樓宇自控

智能建築(Intelligent Buildings)是建築技術與計算機信息技術相結合的產物，是信息社會與經濟國際化的需要。智能建築主要有樓宇自動化控制系統( BAS)、通信自動化系統(CAS)和辦公自動化系統(OAS)三大系統組成。智能建築往往是從樓宇自動化控制系統開始。智能建築內部有大量的電氣設備，如：環境舒適所需要的空調設備、照明設備及給排水系統的設備等，這些設備多而散：多，即數量多被控制、監視、測量的對象多，多達上百到上萬點；散，即這些設備分散在各層和角落。如果採用分散管理，就地控制，監視和測量難以想象。為了合理利用設備，節省能源，節省人力，確保設備的安全運行，自然提出瞭如何加強設備的管理問題。

在二十一世紀的今天，隨着計算機技術和信息技術突飛猛進的發展。對大樓內的各種設備的狀態監視和測量不再是隨線式，而是採用掃描測量。系統控制的方式由過去的中央集中監控，轉而由高處理能力的現場控制器所取代的集—散型控制系統，中央機以提供報表和應變處理為主，現場控制器以相關參數自動控制相關設備，來達到控制目的。對建築設備用計算機管理系統來代替操作人員，或作其補充措施，是一種自然發展。自動控制技術經過簡單的機械控制器控制、常規儀表控制，進入一個嶄新的階段——計算機控制。

近年來國內高層建築不斷興建，它的特點是高度高、層數多、體量大。面積可達幾萬平方米到幾十萬平方米。這些建築都是一個個龐然大物，高高的聳立在地面上，這是它的外觀，而隨之帶來的內部的建築設備也是大量的。為了提高設備利用率，合理地使用能源，加強對建築設備狀態的監視等，自然地就提出了樓宇自動化控制系統。

樓宇自動化控制系統能夠自動控制建築物內的機電設備。通過軟件，系統地管理相互關聯的設備，發揮設備整體的優勢和潛力，提高設備利用率，優化設備的運行狀態和時間(但並不影響設備的工效)，從而可延長設備的服役壽命，降低能源消耗，減低維護人員的勞動強度和工時數量。最終，降低了設備的運行成本。

自動控制、監視、測量是建築設備管理的三大要素，其目的是正確掌握建築設備的運轉狀態、事故狀態、能耗、負荷的變動等。尤其在使用電子計算機之後既可大力節省人力，又可節省能源。一般認為可節約能源25%。

根據日本電氣學會技術報告説：使用電子計算機的管理系統的效果與不使用的效果相比，維修保養人員可減少約30%。這裏講的節能是在必要能源的最高利用率上所採用的節能方法。此運轉控制所採用的方法主要有：機械的有效運轉；變更室內温濕度的條件；控制照度；把設備運轉時間控制在最小限度；減少室外空氣的取入量等。在一幢大樓內電氣的消耗率佔整個能源消耗的70%~90%，所以節能首先應從電氣方面着手，降低電能的消耗。

建築設備的管理對象主要是電氣設備；空調設備；衞生設備。

l)電氣設備：管理電氣設備主要監視機械的動作狀態、測量點及保護裝置。管理的主要對象是對各配電系統的斷路器、變壓器、接觸器、保險絲，電容器等的狀態監視。測量主要是對電力系統的電流、電壓、有功功率、無功功率和功率因數的測量。

2)空調設備：管理空調設備要監視冷凍機、空調器、水泵等的狀態；温濕度的測量，以及對空調系統所需的冷熱源的温度、流量的調節。

大樓的建築設備自動控制是以空調控制為中心的。空調系統的自動控制是屬於一般熱力學過程的自動調節

a) 對生產性建築可提高温濕度的控制精度，提高產品質量；對居住和商業性建築主要是提高人的舒適感。

b) 可以根據被調量變動的情況，給系統增減能量(熱或冷)，因此可以降低能耗，節省能源。

c) 可以減輕勞動強度。

控制系統採用 DDC控制，裝設在迴風管內的温度傳感器所檢測的温度送往DDC控制器與設定點温度相比較，用比例積分加微分控制，輸出相應的電壓信號，控制裝在回水管上的電動調節閥的動作，使迴風温度保持在所需要的範圍。

裝設在送風管內的濕度傳感器所檢測的濕度送往 DDC控制器與設定點濕度比較，用比例積分控制，輸出相應的電壓信號，控制電動蒸汽閥的動作，使送風濕度保持在所需要的範圍。

