，開關頻率為150 kHz，控制電路的額定功率為60 W，由于功率較大，因此工作模式分為兩種：連續模式和斷續模式，這樣可以減小電路中的負電壓[4]。通過電壓反饋電路可以實現輸出電壓量的實時采集，通過引腳將輸出電壓的信息傳輸到內部基準源中，產生的誤差電壓可以增大脈沖寬度[5]。開關電路、控制電路、電壓反饋電路共同工作，對整個硬件系統進行供電和控制。

1.2 單片機設計

控制系統的單片機選擇STC 公司的89C516，這是控制系統的核心器件，該款單片機是一種在線可編程器件，可以實現串口編程，其CPU 具有48 個I/O端口，20 個引腳，抗干擾性能和節能性能均優于其他型號的單片機[6]，其內部集成了高速采集器，可實時采集建筑樓宇微網數據，對內部集成的采集器和復位電路進行了穩定性處理，單片機的性能指標滿足該文系統對電源電路、處理器以及控制器的控制要求[7]。單片機結構如圖3 所示。

利用單片機的部分I/O 端口實現與采集器的連接，當采集器采集完建筑樓宇微網數據時，可利用I/O端口進行傳輸，實現單片機向控制系統發送建筑樓宇微網數據和控制指令，單片機外圍電路的電壓為3.3 V，單片機芯片需要1.8 V的工作電壓，為了使單片機芯片可以穩定工作，通過集成降壓芯片使3.3 V 電壓降到1.8 V，單片機的設計實現了對建筑樓宇微網數據的采集、傳輸和控制。

圖3 單片機結構

12月20日，@央視新聞的微博轉發了一則“國家語言資源監測與研究中心”發布的“2018年度十大網絡用語”，還以此編輯了一段邏輯順暢、正能量爆棚的熱詞串燒：

1.3 微處理器設計

該文系統的微處理器是由三星公司生產的，具有8 位定點數字，數據處理速度快且性能較好，該款微處理器的指令系統具有108 條指令，可支持浮點運算和自適應濾波，工作頻率為68 MHz，指令周期為150 ns，內部的數據存儲空間為256 kB。當單片機采集、傳輸完建筑樓宇微網數據后，微處理器采用數據總結結構對數據進行結構處理，處理完成后，存儲在內置的存儲器中[8]。存儲器的存儲空間為16 MB，字節寫周期為25 μs，存儲完建筑樓宇微網數據的時間為10 s，很好地對數據進行保護，確保了建筑樓宇數據的完整性，降低了數據的丟失概率。存儲器的芯片是一個靜態存儲芯片，容量為64 kB，能夠協助存儲器完成數據的存儲。微處理器結構如圖4 所示。

圖4 微處理器結構

微處理器處理建筑樓宇微網數據，再由存儲器進行存儲，這一過程中需要10 V 的工作電壓，除了電源電路向其提供8 V 的電壓外，剩下的2 V 電壓由微處理器的外圍電路提供，微處理器的外圍電路電壓范圍為1.8～3.3 V，電流控制在1.2～1.6 A 內，可支持微處理器處理部分數據[9]。

1.4 控制器設計

第一步：系統初始化，確定建筑樓宇微網控制功能。中央處理單元需要實現對微網數據的優化控制，在優化控制前，需要確定建筑樓宇微網的控制功能，主要包括采集樓宇微網數據參數，處理結構化數據，存儲處理完的建筑樓宇微網數據參數以及結構化數據[13]，控制機電設備、微網末端設備、群智能化設備、通信設備等，采用控制邏輯和運行策略安裝系統節點[14]，隨著建筑需求的不斷變化，增加建筑空間，調整建筑樓宇內機電設備的運行參數[15]。由于機電設備內的微網數據參數需要植入群智能化控制系統，因此群智能化控制系統可以通過通信接口對末端設備進行靈活調整，將末端設備嵌入到各種源設備中，根據存儲的微網結構化數據調節末端設備，以此實現全局優化控制。末端設備與群智能化控制設備集成在一起，實現末端設備運行過程的微網數據監測、穩定控制與優化協調功能[16]。

圖5 控制器結構

第五步：分析處理完成各項采集信息后，判斷采集信息中的微網數據值是否滿足微網協調控制要求，如果滿足，則進入協調控制優化過程；如果不滿足，則斷開通信設備，停止傳輸采集信息，結束程序。

2 控制系統軟件設計

第二步：確定各項參數后，由群智能化建筑設備發送采集命令。微網數據參數、結構化數據幫助協調末端設備后，對末端設備的數據進行監測，完成優化協調功能后，群智能化建筑設備整理各項數據參數以及設備的運行狀態，然后發送采集命令。

