基于iFIX5.1的电能管理系统工作台界面的开发

郭新兰

摘要：本文以传统写字楼为对象，分析了能源管理系统的结构和功能，提出了全新的系统设计方案。引入iFIX5.1组态软件开发平台，开发了人机界面和控制代码，实现楼宇中用电设备的状态监控与能耗采集功能，并可以自动生成实时报警、历史信息、历史曲线、报表，达到节省人力、提高安全水平和管理水平的目的，为用户创造一个高效、舒适、安全的管理环境。

Abstract： This paper analyzes the structure and function of energy management system with traditional office buildings and puts forward a new system design scheme. This paper introduces the iFIX5.1 configuration software development platform， develops the man-machine interface and control code， which can realize the state monitoring and energy consumption of the electrical equipment in the building and can automatically generate real-time alarm， historical information， historical curve and report form， so as to save manpower， improve safety and management level and create an efficient， comfortable and safe management environment for users.

关键词：电能管理系统；iFIX5.1组态软件；人机界面

Key words： power management system；iFIX5.1 configuration software；man-machine interface

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0216-04

0 引言

目前主要发达国家的建筑能耗均已占社会总能耗的1/3左右，我国建筑能耗比例虽然不及发达国家，但由于建筑市场的飞速发展，建筑能耗占总能耗比例逐年上升。资料显示，未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心等大型公共建筑会大幅度增加，在2020年前我国将新增约10亿m2大型公共建筑。而我国约90%以上的大型公共建筑是典型的耗（电）能大户，在能源需求日趨紧张的情况下，采用多种手段实现建筑电能管理是必然的选择。如何进行建筑能耗量化管理以及效果评估，降低建筑运行过程中所消耗的能量，包括照明、空调、动力、特殊设备等其他的能耗，从而降低运行成本，成为大楼业主最为关注的问题。

在电力系统中，SCADA系统最为广泛，技术发展也最成熟。它作为能量管理系统的最主要的一个子系统，有着信息完整、效率高、能正确掌握系统运行状态、可加快决策、能帮助快速诊断出系统故障状态等优势，现已成为电力系统不可缺少的工具。目前我国已具有相应的开发平台可以用来做电能管理，例如组态王、力控、紫金桥等组态软件。它们具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点，但只适用于点数较少的中小型系统，通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构，并不适用于要求过高的大型工程。国外的一些组态监控软件主要有美国GE的iFIX、德国西门子的WinCC、和英国的inTouch等。考虑到系统的稳定性和可靠性，通常使用国外有名的组态软件。

能源管理是节能减排量化数据的体现，起着举足轻重的作用。同时作为一种管理工具和手段，利用能源计量数据的采集、诊断、分析，实施有效管理，科学准确的计量数据能够指导建筑能源的利用，由此达到节能降耗的目的。

1 电能管理系统的设计

1.1 电能管理系统的概述

电能管理系统是按用户的需求，遵循配电系统的标准规范而二次开发的一套具有专业性强、自动化程度高、易使用、高性能、高可靠等特点的适用于低压配电系统的电能管理系统。通过遥测和遥控可以合理调配负荷，实现优化运行，有效节约电能，并有高峰与低谷用电记录，从而为能源管理提供了必要条件。同时对电能按照明插座用电、动力用电、空调用电、特殊用电进行分项计量，为企、事业单位电能节能审计提供依据。

1.2 电能管理系统功能的分析

根据楼宇中具体的用电设备，基于一定的平台对应的开发出一套对用电设备进行监控和数据采集的系统。该系统的主要功能包含人机交互界面、信息处理、报警、异常事件的存储、曲线及报表管理、后台数据库管理、用户权限管理、网络功能等。

人机交互界面：设计适合客户要求的交互界面；标准图元库，方便调用组合；实时数据采集和显示；数据信息的自动逻辑计算和处理；设备参数远程更改设定；合、分闸状态显示和强制操作。

信息处理：利用采集信息及特定方法进行计算；统计总功率、最大需量、开关次数；采集功率因数、设定上下限；记录负荷状况分析电能质量。

报警、异常事件的存储：报警实时显示与存储、系统运行记录存储、操作员的操作记录、历史报警的查询。

曲线及报表功能：客户要求的电参量的趋势曲线；正/反向、有/无功电度的历史趋势；设计满足客户需求的各种报表；自动生成电能计量的日、月报表；可根据常用的MS Excel设置模板并生成相应报表，使用户轻松使用；任意时刻前数据报表、显示并打印。

