建筑行业是一个高能耗的行业,建筑遮阳是改进建筑物节能、热舒适性、调光等方面的积极因素。随着建筑业各种新技术的蓬勃发展,建筑遮阳向智能化控制发展已成为一种必然趋势。
建筑遮阳智能化控制系统是利用智能传感、现场总线、自动控制、计算机信息管理、互联网、大数据分析等技术,将建筑遮阳装置的电机、控制器、气象站和计算机监控系统等整合,形成一个具有感知、传输、记忆、判断和决策等综合功能的控制系统及管理平台。本文介绍了开展“建筑遮阳智能化控制技术研究与应用”课题取得的成果,对建筑遮阳智能化控制系统的结构、关键设备、应用功能等多方面进行阐述,其目的是使工程技术人员了解建筑遮阳智能化控制系统的基本功能和应用技术,为建筑遮阳智能化控制技术的发展与应用起到推动作用。

1 建筑遮阳控制系统结构

建筑遮阳智能化控制系统,采用了CANBUS、KNX/EIB、Lonworks等总线标准,通过对建筑应用的监控计算机、中央控制器、电机控制器、气象站等电气设备有机管理,形成一个整合的可扩展柔性控制网络结构,实现了对建筑遮阳系统的最佳控制。建筑遮阳控制系统各个元件通过专用现场总线,以树形、星形或线形的拓扑结构灵活组网,具有高度的可靠性、灵活性和扩展性。控制系统的构成:
(1)一种基于CANBUS总线的建筑遮阳智能化控制系统网络结构(见图1),主干线网络通过弱电竖井贯穿整个建筑,每个楼层分布一条分支网络,该楼层内的所有电机控制器以手拉手的形式连接,通过耦合器引至中央控制器。
(2)气象站,布置在建筑物顶部,中央控制器和监控计算机布置在建筑的控制室内。

图1 典型系统网络结构图

(3)第三方系统接口,遮阳智能系统可与火警系统、楼宇自控系统对接。

2 建筑遮阳电机控制器功能与运行状态监测

2.1 电机控制器功能

电机控制器是建筑遮阳智能化控制系统在整个网络系统中的重要节点,是分散控制的核心部件,既可以完成独立控制功能,也能够通过现场总线实现中央集中控制功能。电机控制器具备总线通讯、串行通讯、硬线开关、无线遥控等接口(见图2)。从实现的功能角度,电机控制器有以下功能:
(1)可提供多路电机驱动单元,通过提供阶梯驱动电流实现阶梯调光功能,以满足超高精度定位及调光控制要求;
(2)输入输出端可编程设计,输入端可以设计为阶梯调光步进控制、开关控制、开关一次到位控制、分组控制、场景控制等;输出端可以实现快速慢速调节电机;
(3)内置无线接收模块,配合遥控器,实现射频遥控控制;
(4)通过总线协议,实现光感控制;通过场景设计,实现光环境的自动调光控制;
(5)联动控制,通过分组,实现某区域或全区域的遮阳同步控制;
(6)内置串口RS232接口,可用于联网测试及外扩接口配置;

图2 四路电机控制器

(7)输出保护功能,可通过PC软件设置保护电流的最大值,设置值为1～5A。

2.2 电机运行状态的监测

遮阳电机是建筑遮阳装置的动力源,其稳定运行是保障建筑遮阳系统可靠运行的重要因素。为保证电机长时间稳定运行,系统具备了电机运行状态的实时信息和历史数据,以及进行交叉比对和趋势分析,基于对电机运行健康状况的评估,为设备的运维保养制定相应的计划和流程,并实现以下行动:
(1)电机自身设有过热保护器和过流检测电路,电机过载后可提前进行保护或在电机过热停转后可通过自身降温自动恢复正常状态。
(2)电机增设编码器。编码器可以精准电机状态,通过串行通信反馈给电机控制器。运行人员通过监控软件界面可获取有关电机的运行状态信息,包括电机故障状态、电机限位、电机运行方向、中间位置值、出场默认设置,以及电机一共运行次数、运转圈数和电机热保护次数及上次热保护之后的运行次数,电机堵转(过流)次数及上次堵转之后的运行次数,电机通电次数、恢复出厂设置次数和编码器错误次数等。

3 建筑遮阳气象站

气象站功能是为建筑遮阳提供实时的气象数据,通过设置气象传感器捕捉包括逐年、逐月、逐日最低光照、最高光照、平均光照、最低气温、最高气温、平均气温、太阳光的入射角度、最大风力、平均风力等,又通过计算机数据分析系统对实时和历史气象数据进行分析,建立合适的控制算法模型,融入到智能化控制系统中,使遮阳装置实时地响应天气变化情况,实现遮阳装置自动收起,避免恶劣天气对系统造成损害。建筑遮阳采用的气象站一般分为以下两种:
(1)多功能集成气象站(见图3),该气象站由光照、温度、风力、风向、雨雪各分立传感器和协议转换器、电源模块等组合到一起,各传感器之间以串行通信方式连接,且通信接口协议是标准的开放的,例如Modbus RTU协议。

图3 某建筑遮阳用多功能集成气象站

(2)多功能一体化气象站,这是一种集气象数据采集、存储、传输和管理于一体的气象采集系统。其特点是将各种传感器、处理器封装到同一块电路板上,集成化程度更高,防护等级更高、数据处理能力更强、小型化便于安装等。协议转换器均可以通过通信接口读取气象站的数据,并转换为控制网络兼容的数据,实时上传至监控计算机数据库。

