1引文
随着现代化城市化的发展，家庭、小区、高层楼宇的智能化和节能成为必然要求，在照明、电梯、空调、暖通、给排水、供配电、送排风、建筑节能以及可再生能源的利用等各个方面，控制系统已经得到广泛的应用。然而，当前的楼宇自控系统采用通用控制器构建，一个小型区域的控制点数就可能达到数十万个，造成控制系统成本居高不下；同时，智能化系统与节能管理系统独立运行，控制系统多而杂，没有形成一体化的统一管理、全局控制。CMC（ControlModuleonChip）芯片支持IEC61131-3标准，该芯片高度集成多种通信接口，具有很高的灵活性和可靠性。与传统的楼宇控制器相比，基于CMC的控制器元器件少，成本低20%以上；并且CMC控制器系统采用分布式控制方式，CMC控制器就近控制设备，使现场线缆数量大大降低；CMC芯片将现有结构复杂、成本高昂的控制系统简化为单一芯片，极大地降低了行业技术门槛。采用CMC芯片将大幅度的降低楼宇智控系统的综合成本，解决当前由于智控系统产品成本过高造成的推广应用困境，对智能小区乃至智慧城市的推广起到极大的助力作用。基于此，本研究面向智能建筑现场设备开发相应CMC控制器，控制器运行IEC61131程序，实现就地控制相应设备，如暖通空调、送排风、给排水等。经过对智能建筑与节能控制系统应用的市场调研，根据智能建筑行业特点，在CMC芯片、系统组态软件、系统实时监控软件和调试诊断软件的基础上，研发基于CMC芯片的智能建筑与节能控制系统，进一步，搭建基于CMC的智能建筑与节能控制应用系统实验平台，开展基于CMC芯片智能建筑与节能控制系统示范应用。
2CMC背景
CMC芯片是将组态处理、程序存储、信号输入输出、控制算法、通信接口等功能全部集成在一个芯片中的产品。重点用于面向开关量控制、模拟量控制、运动控制、信息采集、工业无线、低功耗和分布控制等几个方面应用的片上控制，在单芯片上完整实现自动控制系统所具有的输入、输出、控制算法和工业通信功能。其主要功能包括：（1）基于IEC61131-3标准的逻辑控制；（2）基于JB/T3208-1999标准的运动控制；（3）数字量信号处理；（4）模拟量信号处理；（5）多种数据接口通信。
3基于CMC的智能建筑与节能控制应用系统平台构建
智能建筑与节能控制系统包括楼宇自动化、智能照明、停车诱导、安防、能源管理等子系统。因此，本研究首先应开发与自动控制、节能相关的CMC控制器，并开发相应软件，构建基于CMC的智能建筑与节能控制系统软硬件平台。进一步，基于CMC芯片的软件应用平台进行定制开发，完成建筑节能管控系统软件，软件对各设备进行能耗监测，并形成报表，建立节能评估平台，对各设备的节能效果及整个建筑节能效果进行评价，实现建筑的绿色节能运营。
3.1硬件平台构建
本研究基于CMC芯片，开展了无线车位检测器、无线烟雾报警器、无线智能插座、无线灯光控制执行器、微型低成本点位控制器、局域型点位控制器、区域型点位控制器等控制器的开发工作。这些控制器可以通过网络进行联网，各控制器的原理框图如图1所示。系统技术方案如图2所示，从图中可以看出：CMC控制器分两类，一类为简单应用而开发的无线检测控制单元，包括无线车位检测器、无线烟雾报警器、无线智能插座、无线灯光控制面板、无线灯光控制执行器、无线情景控制器；另一类为较复杂应用而开发的固定点位控制器，包括微型低成本点位控制器、局域型点位控制器、区域型点位控制器；微型低成本点位控制器用于小型独立设备的控制，局域型点位控制器用于新风机组、变频设备、电梯等中型设备控制器的控制，区域型点位控制器用于空调机组、多台新风机组、多台变频等大中型设备控制器。系统有线网络结构为以太网，计算机及触摸屏等设备通过网络直接与CMC控制器通信，不需要CPU模块转发；简单应用的检测控制单元基于CMC芯片工业无线网络接口以无线方式传输数据；固定点位控制器具备工业无线网络接口，各CMC无线检测单元通过无线网络接入固定点位控制器。
3.2软件平台构建
CMC芯片的软件应用平台架构设计如图3所示，常规的大型控制系统分为现场层网络、监控层网络与企业层网络等，基于CMC的软件应用平台处于监控层网络中，设计并开发CMC系统组态软件、CMC调试诊断软件、CMC系统实时监控软件、CMCOPC服务器软件。CMC系统组态软件和CMC调试诊断软件，实现对基于CMC芯片的控制器的程序编写与下载、变量调试、代码调试、故障诊断和参数配置等功能。CMCOPCDA服务器，为第三方监控系统实现对CMC现场层设备的数据访问，CMC控制系统设计通过开放OPC接口使其具备接入第三方系统的能力。