智能建筑樓宇自動化系統(tǒng)理論淺析

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

2、置，也應與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)繫以便災情發(fā)生時，能夠按照約定實現(xiàn)操作權轉移，進行一體化的協(xié)調(diào)控 制。建築設備自動化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：自動監(jiān)視並控制各種機電設備的起、停，顯示或列印當前運轉狀態(tài)。自動檢測、顯示、列印各種機電設備的運行參數(shù)及其變化趨勢或歷史數(shù) 據(jù)。根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負載變化情況自動調(diào)節(jié)各種設備，使之始終 運行於最佳狀態(tài)。監(jiān)測並及時處理各種意外、突發(fā)事件。實現(xiàn)對大樓內(nèi)各種機電設備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現(xiàn)能源管理自動化。設備管理：包括設備檔案、設備運行報表和設備維修管理等。3樓宇自動化控制系統(tǒng)的原理樓控系統(tǒng)採用的是基於現(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簡稱DCS)b它的特徵是“集中管理分散控制”，即用分佈在現(xiàn)場被控設備處的微型電腦控制裝置 (DDC完成被控設備的即時檢測和控制任務， 克服了電腦集中控制帶來的危險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的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報 警、列印與優(yōu)化控制等任務， 避免了常規(guī)儀錶控制分散後人機聯(lián)繫困難、 無法統(tǒng) 一管理的缺點，保證設備在最佳狀態(tài)下運行。以下介紹與分佈控制系統(tǒng)相關的幾個概念。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簡稱DDC如圖2所示。電腦 通過模擬量輸入通道 (AI) 和開關量輸入通道 (DI) 採集即時數(shù)據(jù)，然後按照一定的 規(guī)律進行計算，最後發(fā)出控制信號，並通過模擬量輸出通道(A0)和開關量輸出通 道(DO)直接控制生產(chǎn)過程。因此DDC系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，是電腦在工業(yè)生 產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。DDC系統(tǒng)中的電腦直接承擔控制任務，因而要求即時性好、可靠性高和適應性強。311 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成 直接數(shù)字控制系統(tǒng)主要由過程輸入通道、 過程控制電腦、 過程輸出通道三部 分組成。過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、採樣開關、放大器、 AD 轉換器和介面電路組成。其中變送器的作用是 將非電量信號變換成標準電信號，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或 4-20mA 的直流電信號，它是通過A/D轉換器來實現(xiàn)的。一數(shù)字量輸入通道由開關觸點、 光電耦合器和介面電路組成， 反映生產(chǎn)過程的通斷狀態(tài)的觸點信號， 經(jīng)過光電 耦合器和介面電路變換成數(shù)字信號送給電腦。過程控制電腦直接承擔運算和控制任務， 首先通過過程輸入通道採集被控對 象的各種參數(shù)信號，再根據(jù)預定的控制規(guī)律(如PID)進行運算，然後向被控對象 發(fā)出控制信號，再通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構。過程輸出通道由模擬

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) 字控制信號轉換成模擬電壓或電流信號， 再經(jīng)過放大器去驅(qū)動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實 現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。這一部分由介面電路、D/A轉換器，放大器和執(zhí)行器組成。後者把電腦輸出的開關信號， 經(jīng)放大器去驅(qū)動電磁閥和繼電器執(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)進行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟、 應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現(xiàn)，可以方 便地利用已積累的成熟技術， 而且可以在被控對象的數(shù)學模型或參數(shù)不很清楚的 情況下，經(jīng)過線上整定達到

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)過程電腦控制系統(tǒng)普遍採用，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)【見下圖】式中 e(t) 偏差 (設定值與實際輸出值之差 )u(t) 控制量K比例放大係數(shù)Ti 一積分時間常數(shù)Td微分時間常數(shù)寫成傳遞函數(shù)形式，則為(附 2)為了能在電腦上實現(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。設了為採樣週期(與系統(tǒng)時間常數(shù)相比，T足夠小)，k為採樣序號(k=0，1， 2， ,) ，可用矩形法計算而積以差分代替微分，即(附3)式中 e(k) 第 k 次採樣所得偏差值e(k-1