裝設在迴風管及新風管的温度及濕度傳感器所檢測的温/濕度送往DDC控制器進行迴風及新風焓值計算，按回風及新風焓值的比例，輸出相應的電壓信號，控制迴風風門及新風風門的比例開度，使系統節能。

系統中所有檢測數據，均可以在顯示屏上顯示出來，如：

—新風、迴風、送風之温濕度

—過濾器淤塞報警

—風機開停狀態

2）通過 DDC控制器內預先編寫的邏輯程序，系統可執行下列連鎖功能。—裝設在新風入口處的風門與風機連鎖。當風機停止後，新風風門全關。—電動調節閥與風機啓動連鎖。當風機停止後，電動調節閥亦同時關閉。—風機啓停狀態是用差壓開關檢測的。當風機啓動後，風機兩側的差壓超過其設定值時， 差壓開關內的常開觸點閉合，信號送往 DDC控制器，系統的控制程序立即投入運行。

3) 通過手提檢測器可現場提取及修改 DDC數字控制器內的任何數據，如

—傳感器檢測範圍

—控制程序參數，包括輸入端到輸出端等。

4) 通過 DDC上串行接口與網絡控制器連接，成為中央監控系統的最基本監控單元。

由裝於冷凍機房內的網絡控制器及數字式控制器， DDC分站按內部預先編寫的軟件程序來控制冷水機組台數的啓停及各設備的連鎖啓停。

—測量冷凍水供、回水温度及回水流量，從而計算空調實際的冷負荷。

—根據實際的冷負荷來決定冷水機組開啓台數，使達到最佳節能狀態。

—冷卻水温度控制冷卻塔風扇啓停。

—各設備的程序聯動開/停：

(a)啓動：冷卻塔風機i冷卻水泵、冷凍水泵、冷水機組。

(b)停止：冷水機組、冷凍水泵、冷卻水泵—)冷卻塔風機。

(c)當其中一台冷凍水泵/冷卻水泵出現故障時，備用水泵會自動投入工作。

—測量冷凍水系統供回水總管的壓差控制其旁通閥的開度，使維持壓差。

冷水機組控制

由中央控制系統進行監視供/回水温度。按程序啓/停冷水機組。根據系統的供/回水温度通過就地控制器(DDC)對温度重新設定及負荷的限制等。

冷卻塔風機控制

由中央控制系統進行監視冷卻塔的出水温度及控制水泵的啓停。

(3) 冷卻水泵/冷凍水泵的控制

根據冷凍站的控制程序啓/停水泵過載報警，對水流量的記錄。

以WindowsNT為操作平台，採用工業標準的應用軟件、集散控制系統、二級網絡結構，全中文化的圖形化操作界面監視整系統的運行狀態，提供現場圖片、工藝流程圖（如空調控制系統圖）、實時曲線圖、監控點表、繪製平面佈置圖，以形象直觀的動態圖形方式顯示設備的運行情況。繪製平面圖或流程圖並嵌以動態數據，顯示圖中各監控點狀態，提供修改參數或發出指令的操作指示。

可提供多種途徑查看設備狀態，如通過平面圖或流程圖，通過下拉式菜單或功能鍵進行常用功能操縱，以單擊鼠標的方式可逐及細化地查看設備狀態及有關參數。

控制功能：

能在中央站上通過對圖形的操作即可對現場設備進行手動控制，如設備的ON/OFF控制；通過選擇操作可進行運行方式的設定，如選擇現場手動方式或自動運行方式；通過交換式菜單可方便地修改工藝參數。

對系統的操作權限有嚴格的管理，以保障系統的操作安全。對操作人員以通行字的方式進行身份的鑑別和管制。操作人員的根據不同的身份可分為從低到高5—10個安全管理級別。

先進的報警功能：

當系統出現故障或現場的設備出現故障及監控的參數越限時，均產生報警信號，報警信號始終出現在顯示屏最下端，為聲光報警，操作員必須進行確認報警信號才能解除，但所有報警多將記錄到報警彙總表中，供操作人員查看。報警共分4個優先級別。

報警可設置實時報警打印，也可按時或隨時打印。

綜合管理功能：

對有研究與分析價值、應長期進行保存的數據，建立歷史文件數據庫：採用流行的通用標準關係型數據庫軟件包和硬盤作為大容量存儲器建立數據庫，並形成曲線圖等顯示或打印功能。

提供彙總報告，作為系統運行狀態監視、管理水平評估、運行參數進一步優化及作為設備管理自動化的依據，如能量使用匯總報告，記錄每天、每週、每月各種能量消耗及其積算值，為節約使用能源提供依據;又如設備運行運行時間、起停次數彙總報告（區別各設備分別列出），為設備管理和維護提供依據。

