智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)理論淺析

1、智能建築中的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)理論淺析& 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)也叫建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)(Buildi ngAutomatio nSystem簡(jiǎn)稱BAS)，是智能建築不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建築物內(nèi)的能源使用、環(huán) 境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)既安全可靠，又節(jié)約能源， 而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。2樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消 防、安全防範(fàn)等子系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BAS又可分為設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控 子系統(tǒng)和消防與安全防範(fàn)子系統(tǒng)， 如圖所示。一般情況下，這兩個(gè)子系統(tǒng)宜一同 納入BAS考慮，如將消防與安全防範(fàn)子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)

2、置，也應(yīng)與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)繫以便災(zāi)情發(fā)生時(shí)，能夠按照約定實(shí)現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一體化的協(xié)調(diào)控 制。建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：自動(dòng)監(jiān)視並控制各種機(jī)電設(shè)備的起、停，顯示或列印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。自動(dòng)檢測(cè)、顯示、列印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)或歷史數(shù) 據(jù)。根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終 運(yùn)行於最佳狀態(tài)。監(jiān)測(cè)並及時(shí)處理各種意外、突發(fā)事件。實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。能源管理：水、電、氣等的計(jì)量收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化。設(shè)備管理：包括設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行報(bào)表和設(shè)備維修管理等。3樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理樓控系統(tǒng)採(cǎi)用的是基於現(xiàn)代控制理論

3、的集散型電腦控制系統(tǒng)， 也稱分佈式控 制系統(tǒng)(Distributedcontrolsystems簡(jiǎn)稱DCS)b它的特徵是“集中管理分散控制”，即用分佈在現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備處的微型電腦控制裝置 (DDC完成被控設(shè)備的即時(shí)檢測(cè)和控制任務(wù)， 克服了電腦集中控制帶來(lái)的危險(xiǎn)性高度集中的不足和常規(guī) 儀錶控制功能單一的局限性。安裝於中央控制室的中央管理電腦具有CRT顯示、列印輸出、豐富的軟體管理和很強(qiáng)的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報(bào) 警、列印與優(yōu)化控制等任務(wù)， 避免了常規(guī)儀錶控制分散後人機(jī)聯(lián)繫困難、 無(wú)法統(tǒng) 一管理的缺點(diǎn)，保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。以下介紹與分佈控制系統(tǒng)相關(guān)的幾個(gè)概念。3.l 直接數(shù)字控制

4、系統(tǒng) (DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(Direct Digital Control簡(jiǎn)稱DDC如圖2所示。電腦 通過(guò)模擬量輸入通道 (AI) 和開(kāi)關(guān)量輸入通道 (DI) 採(cǎi)集即時(shí)數(shù)據(jù)，然後按照一定的 規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最後發(fā)出控制信號(hào)，並通過(guò)模擬量輸出通道(A0)和開(kāi)關(guān)量輸出通 道(DO)直接控制生產(chǎn)過(guò)程。因此DDC系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是電腦在工業(yè)生 產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用方式。DDC系統(tǒng)中的電腦直接承擔(dān)控制任務(wù)，因而要求即時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。311 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成 直接數(shù)字控制系統(tǒng)主要由過(guò)程輸入通道、 過(guò)程控制電腦、 過(guò)程輸出通道三部 分組成。過(guò)程輸入通道由模擬量輸入和數(shù)字量輸入

5、兩部分組成。 模擬量輸入通道由變 送器、採(cǎi)樣開(kāi)關(guān)、放大器、 AD 轉(zhuǎn)換器和介面電路組成。其中變送器的作用是 將非電量信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或 4-20mA 的直流電信號(hào)，它是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一數(shù)字量輸入通道由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、 光電耦合器和介面電路組成， 反映生產(chǎn)過(guò)程的通斷狀態(tài)的觸點(diǎn)信號(hào)， 經(jīng)過(guò)光電 耦合器和介面電路變換成數(shù)字信號(hào)送給電腦。過(guò)程控制電腦直接承擔(dān)運(yùn)算和控制任務(wù)， 首先通過(guò)過(guò)程輸入通道採(cǎi)集被控對(duì) 象的各種參數(shù)信號(hào)，再根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律(如PID)進(jìn)行運(yùn)算，然後向被控對(duì)象 發(fā)出控制信號(hào)，再通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。過(guò)程輸出通道由模擬

