王曉娟

（江蘇安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江蘇 徐州 221011）

0 引 言

現(xiàn)代建筑是新時代背景下的產(chǎn)物，發(fā)展水平受到科學(xué)發(fā)展的影響。其設(shè)計和建設(shè)主要是將先進的科學(xué)技術(shù)融入建筑結(jié)構(gòu)中，使每一個建筑物都能夠形成一個完整的體系，以此改善人類日常生活和工作環(huán)境[1]。智能控制系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的核心組成，從長時間的革新來看，智能控制系統(tǒng)的發(fā)展可劃分為獨立集成階段、樓宇自控集成階段以及中央控制集成階段。在各個階段，智能控制系統(tǒng)都在不同方面得到了全面優(yōu)化[2]。但目前最新的智能控制系統(tǒng)在現(xiàn)代建筑的應(yīng)用中仍然存在各個控制子系統(tǒng)集成度不夠、功能不齊全、互聯(lián)性差以及執(zhí)行度低等問題，使得現(xiàn)代建筑市場缺乏完善的管理體系，嚴重阻礙了現(xiàn)代建筑的智能發(fā)展[3]?；诖耍疚拈_展現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 控制器選型

針對現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的需要，選擇兩臺基于PLC的控制器應(yīng)用于同一座建筑物，其中一臺主要用于采集控制信號，利用數(shù)據(jù)通信的方式傳輸控制信號、各電氣設(shè)備運行狀態(tài)信號以及調(diào)配信息等，并將相應(yīng)的控制信號傳遞到另一臺基于PLC的控制器當(dāng)中。另一臺基于PLC的控制器在接收到相應(yīng)的控制信號后完成對信號的智能識別，控制現(xiàn)代建筑各個電氣設(shè)備及電梯的運行，并將相應(yīng)的控制信息發(fā)送到控制中心[4,5]。圖1為現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)中控制器的連接方式示意圖。

圖1 無線智能控制系統(tǒng)中控制器的連接示意圖

基于上述對控制器的設(shè)計要求，選用西門子ISH8869-95U25型號的兩臺控制器，每一臺均能夠滿足現(xiàn)代建筑中電梯和電氣設(shè)備等設(shè)施的自動化控制需要，不需要額外引入分層器，降低系統(tǒng)的研發(fā)成本。ISH8869-95U25型號控制器外結(jié)構(gòu)尺寸為125 mm×95 mm×30 mm，安裝孔徑為65 mm，運行過程中可承受-35～+85 ℃的溫度條件，在運行環(huán)境相對濕度達到25%～85%時都不會出現(xiàn)結(jié)露問題，工作電流為550 mA，輸出電壓為DC 36 V[6]。同時，在對現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的電梯進行控制時，若單個建筑結(jié)構(gòu)含有雙電梯，則召喚控制時可通過ISH8869-95U25型號控制器進行自動識別，當(dāng)其中一臺電梯到達相應(yīng)的樓層時，另一臺電梯則停靠在最近的平層，不會造成電梯懸浮在兩個樓層之間的問題，以此提高現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中各類電氣設(shè)備和電梯運行的安全性。

1.2 控制總線設(shè)計

針對本文現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)運行需要，選擇Kvaser6820型號局域網(wǎng)控制總線作為本文系統(tǒng)的總線硬件結(jié)構(gòu)，在運行過程中對各類電氣設(shè)備和電梯實施檢測和控制，從而解決電氣設(shè)備和電梯之間的控制信號傳輸問題，以此減少電氣設(shè)備和電梯之間存在大量連接電線的問題[7]。將Kvaser6820型號局域網(wǎng)控制總線連接在現(xiàn)代建筑的外圍器當(dāng)中，通過控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊實現(xiàn)對現(xiàn)代建筑中各個電氣設(shè)備和電梯的控制。同時，Kvaser6820型號局域網(wǎng)控制總線的保護級別為IP15，具有高溫和反向極性等功能，總線當(dāng)中還包含一個電源LED燈顯示設(shè)備，其主要作用是顯示各類控制狀態(tài)。

在安裝Kvaser6820型號局域網(wǎng)控制總線的過程中，還需要安裝相應(yīng)的導(dǎo)軌[8]。本文選用DIN8545-650型號導(dǎo)軌，不需要外界工具輔助安裝，成本更加低廉，同時該型號導(dǎo)軌可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钸h距離為18.5 km，傳輸速度可達到2.5 Mb/s，充分滿足各類高層及超高層現(xiàn)代建筑的設(shè)計需要。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制信號無線智能傳輸

本文在設(shè)計全新的控制系統(tǒng)時，主要將控制信號輸送到現(xiàn)代建筑控制主站中，并通過無線方式實現(xiàn)控制信號在系統(tǒng)當(dāng)中的可視化展現(xiàn)。設(shè)置電氣設(shè)備和電梯的控制信號均滿足S-Ans通信協(xié)議，根據(jù)現(xiàn)代建筑的日常功能需要，設(shè)置如表1所示的控制信號與對應(yīng)功能表。

