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智能建筑中的樓宇自動化系統(tǒng)理論淺析
作者：不詳 作者 發(fā)表時間：2007-9-2 發(fā)表時間

1 引言 樓宇自動化系統(tǒng)也叫建筑設備自動化系統(tǒng)(BuildingAutomationSystem 簡稱 BAS)，是智能建筑不可缺 少的一部分，其任務是對建筑物內(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 建筑設備自動化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(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)和消防與安全防范子系統(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，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨立設置，也應與 BAS 監(jiān)控中心 建立通信聯(lián)系以便災情發(fā)生時，能夠按照約定實現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進行一體化的協(xié)調(diào)控制。 建筑設備自動化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下： (1)自動監(jiān)視并控制各種機電設備的起、停，顯示或打印當前運轉(zhuǎn)狀態(tài)。 (2)自動檢測、顯示、打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)。 (3)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，使之始終運行于最佳狀態(tài)。 (4)監(jiān)測并及時處理各種意外、突發(fā)事件。 (5)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。 (6)能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現(xiàn)能源管理自動化。 (7)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)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計算機控制系統(tǒng)，也稱分布式控制系統(tǒng) (Distributedcontrol systems 簡稱 DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場被控設備 處的微型計算機控制裝置(DDC)完成被控設備的實時檢測和控制任務， 克服了計算機集中控制帶來的危險性 高度集中的不足和常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計算機具有 CRT 顯示、 打印輸出、豐富的軟件管理和很強的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報警、打印與優(yōu)化控制等任 務，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機聯(lián)系困難、無法統(tǒng)一管理的缺點，保證設備在最佳狀態(tài)下運行。 以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關的幾個概念。

3.l 直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC) 直接數(shù)字控制系統(tǒng)(Direct Digital Control 簡稱 DDC)如圖 2 所示。計算機通過模擬量輸入通道(AI) 和開關量輸入通道(DI)采集實時數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量 輸出通道(AO)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)，是計算機在 工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。 DDC 系統(tǒng)中的計算機直接承擔控制任務，因而要求實時性好、可靠性高和適應性強。 3．1．1 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、過程控制計算機、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)字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開關、放大器、 A／D 轉(zhuǎn)換器和接口電路組成。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(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。 —數(shù)字量輸入通道由開關觸點、 光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過程的通／斷狀態(tài)的觸點信號，經(jīng)過光電耦合器和接口電路變換成 數(shù)字信號送給計算機。 過程控制計算機直接承擔運算和控制任務，首先通過過程輸入通道采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，然后向被控對象發(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(gòu)。 過程輸出通道由模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。前者把計算機輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)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。這一部分由接口電路、D ／A 轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。后者把計算機輸出的開關信號，經(jīng)放大器去驅(qū)動電磁閥和繼電器執(zhí)行 器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。 3．1．2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基本算法 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)律離散化并在計算機上實現(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)過在線整定達到滿意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的 數(shù)字 PID 算法，已被工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)普遍采用，成為 DDC 系統(tǒng)的基本算法。 數(shù)字 PID 控制算法，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

Kp——比例放大系數(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）

為了能在計算機上實現(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。設了為采樣周期(與系 統(tǒng)時間常數(shù)相比，T 足夠小)，k 為采樣序號(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 次采樣所得偏差值 e(k-1)——第(k-1)次采樣所得偏差值 u(k)——第 k 時刻的控制量 上式中的采樣周期 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”。 3．2 分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 分布式控制系統(tǒng)(Distributed Control Systems 簡稱 DCS)20 世紀于 70 年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來， 它將計算機技術、控制技術、圖形顯示技術和通信技術匯集于一體，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，既避免了單臺計算機集中控制的不足，又克服了常規(guī) 儀表人機交互困難的缺點。 分布式控制系統(tǒng)的多臺微型計算機取代了集中控制系統(tǒng)的單臺計算機，從體系結(jié)構(gòu)上分散了危險性， 提高了可靠性。其基本結(jié)構(gòu)功能如圖 3 所示，圖中現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控 計算機和管理計算機通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡被有機地結(jié)合起來，組成分級分布控制系統(tǒng)。 3．2．1 分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡是分布式控制系統(tǒng)的支柱。整個分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場 控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計算機等都是這個網(wǎng)絡上的“節(jié)點”，都含有 CPU 和網(wǎng) 絡接口，它們都有自己特定的網(wǎng)絡地址(節(jié)點號)，可以通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡中的各節(jié)點處于平 等地位，既能共享資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又使危險分散的功能結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡的架構(gòu)區(qū)具 有極大的伸縮性，可擴性很強，可以滿足分布式控制系統(tǒng)擴充與升級的需要，十分靈活、方便。 (1)控制網(wǎng)絡特點 分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡不同于通用計算機網(wǎng)絡，與一般的通信網(wǎng)絡比較，它有