6、量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。 前者把電腦輸出的數(shù) 字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)， 再經(jīng)過(guò)放大器去驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實(shí) 現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。這一部分由介面電路、D/A轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。後者把電腦輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)， 經(jīng)放大器去驅(qū)動(dòng)電磁閥和繼電器執(zhí)行器， 它由 介面電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。312 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基本演算法按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、 應(yīng)用最為廣泛的一種基本規(guī)律，將PID控制規(guī)律離散化並在電腦上實(shí)現(xiàn)，可以方 便地利用已積累的成熟技術(shù)， 而且可以在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型或參數(shù)不很清楚的 情況下，經(jīng)過(guò)線上整定達(dá)到

7、滿意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的數(shù)字 PID演算法，已被工業(yè)過(guò)程電腦控制系統(tǒng)普遍採(cǎi)用，成為DDC系統(tǒng)的基本演算法。 數(shù)字PID控制演算法，模擬量調(diào)節(jié)器的理想 PID算式為 (附1)【見(jiàn)下圖】式中 e(t) 偏差 (設(shè)定值與實(shí)際輸出值之差 )u(t) 控制量K比例放大係數(shù)Ti 一積分時(shí)間常數(shù)Td微分時(shí)間常數(shù)寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式，則為(附 2)為了能在電腦上實(shí)現(xiàn)，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方 程。設(shè)了為採(cǎi)樣週期(與系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)相比，T足夠小)，k為採(cǎi)樣序號(hào)(k=0，1， 2， ,) ，可用矩形法計(jì)算而積以差分代替微分，即(附3)式中 e(k) 第 k 次採(cǎi)樣所得偏差值e(k-1

8、)第(k-1)次採(cǎi)樣所得偏差值u(k) 第 k 時(shí)刻的控制量上式中的採(cǎi)樣週期T越小(與系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)比較而言)，則被控過(guò)程與連續(xù)控 制過(guò)程越接近，又稱為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。32 分佈式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分佈式控制系統(tǒng)(Distributed Control Systems 簡(jiǎn)稱 DCS)20世紀(jì)於 70 年代中期出現(xiàn)並迅速發(fā)展起來(lái)， 它將電腦技術(shù)、 控制技術(shù)、 圖形顯示技術(shù)和通信 技術(shù)彙集於一體， 可對(duì)分散在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制， 又可方便地集中管理、 操作， 與以往的控制系統(tǒng)相比， 既避免了單臺(tái)電腦集中控制的不足， 又克服了常規(guī)儀錶 人機(jī)交互困難的缺點(diǎn)。分佈式控制系統(tǒng)的多臺(tái)微型電腦取代了集中控制系統(tǒng)

9、的單臺(tái)電腦， 從體系結(jié) 構(gòu)上分散了危險(xiǎn)性， 提高了可靠性。 其基本結(jié)構(gòu)功能如圖 3 所示，圖中現(xiàn)場(chǎng)控制 站、數(shù)據(jù)採(cǎi)集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控電腦和管理電腦通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) 被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，組成分級(jí)分佈控制系統(tǒng)。321 分佈式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是分佈式控制系統(tǒng)的支柱。 整個(gè)分佈式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 實(shí)質(zhì) 上是一個(gè)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)採(cǎi)集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控電腦 等都是這個(gè)網(wǎng)路上的“節(jié)點(diǎn)”，都含有CPU和網(wǎng)路介面，它們都有自己特定的網(wǎng) 路地址(節(jié)點(diǎn)號(hào)) ，可以通過(guò)網(wǎng)路發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 網(wǎng)路中的各節(jié)點(diǎn)處?kù)镀降鹊匚唬?既能共用資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又