表1 控制信號與對應(yīng)功能表

本文控制系統(tǒng)在對現(xiàn)代建筑中的各類電氣設(shè)備和電梯進行控制時，根據(jù)需要將相應(yīng)的操作信號在系統(tǒng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換為控制信號，并結(jié)合ISH8869-95U25型號控制器對其進行自動采集。

系統(tǒng)軟件部分底層（包括MAC層和物理層）采用IEEE802.15.4協(xié)議，調(diào)制方式為OQPSK，速率為250 kb/s。IPv6微型協(xié)議棧包括UDP、TCP、ICMPv6等基本協(xié)議以及在節(jié)點之間建立和維護多跳路由的MSRP路由協(xié)議。由于IEEE802.15.4支持的數(shù)據(jù)包長度最大為127 B，因此在MAC層和IPv6微型協(xié)議棧之間引入了一個適配層，當(dāng)接入對象網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持的最大數(shù)據(jù)包長度超過127 B時，需要對數(shù)據(jù)包做分片處理。另外協(xié)議棧里面包含兩個獨立的緩沖區(qū)，一個是發(fā)送隊列，一個是接收隊列，分別用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。此外，在實際應(yīng)用中常常會由于人為操作錯誤而產(chǎn)生錯誤的控制信號，為了有效避免出現(xiàn)錯誤控制的問題，需要掃描控制器發(fā)出的控制信號，根據(jù)掃描的順序過濾可能存在錯誤的控制信號，并將正確的控制信號存儲在本文系統(tǒng)的存儲模塊當(dāng)中，再通過相應(yīng)的推算得出控制所有電氣設(shè)備和電梯的控制信號，從而實現(xiàn)對現(xiàn)代建筑的運行控制[9]。

2.2 無線控制指令發(fā)送順序

在得出控制信號與對應(yīng)功能后，計算控制指令的發(fā)送順序為：

式中，Em表示第m種電氣設(shè)備或電梯的運行模式下第n部設(shè)備的綜合控制指數(shù)；CEm表示n部設(shè)備的綜合輸入特征量；Wn表示控制系統(tǒng)的順序評價指標(biāo)；Cm1，Cm2表示某一部設(shè)備的綜合輸入特征量；Wn1，Wn2表示系統(tǒng)某一部設(shè)備的順序評價指標(biāo)。根據(jù)上述公式計算在多臺設(shè)備同時運行過程中控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)給出的控制信號順序，以此實現(xiàn)對多臺設(shè)備的有序控制，具體流程如圖2所示。

圖2 流程圖

當(dāng)現(xiàn)代建筑中的某一設(shè)備發(fā)生故障時，利用本文控制系統(tǒng)的控制器采集異常控制信號，并將其統(tǒng)一格式后傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的上位機中進行報警顯示，從而幫助現(xiàn)代建筑管理人員在第一時間對出現(xiàn)故障的設(shè)備進行維修和維護[10]。

3 對比實驗

為進一步驗證本文提出的現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的效果，將現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的電梯作為控制對象，分別利用本文提出的控制方法和傳統(tǒng)控制方法控制電梯的運行。選擇兩座5層雙電梯建筑作為實驗環(huán)境，其中一座利用本文提出的無線智能控制系統(tǒng)作為控制核心，另一座利用當(dāng)前控制系統(tǒng)作為控制核心。該現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的電梯平均每一層樓經(jīng)過時間為0.85 s，電梯的額定載荷為1 200 kg，約15人，隨機選擇50名志愿者乘坐，分別記錄兩座現(xiàn)代建筑在電梯運行過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)，并繪制如表2所示實驗結(jié)果對比表。

表2 兩種控制系統(tǒng)實驗結(jié)果對比表

表2中，兩種控制系統(tǒng)下的電梯運行時間包含了乘客等待電梯的時間。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，智能控制系統(tǒng)下電梯的運行時間更短，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下電梯的運行時間更長。電梯的運行時間越短則表示該控制系統(tǒng)的控制策略更有效，控制效率越高，反之電梯的運行時間越長表示該控制系統(tǒng)的控制策略無法滿足電梯快速運行的需要，控制效率低。通過對比實驗?zāi)軌蜻M一步證明本文提出的現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠有效提高建筑結(jié)構(gòu)中各個電氣設(shè)備和電梯的運行效率與運行質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文通過研究現(xiàn)代建筑無線智能控制系統(tǒng)設(shè)計，提出了一種全新的控制系統(tǒng)，并通過實驗進一步證明了該系統(tǒng)的實際運行性能，同時將該控制系統(tǒng)應(yīng)用到現(xiàn)代建筑當(dāng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對各個電氣設(shè)備或電梯的無線控制，滿足現(xiàn)代建筑的智能化建設(shè)需要。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)安裝時減少了很多不必要的硬件結(jié)構(gòu)，可以在降低現(xiàn)代建筑建設(shè)成本的同時提高建設(shè)的環(huán)保性，實現(xiàn)現(xiàn)代建筑的健康綠色發(fā)展。