4 建筑遮阳控制系统模式

建筑遮阳控制系统模式可根据建筑物设置的遮阳装置使用要求分为手动控制和自动控制两大类,每类控制模式分别细分为多项控制模式。

4.1 手动控制模式

手动控制包括面板/按钮控制、遥控器控制、手机APP控制、人机界面的手动控制、手动机械控制等。控制模式的特点:
(1)遥控器控制:电机控制器内置无线电接收器,电机控制器与遥控器之间无需接线。遥控器与电机的对应关系可自由编程,使用者可以自由对电机进行分组,遥控器与电机的对应关系不依赖于硬件接线,而是通过软件设置对应关系,空间分隔变化时对遮阳装置与遥控器的对应关系通过软件做变更。遥控器可以控制每一幅遮阳装置单独动作,也可以实现任意的分组甚至交叉控制。所有的控制对应关系可做到随时解除并重新分配。
(2)手机APP控制:系统可以接入互联网,通过互联网,使用者可以与系统建立远程连接,并通过智能手机、平板电脑的APP对遮阳系统进行控制。

4.2 自动控制模式

包括气象数据控制、定时控制、自定义情景模式控制、消防/安防联动控制、其他用户自设定模式控制等。控制模式的特点:
(1)气象数据控制:系统可以通过设置气象传感器捕捉实时的气象资料,使得遮阳装置可以实时地响应天气变化情况。例如,当阳光照度超过系统预设的门槛值时,遮阳产品可以自动运行到某一预先设定好的位置或系统计算出的最佳遮阳位置;当某一指定方向的风速超过预先设定的限定值或者雨雪传感器检测到雨雪信号时,遮阳装置可以自动收起,以避免恶劣天气对系统造成损害。使用者可以在监控软件中实时观察到传感器的工作状况及数据,并可根据需要,随时启用或停用传感器,或对传感器信号所控制的区域进行修改。
(2)在一个完整的楼宇自控系统中,建筑遮阳控制系统可以作为一个独立的子系统,当与智能楼宇自控系统做联动或对接时,建筑遮阳控制系统具备开放的、标准的通讯接口,接收指令和反馈信息,实现远距离规模化的集中控制。
(3)遮阳系统可接收并处理来自消防系统的报警联动控制信号。消防报警控制信号是所有控制命令当中最高的优先级,当系统接收到来自消防报警控制信号时,整座建筑物内的所有遮阳装置优先响应,自动收起整个建筑的遮阳装置,此时遮阳产品不再响应其他任何控制信号。

5 建筑遮阳专用监控软件

5.1 软件操作界面

建筑遮阳智能化控制系统使用专用监控软件,软件操作界面见图4,其软件主要界面功能:
(1)人机界面:其界面的功能设计要使运行操作人员可以通过人机界面对系统进行操控,实现人机对话。

图4 软件操作界面

(2)图形控制界面:其功能的设计需全面考虑建筑遮阳系统的设备功能特点和人员管理要求,便于工作人员更加直观地观测实时数据,且画面的显示形式和操作人员的习惯要相符合。

5.2 软件后台控制

软件后台的控制基础是数据库,在数据库中,存储着系统控制对象以及控制系统对过程的控制内容运行的实时信息和历史信息,包括气象的数据,电机的运行状态,遮阳装置的位置反馈等等。软件具有以下特点:
(1)功能模块化,包括用户管理、基础设置、场景管理、楼层管理、分组管理、定时管理、环境管理、监控管理、分级管理等。
(2)在监控软件中插入建筑物真实的图片或平面图或BIM 3D展示,并将电机在软件中拖拽到图中其所在的实际位置,界面简洁、直观,具备图形无极缩放能力,能够全面显示所在区域。
(3)采用了模块式开发技术和C/S结构,提高系统的可扩充性。
(4)具备多级报警输出功能,可有效防止报警信息被忽略或延误。
(5)具备信息统计功能,能够直接查看设备状态和事件信息统计,并可直接切换到相应显示窗口。
(6)能够以不同颜色显示不同等级的设备状态和事件信息,并可根据用户需要或行业要求,在线调整显示颜色。

6 结语

建筑遮阳控制系统通过引入智能化控制技术后,实现与智能楼宇自控系统做联动或对接功能,并能远距离规模化的集中控制,通过接收智能楼宇自控系统指令和反馈信息,保证了建筑遮阳装置在使用中发挥以下优势:
(1)在无人干预的情况下能与建筑物楼宇自控系统和火警系统形成联动,更充分发挥建筑遮阳装置与建筑物楼宇自控系统的协同作用。
(2)通过设置的气象传感器捕捉实时的气象资料,使遮阳装置实时地响应天气变化情况,实现遮阳装置自动收起,避免恶劣天气对遮阳装置系统造成损害。
(3)减少了人为主观因素的干预,保证了对建筑遮阳系统的精准控制。
(4)便于运维管理,保证管理效果,提高了系统的工作可靠性。
希望通过本文的阐述,使工程技术人员了解建筑遮阳智能化控制系统的基本应用技术,能够为建筑遮阳的智能化控制发展做出贡献。