0 引 言

光伏与建筑一体化并网发电系统具有节能、经济、美观等优点，是零能耗建筑能源获取的趋势。采用舒适度调节和智能控制系统，对住宅的主动式和被动式设备进行控制，可有效降低建筑能耗[1]。零能耗建筑的设计重点和难点在于对节能、建筑物理环境调控及能源自给的综合管控。国内的光伏与建筑一体化尚处于起步阶段，设计一个可持续零碳示范单元，对于国内建筑发展和改善能源结构有重要的示范意义。

本文设计了一种零能耗小屋光储微网与智能系统，通过智能控制实现了光伏并网发电量与耗电平衡，系统稳定高效。

1 系统总体设计

1.1 零能耗小屋

示范单元位于北京顺义某小区中央位置，共占地220 m2，四周视野开阔且阳光充裕。示范单元主要由3个相互独立的房间和设备间构成。3个独立房间顶部和房间两侧均装有太阳能电池板，设备间屋顶装有太阳能集热器。

人类命运共同体思想源于中国共产党人对人类社会发展规律的新思考。人类社会发展虽然存在多种发展路径，尽管各个国家往往处于不同发展阶段，但归根结底是命运相关、休戚与共的整体。人类文明尽管存在各种各样的差异和矛盾，常常出现对立和冲突，但本质上是彼此牵连、无法分离和互通互鉴的。各国人民早已在经济、社会、文化等诸多领域，建立起相互影响和彼此倚重的密切联系的命运共同体。

1.2 节能控制系统总体设计

为了房间的智能控制和居民的安全，构建了2个相互独立的控制系统：房间舒适度控制系统和中央控制系统。舒适度控制系统由传感器模块可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)和被控器件等组成。中央控制系统包括PLC、光储微网控制模块和人机交互模块等[2]。为了方便数据的交换，主控制器选择施耐德M218系列PLC：M218LDAE40DRPHN和M218LDAE24DRHN。2种PLC均包含以太网接口，RS—485接口，具有可扩张的功能。区别在于I/O点数的不同，前者含有24个数字输入端口和16个数字输出端口，作为设备间的主控制器。后者仅含有14个输入和10个输出，作为房间的主控制器。

PAC采用多线程和模块化方式进行编程。与PLC的数据交换，PAC分别开启一个线程，提高数据传输效率、降低延时。PAC的程序主要包括与PLC数据交换的子程序模块、与GROOV数据交换的子程序模块、交换网关数据模块子程序和读取传感器的子程序模块等。

如图1所示，系统分为设备层、控制层和信息层。设备层是系统的底层，包括传感器模块和具体被控器件，如遮阳模块、百叶模块和空调等。控制层是系统的控制中心，包括PLC，可编程自动控制器(programmable automation controller,PAC)、逆变器模块和网络摄像头等。信息层是系统人机交互和远程发布的平台，包括触摸屏、Groov服务器和路由器等。

如图2，光储微网系统包含光伏发电模块、储能系统、逆变器和微网控制器组成。结合当地的地形和天气的特点，光伏发电模块采用多晶硅的光伏组件和双波组件及薄膜组件，系统装机总容量达14.5 kW。由于光伏电池出端电压较低且存在较大的波动性，要选择升压 Boost 型 DC/DC变换器，实现升压、稳压及最大功率跟踪功能，通过光伏并网逆变器与 公共连接点(point of common coupling,PCC) 交流母线相连[3]。系统直接采用ABB公司的光伏并网逆变器完成直流到交流的转换。逆变器控制器RCC—02通过Modbus协议实现对逆变器数据采集，并且通过TCP/IP协议发送到组态触摸屏中，实现实时显示光伏发电量[4]、电压和电流。

图1 系统整体结构框图

2 硬件设计

2.1 光储微网系统设计

很长一段时间以来，丙戊酸一直是JME的首选用药，大多数患者用丙戊酸单药或丙戊酸联合其它药物可有效控制[23]，其作用机制：1）抑制钠通道，减少神经元持续高频放电；2）增加GABA合成酶活性。丙戊酸类药物常见副作用为困倦，还可引起体质量增加、月经紊乱、脱发、导致畸胎等，不推荐用于一些女性患者，尤其孕妇及备孕女性[24]。同时丙戊酸钠还会抑制代谢酶而干扰其他药物的代谢，如P450酶。

图2 光储微网结构

系统的软件设计主要包括PLC控制逻辑的设计、PAC的程序的设计、触摸屏的组态设计和GROOV服务器界面的设计与脚本的编写。

图2为光储微网结构，TRIO为光伏板组件，UNO为光伏薄膜玻璃组件，PVI为光伏双波组件。

5.应激。怀孕和分娩后的母猪对环境变化非常敏感，无论气温骤变、运动、拥挤、滑跌、跑跳等都是不良的刺激因素。病猪主要表现为呼吸急促，采食减少，喜欢饮水及滚粪尿等。

中央控制系统主要由PLC、微网控制模块、室外传感模块、太阳能热水模块、空调控制模块等组成。如图3所示，系统采用模块化设计，以PLC作为主控制器，通过Modbus协议读取室外传感模块和双向电表数据。