可提供圖表式的時間程序計劃，可按日曆定計劃，制訂樓宇設備運行的時間表。可提供按星期、按區域及按月曆及節假日的計劃安排。

傳感器是自控系統中的首要設備，它直接與被測對象發生聯繫。它的作用使感受被測參數的變化，併發出與之相適應的信號。在選擇傳感器時一般有三個要求：高準確性、高穩定性、高靈敏度。

1. 温度傳感器：

樓宇工程中應用的主要接觸式温度傳感器，如熱電阻、熱電偶、PTC硅感應器等，由於測温元件與被測介質需要進行充分的熱交換，測量常伴有時間上的滯後。如Pt1000其在0℃時電阻為1000Ω，隨着温度的升高電阻減小，靈敏度一般在3~4Ω/K，響應速度一般在15~30秒。

2. 壓力傳感器：常用的有電氣式壓力傳感器，將被測壓力的變化轉換為電阻、電感等各種電氣量的變化，從而實現壓力的間接測量。常用的有壓差開關、表壓傳感器、靜壓傳感器等。

3. 流量傳感器：常用的是電磁流量計，由法拉第電磁感應定律知，在磁場中運動並切割磁力線的導體中會有感應電動勢產生，此感應電動勢與流體的體積流量呈線性關係。如果是改造還可以採用超聲波流量計，方便安裝和維護。

4. 濕度傳感器：用於測量室內空氣相對濕度。

5. 液位傳感器：用於控制水箱、水池等的上限、下限液位。

在自動控制系統中，它接受控制器輸出的控制信號，並轉換成直線位移或角位移，來改變調節閥的流通截面積，以控制流入或流出被控過程的物料或能量，從而實現過程參數的自動控制。

6. 風閥執行器：用於控制安裝於新風、迴風口的風閥，既可進行開關控制，也可進行開度控制。執行器設有萬能夾具，可直接夾持在風閥的驅動軸上，設有手動復位鈕，在故障時可手動調節。根據風管橫截面的大小可選擇不同鈕矩的執行器。

7. 水管閥門執行器：與閥門配套使用，有開關式和調節式兩種，開關式一般口徑大，在冷熱站中用於控制各系統工藝管道的開啓和關閉、各種工況間的切換等；調節式主要用於控制流量，在空調機組中，根據控制器的温濕度設定值控制回水流量和蒸汽加濕的流量，使温濕度維持在設定值。

現場控制器又稱DDC，是用於監視和控制系統中有關機電設備的控制器，它是一個完整的控制器，有應有的軟硬件，能完成獨立運行，不受到網絡或其它控制器故障的影響。根據不同類型的監控點數提供符合控制要求和數量的控制器。每處DDC 具有10-15%點數的擴充或餘量。

（1）控制器構成符合以下要求：

A) 以32位或16位微處理器的可編程DDC

B) 具有可脱離中央控制主機獨立運行或聯網運行能力

C) 具有電源模塊

D) 具有通信模塊

E) DDC 有在模板LED顯示每個數字輸入，輸出點的實時變化狀態。當外電斷電時，DDC的後備電池可保證RAM中數據在60天不掉失。

F) 當外電重新供應時，在無需人工干預的情況下，DDC能自動恢復正常工作。

G) 當DDC存儲的數據非正常丟失時，用户可通過現場標準串行數據接口和通過網絡操作將數據重新寫入DDC控制器。

H) DDC的操作程序與應用程序皆採用PPCL高級語言編寫。

I) DDC程序的編寫，修改既可在中央站上進行，也可通過便攜機進行。

J) DDC在外電斷時，同時後備電池丟失時，能存儲其應有程序。

K) DDC的採集精度與傳感器的精度相匹配。

L) 工作環境：温度0度到50度，相對濕度0-90%

M) 電源：AC220V, ±10%,50HZ。

2）DDC具備以下功能：

定時啓停自適應啓/停

自動幅度控制需求量預測控制

事件自動控制掃描程序控制與警報處理

趨勢記錄全面通信能力

中央管理工作站系統由PC主機、彩色大屏幕顯示器及打印機組成，是BAS系統的核心，它直接可以和以太網相連。整個大廈內所受監控的機電設備都在這裏進行集中管理和顯示，內裝工作軟件提供給操作人員下拉式菜單、人機對話、動態顯示圖形，為用户提供一個非常好的、簡單易學的界面，操作簡單，操作者無需任何先驗軟件知識，即可通過鼠標和鍵盤操作管理整個控制系統。