10、使危險(xiǎn)分散的功能結(jié)構(gòu)， 網(wǎng)路的架構(gòu)區(qū)具有極大的伸縮性， 可擴(kuò)性很強(qiáng)， 可以滿足分佈式控制系統(tǒng)擴(kuò)充與 升級(jí)的需要，十分靈活、方便。控制網(wǎng)路特點(diǎn) 分佈式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)不同於通用電腦網(wǎng)絡(luò)，與一 般的通信網(wǎng)絡(luò)比較， 它有如下特殊要求： 有高可靠性和安全性， 要求傳遞的資 訊絕對(duì)準(zhǔn)確、可靠，為此常採(cǎi)用冗餘技術(shù)、後備措施和自診斷功能。如：控制站 採(cǎi)用雙CPU板，雙I /0板等。具有良好的即時(shí)性。對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。網(wǎng)路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)常用的有匯流排網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種 結(jié)構(gòu)中任意兩節(jié)點(diǎn)通信可直接通過(guò)網(wǎng)路進(jìn)行，各節(jié)點(diǎn)處?kù)镀降鹊匚?。網(wǎng)路通信協(xié)議 組成建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)，必須有一種大家都能接受並 且共同

11、遵守的工作語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)相互之間的對(duì)話，這就是數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。用於建築自動(dòng)化控制網(wǎng)路的BAC net協(xié)議由物理層、資料鏈路層、網(wǎng)路層和 應(yīng)用層組成，或相當(dāng)於開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型 (OSI) 的第一、二、三、七層協(xié)議， 如圖所示。其中：ARC net為令牌匯流排網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 2. 5-20bit / s,有良好的 即時(shí)性。MVTP是一種主/從令牌傳遞資料鏈路層技術(shù)，允許使用EIA-485硬體。BACnet實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠家自控系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的技術(shù)，即從一個(gè)“島”到另一個(gè)“島”之間進(jìn)行相互聯(lián)繫的技術(shù)。322 現(xiàn)場(chǎng)匯流排技術(shù)的應(yīng)用分佈式控制系統(tǒng) 的進(jìn)一步分散化現(xiàn)場(chǎng)匯流排概況 現(xiàn)場(chǎng)匯流排 (Fi

12、eldbus) 是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化 系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、 多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。 不同的現(xiàn)場(chǎng)匯流排遵循的協(xié)議 不同，介面標(biāo)準(zhǔn)不同，各具特色?，F(xiàn)場(chǎng)匯流排技術(shù)具有如下一些特點(diǎn)：以數(shù)字 信號(hào)取代4-20mA的模擬信號(hào)，極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，因此現(xiàn) 場(chǎng)匯流排具有很高的性能價(jià)格比。現(xiàn)場(chǎng)匯流排把處?kù)对O(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的智能儀錶(智能感測(cè)器、智能執(zhí)行器 ) 連成網(wǎng)路，使控制、報(bào)警、趨勢(shì)分析等功能分散到現(xiàn)場(chǎng) 儀錶，使控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分散化， 導(dǎo)致控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變化。 符合同一現(xiàn) 場(chǎng)匯流排標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的儀錶、 裝置可以聯(lián)網(wǎng)， 實(shí)現(xiàn)互操作， 不同標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)網(wǎng) 關(guān)或路由器也可互聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)匯流排控制系統(tǒng)

13、是一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)。LonWorks 技術(shù)LonWorks 是 一 種 完 全 分 佈 式 控 制 的 局 部 操 作 網(wǎng) (Local Operating Network LON技術(shù)。LonWorks網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元晶片、 收發(fā)器、固件和I /O介面電路組成。神經(jīng)元晶片(Neuron chip)是這種智能節(jié) 點(diǎn)的核心， 它由媒體訪問(wèn)控制處理器、 網(wǎng)路處理器和應(yīng)用處理器組成， 這就使得 節(jié)點(diǎn)既能管理網(wǎng)路通信，又具有控制功能。Neuron晶片方塊圖如圖5所示。晶片附有固件，該固件實(shí)現(xiàn) LonTalk 通信協(xié)議和所有的任務(wù)調(diào)度。 LonTalk 協(xié)議遵循世界標(biāo)準(zhǔn)組織ISO提出的開(kāi)放式互聯(lián)參考模型 O