2.2 中央控制系统设计

业缘关系的精神激励重点是人心——“心”跟“心”的和谐。人在哪里重要，心在哪里更重要。作为领导，要将员工的认知、需求、情感和行为状况装进心里，靠“心”交流，用行动来表明心迹；要用爱的情怀拨动员工的心弦，用爱的信息激发员工的情感，用爱的情境启迪员工的思维；要让员工参与管理，使员工感到受尊重、被关注，从而形成归属感，激发主人翁意识。作为员工，要用良好的心态，了解领导的工作目标、工作压力、工作方式、为人处世的特点、性格和脾气秉性，以及领导希望从员工那里看到的工作方式、支持和协助等；要做到理解、支持领导，恰当鼓励，利用自身优势帮助领导解决难题。这是双赢的做法。

图3 中央控制系统设计框图

太阳能热水模块由太阳能集热器、水泵、室内储热水箱、温度传感器、压力传感器和2个电磁阀等组成。太阳能集热器为全玻璃管真空集热管，将光能直接转化为热能。当PLC的A/D模块接收的水箱压力传感器值过低或过高时，进行上水或排空。图4为太阳能热水与空调运动模块，当集热器顶部温度T1较水箱温度高10 ℃时，开启采暖循环泵P1运行太阳能热水模块；当T1-T3<3 ℃时，关闭P1。

空调控制模块，由空调、末端循环泵和三通阀等组成。空调模块主要用于对中央空调和冷热交换的水循环系统控制。PLC与空调采用Modbus协议进行通信，PLC发送特定的时序实现中央空调模式的切换、温度控制等功能。

图4中，当设备间水箱温度T3达到标准时，PLC将三通阀打开至OPEN挡位，使空调循环水的回水通过水箱，并加热。当温度T3不满足条件时，三通阀调至SHUT挡位，使空调循环水不经过水箱。合理的控制设备间水箱对空气源热泵回水进行加热，减少了空调功率和运行时间。

图4 太阳能热水与空调运行界面

2.3 房间环境控制系统设计

房间控制系统，主要包括温湿度传感器、照度传感器、CO2传感器、PM2.5传感器、PLC、电磁阀、窗帘/百叶控制器等。如图5所示，通过采集的室内外环境数据的变化，PLC控制各个模块协同工作，完成环境舒适的目标。

图5 房间控制系统设计框图

PLC的AD模块输出4～20 mA的电流信号控制进水电磁阀的开度，进而控制风机出气温度值。为了满足房间的舒适度，采用比例—积分—微分(proportion integration differentiation,PID)算法对房间内的温度、CO2浓度和PM2.5进行控制[6]。房间内的温度和设定值作为程序中PID模块的输入，模块的输出对应电磁阀电流信号，实现对室内温度闭环控制。通过工程镇定的方法调节PID模块的参数，最终使得超调量小于20 %，稳态误差小于1 ℃。对于室内的PM2.5和CO2浓度，采用相同的方式控制风阀和空气过滤装置，达到设定值。当室内湿度大于指定范围时，PLC发送信号，开启室内的除湿机，降低室内的湿度；当室内湿度低于设定值时，开启加湿器，增加室内的湿度[6]。

由于房间内灯光调节器采用iBus协议进行控制，因此，网关采用LogicMachineII 模块实现 ibus总线和 PLC 标准 Modbus-TCP 通信之间的互联。当室内照度低于150 Lux时，PAC发送增加灯光亮度命令至灯光调节器，当室内照度大于160 Lux时，停止提高室内灯光的亮度。当室内照度大于500 Lux时，PLC的I/O端口QX0.5输出1，室内的百叶从顶部向下打开；当照度小于400 Lux时，百叶关闭。红外传感器检测到有人进入房间时，渐变的调节灯光亮度，使室内照度达到设定值。当红外传感器检测到无人时，房间控制系统进入休眠模式，降低房间内的能耗。

2.4 数据交换与人机交互设计

通过映翰通IR700工业级路由器、交换机、以太网供电(power over Ethernet,POE)交换机和面板式AP路由器构建一个以太网。IR700路由器的WAN口连接固定IP的共网并且对以太网里的设备进行端口映射。通过公网IP和对应的端口号，直接对现场的设备和服务器进行实时访问。

房间人机交互包括基于网络的人数交互界面(human-data interaction,HDI)和人机交互界面(human machine interaction,HMI)[8]。利用奥普图公司的GROOV服务器完成HDI，即通过手机或者电脑浏览器对房间里的数据显示和控制。PLC作为下位机与上位机触摸屏进行数据交换，实现良好的实时HMI。

PAC控制器作为PLC的上位机，而GROOV服务器作为PAC的上位机。GROOV服务器具体登入操作编辑流程如图6所示。

图6 GROOV服务器登入流程

3 软件设计

储能系统包含多块串联的蓄电池，有较高的电压等级，通过逆变器直接与交流母线相连。为了防止蓄电池的长期浮充和提高安全性，储能系统设计了蓄电池在线维护系统,实时显示电压电流的状态和对电池进行微充电与微放电操作，并将电池参数发送到组态触摸屏中。