最近幾年，未來的樓宇被人們認為 將會是充滿了各種各樣的智能設備。樓宇控制網絡中的傳感器、執行器、閥門等都是智能的，樓宇 的基礎設施能無縫隙的將數據網和控制網連接起來，形成整體的樓宇網絡。 整體的樓宇網絡將成為未來樓宇控制的典範。在九十年代中，人們逐漸對樓宇自控中信息的傳 遞形成了新的概念： 智能設備-傳感器、執行器形成能自主的控制環境即智能的温度傳感器、 電燈開關、窗簾、電梯按鈕、讀卡機等能混如一體的工作。 網絡-新一代的智能設備能無縫隙的將各種網絡如國際互聯網、企業網 或樓宇的廣域網、局域網等連接起來。 全球聯網-隨着網絡、設備和系統的發展,用户能在世界上任何地方,任 何時間對智能樓宇網絡上任何一點進行遠程訪問。 整體的樓宇網絡概念已不再是一個對將來的期望,今天它正在發生中。提供智能設備、子系 統和系統的廠家正在如指數般的成長。這種推動力主要來自於業主們,他們對樓宇物業集成度的要 求越提越高,這也是合理的。因為在今天,樓宇自控子系統如門禁、閉路電視、電梯、空調暖通、保 安和消防中的智能產品都已問世了。 雖然這許許多多的智能產品正在導致樓宇子系統的逐漸更新,但真正的整體的樓宇網絡系統 仍然少見。生產廠商們一方面表示他們全面向開放性系統靠攏,但另一方面又限制互操作性產品的 發展,因為他們懼怕一個標準網絡通信協議和真正的開放性結構所帶來的市場變化。大公司願意維持現狀是因為他們是既得利益者。許多大廠商們在他們的底層設備申採用了L0NWORKS技術,是因為 他們發現使用L0N WORKS平台這一經濟有效的技術可以實現他們的封閉系統中的設備互通信息,但他們也只願意做到這 個地步而已。在六十年代和七十年 代,計算機行業中,的巨人們如：IBM，Burroughs，Control Data，Sperry，NCR，Honeywell壟斷了計算機市場，他們的設備又大又封閉,價錢也非常昂貴。在七十和八十年代，出來了一批新的計算機公司如：DEC，Data Geheral，Tande和王安電腦,這些公司的電腦產品是比較分佈的但他們仍然是昂貴的封閉式的主從系統。

在九十年代另一批計算機公司取代了行業的領導地位,他們是：Compaq，Dell，Gateway和 惠普。這些新公司能有如此成績是因為他們的產品是全開放性的,性能價格比高,靈活性大。隨着銷 路的增加,廠家更能消減成本擴大市場從而獲得更多的利潤。 走向開發性 今天的樓宇自控行業與昨日的計算機行業有許多的相同之處。傳統的樓宇控制系統也是封 閉式的,通常從一家公司購買並由他們安裝。由於這種系統是主從式的控制結構,安裝和維修成本都 較高且將來的增減、改造和維修都有一定的侷限性。任何在子系統層上的集成都需要有昂貴的網 關硬件和專業人員專用的編輯程序來完成。 不幸的是不少的控制系統生產商並不願意提供真正的開放平台。最終用户們要的是對等式的開放系統，不含那些昂貴的、獨家的、封閉式的模板和中央控制器及相應的複雜佈線、控制程序和維護。今天的控制設備廠商們希望用他們的昂貴的網關來做集成(達到互操作性),雖然這些網關可 以使子系統達到某一程度的互操作性,但網關限制了終端設備之間的通訊,並使整個系統複雜化了。 智能化的路由器可以解決上述弊病。路由器使通道之間透明，可從任何地方訪問某通道上的某個終 端設備。路由器提高了系統的可靠性,為升級、改變和更換提供了足夠的靈活性。這種路由器的工 作方式只是在網絡中進行邏輯的隔離而非物理隔離。當我們這個控制行業採納了真正的開放性系統時,業主和物業管理人員們才能享受到從不同 廠家產品中集成出一個樓宇管理系統的真正好處:自由選擇最高性能價格比的產品、技術和服務;成 本也可以在產品的真正生命期中攤銷完畢。開發、安裝開放性的控制網絡相關公司提供了開放性LONWORKS控制網絡的系統級基本組成模塊,這些系統模塊主要是面 向OEM廠家的。產品是：開發工具、Lon Talk(通信協議) 、神經元芯片 、收發器 、網絡接口 、網絡操作系統 、網絡管理軟件 ，這些系列產品可以使OEM廠商直接獲得LONWORKS網絡的利益而無需重新開發開放性控制網絡的技術核心,他們可以將他們寶貴的人力物力資源集中在開發控制設備和系統上,提高他們產品的附加值從而減低開發和生產的成本。提供給系統集成商的產品在完成一項高度分佈、互操作性的控制方案時,系統集成商起了關鍵性的作用。為此,Eche 公司相應的對系統集成商們提供了一套Lon Point系統產品。這些產品使系統集成商們可以將不同生產商提供的L0NMARK產品集成在一起,完成 一個完整的控制解決方案。這種解決方案可以取代上面所説的中央控制器,將控制算法直接分佈到 I/O設備上。