后台数据库管理：应用广泛的数据库软件如ACCESS、SQL SERVER、ORCLE；建立开放式、网络化数据库；存储指定年限或所有的数据信息；软件系统实现的动态链接库；实时数据信息更新安全可靠。

用户权限管理：密码登录后台，保证设置安全；高权限对低权限管理，分级操作，各权限均具修改密码功能。

网络功能：双机备份功能，支持双机、双网、双设备等冗余，并采用备份的形式确保系统稳定可靠的运行，配置简单、方便。网络上任意一台机器可指定为I/O服务器，网络上的其他机器可方便地从该机器上获取数据[1]。

1.3 系统方案总体设计

本系统将传统的写字楼的用电主要分为四个部分：照明插座用电、空调用电、动力用电、特殊用电。其中照明插座用电包含了普通照明灯组、应急照明灯组、插座负载的用电；空调用电包含风机用电、冷热水泵组的用电；动力用电包含了电扶梯的用电、生活水泵的用电；特殊用电主要用于不可断电的场合，如消防电梯、消防泵、消防照明和信息处理中心。如图1。

系统通过电力仪表采集各类用电设备的耗能数据，智能仪表将采集到的数据送到现场控制器中，然后由SCADA以以太网的方式通过I/O驱动软件与硬件建立通信（现场控制器），自动采集控制器中I/O地址中的数据，存储到后台数据库中，处理后可以写入到关系型数据库中备份在硬盘中，供日后工程师检修排查故障提供依据。同样后台数据库中的数据同样可以通过控件在系统开发画面中显示运行，实现数据与用电设备状态人机界面监控。

2 电能管理系统工作台界面的开发

2.1 主页设计

系统启动后自动登录GUEST用户启动主页画面运行，在主页显示本系统的全称，右上角显示的是系统的当前时间日期与当前登录用户名。

如图2，画面中有三个点击按钮，每个按钮做了安全区设置，分别为建筑LOGO，在用户有访问权限时点击进入系统；登录按钮，点击后弹出窗口用来注销当前用户与登录新用户；退出按钮，用户点击后弹出二次菜单选择是否退出系统。否则将提示当前用户没有访问权限，无法进入系统。点击登录后登录管理员账号，进入系统。

2.2 照明插座监控画面设计

右侧最大的部分就是监控的主画面，用来显示监控画面和功能画面。进入系统后设计为默认进入照明插座的监控画面，在照明插座的監控画面中主要有照明灯组、应急照明灯组和插座负载。其中普通照明灯组有十盏等组成，其控制方式分手动与自动两种方式，若选择自动模式则灯组的开关由自然光照度控制，如图5系统设置为当光照度大于200LX自动关闭，小于200LX时自动关闭灯组。若选择手动控制，如图6灯组的亮灭由右侧的数字量开关进行直接控制。

应急照明是在紧急情况下必须工作的照明灯组，这样才能保证在突发情况下，人员能够有效的安全快速的撤离。应急照明灯同样采用两种方式，及正常状态（Normal）与消防联动状态（Fire）。如图7正常状态下有数字量开关控制其工作状态，同样绿色为工作状态，红色为停止状态。若此时消防联动动作，如图8消防联动触点动作，应急照明为强制工作状态，无论开关处于闭合和断开位置，如图中的第二盏应急灯在正常状态下为关闭，消防联动为开启[3]。并且消防语音报警启动，通知人员撤离。

在每盏消防应急灯的下方同样设有每盏应急灯的能耗显示，右侧是紧急消防开关按钮，下方显示当前的消防状态与当前应急灯总能耗。

插座是每个写字楼不可缺少的用电装置，对于不同类型和功率的用电设备可分为三种类型：单项小负载、单项中等接地负载、三相负载。系统中单项负载用纯电阻代替，三相负载有三相电机代替。如图9所示。