8、)第(k-1)次採樣所得偏差值u(k) 第 k 時刻的控制量上式中的採樣週期T越小(與系統(tǒng)時間常數(shù)比較而言)，則被控過程與連續(xù)控 制過程越接近，又稱為“準連續(xù)控制”。32 分佈式控制系統(tǒng)的體系結構分佈式控制系統(tǒng)(Distributed Control Systems 簡稱 DCS)20世紀於 70 年代中期出現(xiàn)並迅速發(fā)展起來， 它將電腦技術、 控制技術、 圖形顯示技術和通信 技術彙集於一體， 可對分散在現(xiàn)場的設備進行控制， 又可方便地集中管理、 操作， 與以往的控制系統(tǒng)相比， 既避免了單臺電腦集中控制的不足， 又克服了常規(guī)儀錶 人機交互困難的缺點。分佈式控制系統(tǒng)的多臺微型電腦取代了集中控制系統(tǒng)

9、的單臺電腦， 從體系結 構上分散了危險性， 提高了可靠性。 其基本結構功能如圖 3 所示，圖中現(xiàn)場控制 站、數(shù)據(jù)採集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控電腦和管理電腦通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡 被有機地結合起來，組成分級分佈控制系統(tǒng)。321 分佈式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡是分佈式控制系統(tǒng)的支柱。 整個分佈式控制系統(tǒng)的結構， 實質(zhì) 上是一個網(wǎng)路結構，現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)採集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控電腦 等都是這個網(wǎng)路上的“節(jié)點”，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)點號) ，可以通過網(wǎng)路發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 網(wǎng)路中的各節(jié)點處於平等地位， 既能共用資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又

10、使危險分散的功能結構， 網(wǎng)路的架構區(qū)具有極大的伸縮性， 可擴性很強， 可以滿足分佈式控制系統(tǒng)擴充與 升級的需要，十分靈活、方便?？刂凭W(wǎng)路特點 分佈式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡不同於通用電腦網(wǎng)絡，與一 般的通信網(wǎng)絡比較， 它有如下特殊要求： 有高可靠性和安全性， 要求傳遞的資 訊絕對準確、可靠，為此常採用冗餘技術、後備措施和自診斷功能。如：控制站 採用雙CPU板，雙I /0板等。具有良好的即時性。對環(huán)境適應性強。網(wǎng)路拓撲結構 建築設備自動化系統(tǒng)常用的有匯流排網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種 結構中任意兩節(jié)點通信可直接通過網(wǎng)路進行，各節(jié)點處於平等地位。網(wǎng)路通信協(xié)議 組成建築設備自動化系統(tǒng)，必須有一種大家都能接受並 且共同

11、遵守的工作語言來實現(xiàn)相互之間的對話，這就是數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準。用於建築自動化控制網(wǎng)路的BAC net協(xié)議由物理層、資料鏈路層、網(wǎng)路層和 應用層組成，或相當於開放系統(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 即時性。MVTP是一種主/從令牌傳遞資料鏈路層技術，允許使用EIA-485硬體。BACnet實現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠家自控系統(tǒng)之間進行通信的技術，即從一個“島”到另一個“島”之間進行相互聯(lián)繫的技術。322 現(xiàn)場匯流排技術的應用分佈式控制系統(tǒng) 的進一步分散化現(xiàn)場匯流排概況 現(xiàn)場匯流排 (Fi