14、SI，具有完整的7層協(xié) 議，管理網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的通信，分配節(jié)點(diǎn)地址，運(yùn)行內(nèi)含的衝突檢測(cè)回避演算法， 控制物理電氣的連接等。 LonTalk 協(xié)議對(duì)應(yīng)於 OSI 參考模型相應(yīng)層所提供的服 務(wù)見(jiàn)表 1。Neuron 晶片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪問(wèn)控制處理器和網(wǎng)路處理 器，Lon Talk協(xié)議固化在晶片的ROM中，使得Lo nWorks的微型節(jié)點(diǎn)無(wú)需中心結(jié) 構(gòu)的完全分佈式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀錶。LonWorks 網(wǎng)路，可以採(cǎi)用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、 光纜、無(wú)線電、紅外線，並且提供與上述多種媒體相適應(yīng)的收發(fā)器，這使得同一 網(wǎng)路中的信號(hào)可以在不同的媒體之間傳輸， 因

15、而可以根據(jù)需要組網(wǎng)， 不同媒體之 間以路由器進(jìn)行連接。LonMark是為了避免衆(zhòng)多製造商以不同的含義來(lái)解釋Lo nWorks技術(shù)，保證不同 的產(chǎn)品能夠方便地集成一起， 以便構(gòu)成一個(gè)真正開(kāi)放的系統(tǒng)， 而制定的一個(gè)行業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)。（3）分佈式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步分散化 傳統(tǒng)的分佈式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)控制站這一級(jí)依然是一個(gè)集中式結(jié)構(gòu)， 而現(xiàn)在 的分佈式控制系統(tǒng)是在原有分佈式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，採(cǎi)用Lon Works現(xiàn)場(chǎng)匯流排的建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的新系統(tǒng)，如圖6所示，圖中標(biāo)準(zhǔn)LAN為原有的分佈式控制系統(tǒng)，使用BAC net協(xié)議，以利於實(shí)現(xiàn)多種供應(yīng)商的不同類型的子 系統(tǒng)之間的通信資訊交換，把具有控制功能的各個(gè)

16、島連成一個(gè)整體。新增的Lon Works現(xiàn)場(chǎng)匯流排使用Lon Talk協(xié)議，把控制功能進(jìn)一步分散到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀錶， 標(biāo)準(zhǔn)LAN與現(xiàn)場(chǎng)匯流排之間的路由器相聯(lián)。這樣 BACnet和LonMark兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)互 相補(bǔ)充，互為依託，構(gòu)成一個(gè)完全分散的、真正開(kāi)放的建築設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)。4 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展歷史及相關(guān)產(chǎn)品簡(jiǎn)介樓宇設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)曆了四代產(chǎn)品：第一代：CCM中央監(jiān)控系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代產(chǎn)品）BAS從儀錶系統(tǒng)發(fā)展成電腦系統(tǒng)，採(cǎi)用電腦鍵盤(pán)和 CRT構(gòu)成中央站，印表機(jī) 代替了記錄儀錶，散設(shè)於建築物各處的資訊採(cǎi)集站DGP連接著感測(cè)器和執(zhí)行器等設(shè)備）通過(guò)匯流排與中央站連接在一起組成中央監(jiān)控型自動(dòng)化系統(tǒng)。DGP分站的功能只是上傳現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備資訊， 下達(dá)中央站的控制命令。 一臺(tái)中央電腦操縱著整 個(gè)系統(tǒng)的工作。中央站採(cǎi)集各分站資訊，作出決策，完成全部設(shè)備的控制，中央 站根據(jù)採(cǎi)集的資訊和能量計(jì)測(cè)數(shù)據(jù)完成節(jié)能控制和調(diào)節(jié)。第二代：DCS集散控制系統(tǒng)（20世紀(jì)80年代產(chǎn)品）隨著微處