圖6 樓宇微網協調控制系統軟件流程

控制系統的控制器是該文建筑樓宇微網協調控制系統的核心器件，它可實現對建筑樓宇微網數據的控制，該款控制器以PLC 為主控制器，通過TCP/IP協議讀取建筑樓宇微網數據與電路中電壓和電流數據[10]。控制器的基本結構包括電源、中央處理單元、內置存儲器、輸入輸出接口電路等，控制器的電源負責對控制器及其他外設進行供電，控制器電源的交流電壓最高可達到4.8 V，最低不低于3.2 V，電壓波動在15%以內，該電源系統比較可靠，可直接與其相連[11]。控制器結構如圖5 所示。

開發綠色能源，實現綠色建設，是現階段國家發展的重要戰略目標。光伏發電，是一種可再生的綠色清潔能源，能有效緩解我國在經濟建設中的能源匱乏問題［1］。簡單來說，光伏發電就是將太陽能轉化成電力，方便人們的生產生活。光伏發電與煤炭發電不同，光伏發電不會產生垃圾、有毒物，不會出現資源浪費，且是取之不盡，用之不竭的。而電氣自動化能夠有效提高太陽能利用效率，通過對電氣自動化在太陽能光伏發電中的應用研究，解決我國在資源配置方面遇到的各種問題。

具有工程量小、施工方便、節約勞動力的特點，在電力條件不能滿足的情況下，該方法具有明顯優勢。但該方法抽水高程有限，排水能力有限，可配合其他方法使用。虹吸排水包括注水式和抽真空式。

該文設計的群智能化建筑樓宇微網協調控制系統的軟件流程如圖6 所示。

第三步：微網末端設備、機電設備以及通信設備接收并執行采集命令。群智能化設備發送采集命令后，各項設備根據信息內容接收屬于自己的采集命令，微網末端設備開始采集微網協調信息數據，機電設備采集電壓、電流參數，通信設備采集傳輸信道信息。

該文設計的群智能化建筑樓宇微網協調控制系統硬件結構如圖1 所示。

中央處理單元為控制器的控制中樞，可以接收來自處理器中的數據，并診斷控制器當前的運行狀態，執行控制器下發的控制指令，輸出并控制存儲的建筑樓宇微網數據，內置的存儲器主要負責將控制數據進行臨時保存，輸入輸出接口電路為數據的傳輸提供便利，可減小數據傳輸過程中受到的干擾，各個單元協同工作，實現控制器對建筑樓宇微網數據的控制[12]。

第六步：開始進行微網協調控制優化操作，斷開末端設備，同時打開機電設備、群智能化設備，執行信息中的控制命令，根據控制命令對系統進行配置、調試，實現對建筑樓宇微網的有效控制。

3 實驗研究

通過與傳統控制系統進行實驗對比，驗證該文設計的群智能化建筑樓宇微網協調控制系統的有效性。實驗以制冷量為指標衡量協調控制的實驗結果，如圖7 所示。

圖7 協調控制實驗結果

傳統控制系統對建筑樓宇微網沒有實現自動化控制，協調控制子系統互不兼容，只能在基站進行優化協調工作，且傳統控制系統處理數據的能力差，不能進行實時存儲，易造成數據的丟失，并且傳統控制系統需要將各種機電設備接入控制器中，在建設完成后，再對微網設備單機進行調試，而該文設計的控制系統采用了群智能化設備、末端設備、機電設備與通信設備，執行控制系統發送的控制命令，并且提供了更為有效、可行的輔助方法。輔助方法包括提供建筑樓宇微網協調階段的自檢功能，以及機電設備與末端設備運行時，對系統運行的微網數據的智能化分析，這兩種輔助方法可以有效減少建筑現場的協調工作量，縮短對控制系統的調試周期，提升建筑效率。

從各站各月的平均風速情況看(圖5),各個站點都存在同樣的季節變化。平均風速最大的站點為國家氣象站(58449),其各月的平均風速基本都高于其它3個站點。

除此之外，傳統控制系統需把系統中的控制器、通信設備按照SPI 總線方式全樓連接組網，這增加了組網的難度，也降低了控制系統調試的速度，而該文控制系統只需要將基站節點連接，也就是全樓的調試設備與附近的節點連接，可以大大減少系統組網的工作量，使控制子系統相互兼容，輸送控制命令，并經系統硬件實現微網數據的采集、處理和存儲，有效提升了控制系統處理微網數據的能力，降低了微網數據丟失的概率。

該文設計的控制系統對建筑樓宇微網的控制結果與理論上的最優結果基本一致。

4 結束語

該文設計的群智能化建筑樓宇微網協調控制系統優于傳統控制系統，有效解決了傳統系統出現的處理數據能力差、微網數據易丟失等問題，系統具有很好的穩定性和有效性。