点击负载右侧的数字量开关，关闭断开触点。负载绿色为工作中，红色为停止。此时图中的单项负载与三相负载正在工作，其能耗值在下方显示，并且右侧有插座负载的总能耗值。

画面中的负载工作状态以及触点的断开与闭合也是由前景色动画专家和可视动画专家完成。

2.3 空调用电监控画面设计

写字楼中的空调用电在整栋楼用电占中很大的比例，所以采取了单独监控。本系统采用空调系统为常用的变流量水系统风机盘管机组，其用电具体可分为风机用电、制冷机组、制热机组用电[3]。其空调的控制方式分为自动、手动两种，若采取自动方式，空调的开关由温度自动控制，当温度低于16摄氏度或高于26摄氏度时空调自动开启，并且通过室内温控器的判断自动开启关闭制冷热机组，其风机风速控制由右侧的旋钮手动控制。如图10所示。

3 系统功能画面设计与说明

3.1 实时报警画面设计

当系统有报警产生时，实时报警窗会对此进行分析处理，把具体信息提示给用户，做出相应的处理。

在报警画面中插入iFIX的AlarmSummaryOCX1控件，将数据库中已定义报警的数据块报警细则自动显示在画面中。举例说明数据块的报警定义，可选择报警区域、报警优先级、报警高低限。如图11和图12分别为空调温度的模拟量报警和动力急停按钮的数字量报警。

3.2 历史查询画面设计

系统的历史数据库包含历史报警、操作员的历史操作记录、系统运行历史记录。通过iFIX的ODBC报警驱动向第三方关系数据库写数据，保存至计算机的硬盘，供历史画面查询调出，为日后的故障排查与系统维护提供依据。查询画面如图13所示。

3.3 报表画面的设计

报表是企业管理的基本措施和途径，是企业的基本业务要求，也是大部分客户所要求的。报表可以帮助企业访问、格式化数据，并把数据信息以可靠和安全的方式呈现给使用者。深入洞察企业运营状况，是企业发展的强大驱动力。在本系统中报表分为日报与月报，主要是用来统计写字楼的每日和每月的用电能耗，为管理者提供参考。（图14）

4 系统的仿真与调试

4.1 仿真驱动

由于本系统开发并没有真实的控制器与现场设备，系统中的数据采集并没有连接到真实控制器的I/O地址中。本系统采用iFIX自身的仿真驱动SIM-Simulation Driver，通过对SIM驱动I/O地址寄存器的配置，编辑不同类型的标签名。如图15为SIM驱动的添加。

4.2 系统的调试

编好程序后，进行运行检查是否存在错误。作为程序的正确性不仅仅表现在正常功能的完成上，更重要的是对意外情况的正确处理。

设计程序写完后，点击运行后可能会出现提示出错，点击调试，仔细检查代码是否是数据类型定义错误或未定义、标签名使用错误等。如图16、图17为系统开发中遇到的部分错误。

目前系统已经能够很好的运转，但还是存在一些问题。iFIX软件过于庞大，对硬件系统要求过高，希望iFIX平臺能够不断的完善。

在与PLC通信，目前通信程序只是完成了数据的读取与写入功能，还有其他的，例如：对PLC进行实时控制，对冗余数据和错误数据的分析处理，数据传输超时处理等功能都需要进一步的编写代码，而且该通信程序以进程形式运行。下一步的目标就是开发出线程级的通讯程序，以进一步增强通讯速度和安全性。

5 总结

以GE iFIX作为平台开发电能管理系统，实现了对写字楼的电能的监控与管理。首先分析当今能源问题的严峻形势与国内外一些关于电能管理系统的发展，引入iFIX组态软件，充分发挥iFIX强大的易扩展性、分布结构、服务器的特性，针对写字楼中的不同类型的用电进行了对应的开发与说明。系统实现了楼宇用电设备状态监控以及数据采集，并拥有实时报警、历史数据查询、历史曲线、报表等强大功能，在楼宇能耗细则上为客户提供了更直观的依据。

参考文献：

[1]王华忠.监控与数据采集系统及应用[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]钱立湘.极易组态软件专业培训网[M].二版.2009.

[3]李界家.楼宇设备控制系统[M].北京：中国电力出版社，2011.

[4]李洪.智能大厦控制系统[M].北京：中国电力出版社，2007.

[5]魏立明.智能建筑电气技术与设计[M].北京：化学工业出版社.