CMC系统实时监控软件，分为监控组态、实时监控和实时数据库3个部分，依据系统的规模、管理与可靠性等要求，可将CMC系统实时监控软件单独安装到一台机器或者多台机器上。CMC软件与CMC控制器直接连接，支持TCP、UDP、串口3种方式，依据系统的控制器配置及系统应用环境进行选择。进一步，本研究在上述CMC芯片的软件应用平台基础上开发智能与节能管理软件，实现各个子控制系统的监测，以及节能效果的评估。该监控平台具体实现如下功能：（1）对各子系统的综合管理控制局域型点位控制器将各个子系统控制器的数据采集上来后进行集中调度和控制，上位机的智能与节能管理软件通过与控制器进行通讯，实现对各子系统设备的统一控制。（2）实时能耗监测与管理子系统通过各计量装置、数据采集器、管理系统（Web服务器），帮助用户建立实时能耗数据采集系统、能耗数据统计与分析系统、能源使用计划和能源对标系统。（3）实现安防联动控制通过智能与节能管理软件整体监测控制，实现对整个建筑的安防联动，包括：1）消防报警系统与楼宇自控系统的联动：消防报警系统与配电照明系统和通风系统的联动是在出现火警时关断相应层面的新风机组、风机盘管和配电照明，防止火情进一步扩展。2）消防报警系统内部联动：当出现火警后启动紧急广播和消防喷淋。3）消防报警系统与保安系统联动：当出现火警后可联动智慧卡读卡机电磁锁，打开出现火情层面的所有房门电磁锁，以确保人员的迅速疏散。4）停车场系统与其它系统联动：当停车场系统出现故障时，把镜头切换到事故现场。综上，该软件平台综合利用了计算技术、控制技术、通信与网络技术，为底层控制提供强大的远程监控和数据采集功能。实现实时数据库和历史数据库，通信服务器和HMI客户端的功能。
4示范应用及系统功能
本研究的成果及产品已完成面向医院、商业建筑等行业示范应用，以下选择某医院的智能楼宇系统进行详细介绍，该系统基于CMC芯片的控制器进行了控制方案及控制软件的设计，并进行了控制界面设计。作为示范应用，该院的医疗区智能化弱电系统由以下几个系统组成：空调机组、新风机组、送排风系统、冷源系统、水系统、温泉水系统、园林景观照明系统、建筑景观照明系统。各系统介绍如下：（1）空调系统监测参数：空调机组运行、故障、手/自动状态，新风温湿度、回风温湿度、送风温湿度，冷冻水回水温度，新风门开度、冷/热水阀开度，过滤网压差报警，空调机累计运行时间。1）模式控制：①点动控制选择时控开关，点击“点动”、“确定”，则可在空调机组自动的情况下，对空调机组进行单点控制；选择开关控制，点击“打开”、“确定”，机组在打开风门后将延时（15s）开启风机，并通过水阀对温度进行控制；注意：当风机在远程启动15s后仍未开启时，系统将会报“回检故障”，此时应到对应空调机房检查空调是否故障，在确认空调排除故障的情况下点击回检复位按钮“回检复位”，之后才可正常开启空调机组；②定时控制选择时控开关，点击“定时”、“确定”，在时间输入框中输入定时时间，则可在空调机组自动的情况，对空调机组进行定时控制。故障报警：当空调机组控制界面，故障报警由正常变为红色“故障”时，因考虑设备硬件故障，需前往现场查看电控箱接触器是否跳故障（建议按蓝色按钮，可复位故障），如还无法启动风机，需强电配合找出电控箱问题。（2）新风系统监测参数：新风机组运行、故障、手/自动状态，送风温湿度，冷冻水回水温度，新风门开度、冷/热水阀开度，过滤网压差报警，新风机累计运行时间。（3）送排风系统监测参数：送排风机运行、故障、手/自动状态，风机累计运行时间。（4）水系统生活水箱中的监测参数包括：生活水箱液位，生活变频水泵运行频率反馈、累计运行时间、变频器温度、故障报警，市政给水压力。中水池控制系统监测参数包括：中水水泵运行、故障、手/自动状态，频率反馈，累计运行时间；高尔夫喷淋泵运行、故障、手/自动状态，频率反馈，累计运行时间。集水井中进行控制、监测的数据有：集水井水泵运行、故障、手/自动状态，高低液位报警。
5总结
本研究根据智能建筑行业特点，基于自主研发的CMC芯片完成了无线车位检测器、无线烟雾报警器、无线智能插座、无线灯光控制执行器、微型低成本点位控制器、局域型点位控制器、区域型点位控制器等多款控制器的研发，进一步，借助CMC系统组态软件、系统实时监控软件和调试诊断等软件工具，搭建基于CMC的智能建筑与节能控制应用系统实验平台，开展基于CMC芯片智能建筑与节能控制系统示范应用，实现了就地控制相应设备（如暖通空调、送排风、给排水等）的智能监控与运行优化，为相关项目产品成果的推广应用奠定了良好的基础。相关的应用结果表明，CMC芯片具有接口丰富、简单易用、通用性强、软硬件平台稳定等优点，具有广泛的应用前景及市场价值。
作者：陈鹏 杨大胜 王天林 陈根 谢灿华 单位：浙江中控研究院有限公司