12、eldbus) 是連接智能現(xiàn)場設備和自動化 系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、 多分支結構的通信網(wǎng)絡。 不同的現(xiàn)場匯流排遵循的協(xié)議 不同，介面標準不同，各具特色?，F(xiàn)場匯流排技術具有如下一些特點：以數(shù)字 信號取代4-20mA的模擬信號，極大地提高了信號轉換的精度和可靠性，因此現(xiàn) 場匯流排具有很高的性能價格比?，F(xiàn)場匯流排把處於設備現(xiàn)場的智能儀錶(智能感測器、智能執(zhí)行器 ) 連成網(wǎng)路，使控制、報警、趨勢分析等功能分散到現(xiàn)場 儀錶，使控制結構進一步分散化， 導致控制系統(tǒng)體系結構的變化。 符合同一現(xiàn) 場匯流排標準的不同廠家的儀錶、 裝置可以聯(lián)網(wǎng)， 實現(xiàn)互操作， 不同標準通過網(wǎng) 關或路由器也可互聯(lián)，現(xiàn)場匯流排控制系統(tǒng)

13、是一個開放式系統(tǒng)。LonWorks 技術LonWorks 是 一 種 完 全 分 佈 式 控 制 的 局 部 操 作 網(wǎng) (Local Operating Network LON技術。LonWorks網(wǎng)路節(jié)點由神經(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) 點的核心， 它由媒體訪問控制處理器、 網(wǎng)路處理器和應用處理器組成， 這就使得 節(jié)點既能管理網(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，該固件實現(xiàn) LonTalk 通信協(xié)議和所有的任務調(diào)度。 LonTalk 協(xié)議遵循世界標準組織ISO提出的開放式互聯(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)點的通信，分配節(jié)點地址，運行內(nèi)含的衝突檢測回避演算法， 控制物理電氣的連接等。 LonTalk 協(xié)議對應於 OSI 參考模型相應層所提供的服 務見表 1。Neuron 晶片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪問控制處理器和網(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)點無需中心結 構的完全分佈式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場級儀錶。LonWorks 網(wǎng)路，可以採用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、 光纜、無線電、紅外線，並且提供與上述多種媒體相適應的收發(fā)器，這使得同一 網(wǎng)路中的信號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 間以路由器進行連接。LonMark是為了避免衆(zhòng)多製造商以不同的含義來解釋Lo nWorks技術，保證不同 的產(chǎn)品能夠方便地集成一起， 以便構成一個真正開放的系統(tǒng)， 而制定的一個行業(yè) 標準。（3）分佈式控制系統(tǒng)的進一步分散化 傳統(tǒng)的分佈式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場控制站這一級依然是一個集中式結構， 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)的基礎上，採用Lon Works現(xiàn)場匯流排的建築設備自動化系統(tǒng)發(fā)展起來的新系統(tǒng)，如圖6所示，圖中標準LAN為原有的分佈式控制系統(tǒng)，使用BAC net協(xié)議，以利於實現(xiàn)多種供應商的不同類型的子 系統(tǒng)之間的通信資訊交換，把具有控制功能的各個

16、島連成一個整體。新增的Lon Works現(xiàn)場匯流排使用Lon Talk協(xié)議，把控制功能進一步分散到現(xiàn)場級儀錶， 標準LAN與現(xiàn)場匯流排之間的路由器相聯(lián)。這樣 BACnet和LonMark兩項標準互 相補充，互為依託，構成一個完全分散的、真正開放的建築設備自動化系統(tǒng)。4 樓宇自動化系統(tǒng)設備的發(fā)展歷史及相關產(chǎn)品簡介樓宇設備自動化系統(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70年代產(chǎn)品）BAS從儀錶系統(tǒng)發(fā)展成電腦系統(tǒng)，採用電腦鍵盤和 CRT構成中央站，印表機 代替了記錄儀錶，散設於建築物各處的資訊採集站DGP連接著感測器和執(zhí)行器等設備）通過匯流排與中央站連接在一起組成中央監(jiān)控型自動化系統(tǒng)。DGP分站的功能只是上傳現(xiàn)場設備資訊， 下達中央站的控制命令。 一臺中央電腦操縱著整 個系統(tǒng)的工作。中央站採集各分站資訊，作出決策，完成全部設備的控制，中央 站根據(jù)採集的資訊和能量計測數(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80年代產(chǎn)品）隨著微處