3.1 PLC控制逻辑设计

采用SoMachine V4.1 SP2软件用梯形图编写PLC的逻辑，主要包括中央控制系统程序、房间环境控制程序和数据采集程序等。中央控制系统程序主要根据传感器采集的参数，合理的控制各模块、泵、电磁阀和风机等协同工作。房间环境控制程序主要根据室内外的传感器的数值，智能的控制室内的百叶、遮阳帘、电磁阀和灯具等合理的动作。

取对数生长期K562和KG1a细胞，以1×108/L的密度接种。加入60 μmol/L Rh2-S诱导细胞24 h，收集各组细胞，预冷PBS洗涤2次，75%乙醇固定过夜，用PI试剂染色，预冷PBS洗涤2次，流式细胞仪分析细胞周期。实验重复3次。

3.2 PAC控制逻辑和网关程序设计

企业全面预算管理工作对保障后续各项工作合理开展具有重要意义，但是在当前全面预算工作开展过程中，受到各方面因素的影响，例如预算执行和管理过程中的科学性不足，以及员工对全面预算管理工作的重视程度不足等，导致预算目标在实现过程中需要面对诸多困难。同时许多预算考核标准并没有对应科学的奖惩措施，因而不能发挥应有的效力，导致预算工作开展受到阻碍。

LogicMachineII 模块通过特有的Lua语言编程，实现iBus协议和Modbus之间的数据传输。

3.3 触摸屏和GROOV服务器设计

触摸屏软件主要包括触摸屏界面设置、变量的建立和脚本编写。采用昆仑通态的TPC7062 系列触摸屏，利用MCGS[8]嵌入版7.7进行组态界面的设计和脚本的编写。设备间的触摸屏的界面主要包括主控界面、光伏发电界面、能耗电表界面、空调系统界面、数据导出界面等；房间环境触摸屏的界面主要包括主控界面、照明控制界面、温度控制界面、窗帘百叶控制界面和新风控制界面等。触摸屏编写脚本，完成历史数据的存储。

GROOV服务器通过浏览器对界面进行在线设计和脚本的编写。GROOV服务器的界面和功能与触摸屏的大致相同。此外，GROOV服务器嵌入网络摄像头的画面，实现实时监控[9]。

4 测试分析

根据一年实际运行的情况，光伏发电系统全年发电量为11 968 kW·h，小屋智能控制系统全年耗电量为8 067 kW·h，盈余为3 901 kW·h，基本满足了零能耗设计要求。经过冬季运行数据显示，太阳能热水模块运行运行1 h，可降低空调系统能耗0.8 kW·h。2016年冬季，太阳能共运行720 h，节省电能约576 kW·h。

图7为工作时间的温湿度变化曲线可知，温度基本维持在21,23 ℃之间，与设定的22 ℃偏差不超过1 ℃，满足设计要求。室内湿度基本维持在40 %～60 %RH之间，符合设计要求。

图7 室内温湿度曲线

5 结束语

光伏发电与家具智能控制的结合不仅提高了系统节能的效率，也为家居系统的节能提供了一个新的思路和方向。自项目投入使用以来，系统一直处于稳定、高效的运行状态，光伏板日平均发电量为32.8 kW·h，系统平均日耗电量为22.1 kW·h，基本达到了零能耗的标准。太阳能热水系统和休眠模式的使用，有效降低了系统的能耗。采用的2种人机交互方式HDI与HMI方便了生活需求控制；对房间环境的调节，大幅提高了房间的舒适度。

(1)淮南、铜陵和芜湖在环境保护方面的情况并不太乐观，应该在减少污染物排放和加强环境治理方面多下功夫，在环境方面加大投资和建设力度，着力改善生态环境。

参考文献:

[1] 陆连强,郑将辉.零能耗小屋能源管理与智能监控系统的设计与实现[J].自动化应用，2014(4):89-92.

[2] 令 荣.基于PLC和触摸屏的开放式立体车库控制系统设计[D].兰州：兰州交通大学,2014.

[3] 徐少华,李建林.光储微网系统并网/孤岛运行控制策略[J].中国电机工程学报,2013(34):6,25-33.

[4] 陈昌松.光伏微网的发电预测与能量管理技术研究[D].武汉：华中科技大学,2011.

[5] 王玉勤,许雪艳.基于免疫PID算法的吊车—双摆系统控制设计[J].控制工程,2016(6):895-900.

[6] 邢孔祖.考虑室内空气品质的新风独立除湿系统优化运行控制研究[D].广州：华南理工大学,2016.

[7] 韩 冰.医疗设备中的人机交互设计研究[D].北京：北方工业大学,2016.

[8] 孟 臣.基于MCGS和MATLAB的TPMS动态试验系统的研究与设计[D].淄博：山东理工大学,2010.

[9] 李宇光,刘 强,赵 龙,等.电网实时监控的可视化技术探讨[J].科技传播,2016(3):83-87.