Echelon的Lon Point接口模塊不但可以取代這些中央控制器，系統集成商們也可以用Lon Point將不具備神經元芯片和收發器的傳統老設備連接到Lon Works網絡上。LonPoint模塊中的神 經元芯片可對傳感器、執行器的信號進行直接處理。這些安裝容易、編程簡單的LonPoint模塊與復 雜的中央控制器相比起來，無論在價格上或是接線工作和維修過程中都有很大的價格優勢。Echelon的預見相關公司在樓宇自控領域的總之就是將市場推向基於LONMARK互才做性，開放式的全分 佈網絡控制系統。要做到這一步,就要求生產商們取締那些獨家性的中央控制器和網關,降低設備、 安裝及生命週期的成本從而降低系統成本。有不少的生產商對“開放系統"仍抱着懷疑態度。他們關心開放後,市場是否真能快速 成長。其實,他們多慮了。控制領域開放後,市場肯定會迅速擴張，那時生產者們才能真正達到薄利 多銷的程度。LONWORK互操作協會和他的240多名成員們正致力於推廣真正開放的樓宇自控市場。協會的成員們來自生產商、集成商和業主及最終用户們。協會的工作包括制定互操作性標準,對產品進行 認證，同時對市場做宣傳和推廣工作。企業的全面連網在建築業中,隨着企業的數據網和國際互聯網的迅速發展,把企業的控制網連接上TCP/IP已 越來越迫切了。用路由器取代網關而將不同的通道連接起來,這種“隧道”路由器的工作原理將L0N WORKS信息打包在TCP/IP信息包內,送上TCP/IP網絡。由於此類結構的系統是一個集成的網絡,所有 的點都是透明連接的,使系統在安裝、監測、診斷、維修都非常方便。也就是説:一個網絡工具可以 在網上任何地點對網上的其他節點進行工作。

新一代的路由器可將四NW0RKS網絡上的通道透明的、無縫隙的連接到以太網主幹線的網絡 上,也可直接連到有以太網插卡的計算機上。其結果是一個強有力而連貫如一的LONWORKS的樓宇自控系統，將樓宇物業管理軟件系統與所有的智能節點連接起來。這種一體的網絡結構大大減低系 統生命週期成本,更可以完成許多現在認為不可能的解決方案。為了實現這種IP(因特網協議)相連 方式的應用,相關公司正與CISCO公司緊密合作着,開發並推出適應這類市場需要的產品。

現在新一代的樓宇自控產品已經問市了，SIEMENS、Honeywell、Johnson、Hysine等公司也是在不斷尋求技術的創新和突破。樓宇系統是真正開放的,需要業主、 設計師、集成商們共同向廠家們要求真正的開放又帶互操作性的新產品。如果沒有這種推動力的話 ,生產控制器的廠家們仍然會繼續提供老產品。行業需要樹立新的規範,制定 LONMARK 互操作性,設計對等式平面的系統結構,使用不含網關和基於LNS平台的網絡工具。

隨着建築技術、計算機技術、控制技術、通信技術等技術的發展，產生了新興的交叉領域學科——智能建築技術。目前該技術得到了越來越深入的研究，以及越來越廣泛的應用。超高層建築由於內部結構複雜，建築設備數量眾多，所以對技術有較高的要求，成為了智能建築應用領域的一個難點。而樓宇自控系統又是建築智能化系統中的關鍵部分，結合實際工程對超高層建築智能化系統中的樓宇自控系統進行設計是當下的重要工作。

該系統為提升大廈的建築價值作出貢獻，主要體現在：提升大廈的商業形象和經濟效益，提高商業管理、物業管理的效率，增加能源的有效利用率，加強大廈的使用安全，改善室內的舒適度等。 ^[1]