如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求傳遞的信息絕對準確、可靠，為此常采用冗余技術、后備措 施和自診斷功能。如：控制站采用雙 CPU 板，雙 I／0 板等。②具有良好的實時性。③對環(huán)境適應性強。 (2)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) 建筑設備自動化系統(tǒng)常用的有總線網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種結(jié)構(gòu)中任意兩節(jié)點通信可直接 通過網(wǎng)絡進行，各節(jié)點處于平等地位。 (3)網(wǎng)絡通信協(xié)議 組成建筑設備自動化系統(tǒng)，必須有一種大家都能接受并且共同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。 用于建筑自動化控制網(wǎng)絡的 BACnet 協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層組成，或相當于開放 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：ARCnet 為令牌總線網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 2．5-20bit／s，有良好的實時性。MS／TP 是一種主／ 從令牌傳遞數(shù)據(jù)鏈路層技術，允許使用 EIA-485 硬件。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)系的技術。 3．2．2 現(xiàn)場總線技術的應用——分布式控制系統(tǒng) 的進一步分散化 (1)現(xiàn)場總線概況 現(xiàn)場總線(Fieldbus)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(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡。不同的現(xiàn)場總線遵循的協(xié)議不同，接口標準不同，各具特色�，F(xiàn)場總線技術具有如下一 些特點：①以數(shù)字信號取代 4-20mA 的模擬信號，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，因此現(xiàn)場總線具 有很高的性能價格比。②現(xiàn)場總線把處于設備現(xiàn)場的智能儀表(智能傳感器、智能執(zhí)行器)連成網(wǎng)絡，使控 制、報警、趨勢分析等功能分散到現(xiàn)場儀表，使控制結(jié)構(gòu)進一步分散化，導致控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變化。 ③符合同一現(xiàn)場總線標準的不同廠家的儀表、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)場總線控制系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)。 (2)LonWorks 技術 LonWorks 是一種完全分布式控制的局部操作網(wǎng)(Local Operating Network—LON)技術。 LonWorks 網(wǎng)絡 節(jié)點由神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、固件和 I／O 接口電路組成。神經(jīng)元芯片(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)絡處理器和應用處理器組成，這就使得節(jié)點既能管理網(wǎng)絡通信，又具有 控制功能。Neuron 芯片方塊圖如圖 5 所示。 芯片附有固件，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 OSI，具有完整的 7 層協(xié)議，管理網(wǎng)絡節(jié)點的通信，分配節(jié)點地址，運行內(nèi)含 的沖突／檢測回避算法，控制物理／電氣的連接等。LonTalk 協(xié)議對應于 OSI 參考模型相應層所提供的服 務見表 1。 Neuron 芯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)絡處理器，LonTalk 協(xié)議固化在芯

片的 ROM 中，使得 LonWorks 的微型節(jié)點無需中心結(jié)構(gòu)的完全分布式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場級 儀表。 LonWorks 網(wǎng)絡，可以采用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、光纜、無線電、紅外線，并 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)絡中的信號可以在不同的媒體之間傳輸，因而可以 根據(jù)需要組網(wǎng)，不同媒體之間以路由器進行連接。 LonMark 是為了避免眾多制造商以不同的含義來解釋 LonWorks 技術， 保證不同的產(chǎn)品能夠方便地集成一起， 以便構(gòu)成一個真正開放的系統(tǒng)，而制定的一個行業(yè)標準。 (3)分布式控制系統(tǒng)的進一步分散化 傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場控制站這一級依然是一個集中式結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)是在原 有分布式控制系統(tǒng)的基礎上，采用 LonWorks 現(xiàn)場總線的建筑設備自動化系統(tǒng)發(fā)展起來的新系統(tǒng)，如圖 6 所 示，圖中標準 LAN 為原有的分布式控制系統(tǒng)，使用 BACnet 協(xié)議，以利于實現(xiàn)多種供應商的不同類型的子系 統(tǒng)之間的通信信息交換，把具有控制功能的各個島連成一個整體。新增的 LonWorks 現(xiàn)場總線使用 LonTalk 協(xié)議， 把控制功能進一步分散到現(xiàn)場級儀表， 標準 LAN 與現(xiàn)場總線之間的路由器相聯(lián)。 這樣 BACnet 和 LonMark 兩項標準互相補充，互為依托，構(gòu)成一個完全分散的、真正開放的建筑設備自動化系統(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)歷了四代產(chǎn)品： 第一代：CCMS 中央監(jiān)控系統(tǒng)(20 世紀 70 年代產(chǎn)品) BAS 從儀表系統(tǒng)發(fā)展成計算機系統(tǒng)，采用計算機鍵盤和 CRT 構(gòu)成中央站，打印機代替了記錄儀表，散 設于建筑物各處的信息采集站 DGP(連接著傳感器和執(zhí)行器等設備)通過總線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)場設備信息，下達中央站的控制命令。一臺中央計算機操 縱著整個系統(tǒng)的工作。中央站采集各分站信息，作出決策，完成全部設備的控制，中央站根據(jù)采集的信息 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) 隨著微處理機技術的發(fā)展和成本降低，DGP 分站安裝了 CPU，發(fā)展成直接數(shù)字控制器 DDC。配有微處理 機芯片的 DDC 分站，可以獨立完成所有控制工作，具有完善的控制、顯示功能，進行節(jié)能管理，可以連接 打印機、安裝人機接口等。BAS 由 4 級組成，分別是現(xiàn)場、分站、中央站、管理系統(tǒng)。 集散系統(tǒng)的主要特點是只有中央站和分站兩類接點，中央站完成監(jiān)視，分站完成控制，分站完全自治，與 中央站無關，保證了系統(tǒng)的可靠性。 第三代：開放式集散系統(tǒng)(20 世紀 90 年代產(chǎn)品)

隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，DDC 分站連接傳感器、執(zhí)行器的輸人輸出模塊，應用 LON 現(xiàn)場總線，從分 內(nèi)部走向設備現(xiàn)場，形成分布式輸入輸出現(xiàn)場網(wǎng)絡層，從而使系統(tǒng)的配置更加靈活，由于 LonWorks 技術的 開放性，也使分站具有了一定程度的開放規(guī)模。BAS 控制網(wǎng)絡就形成了 3 層結(jié)構(gòu)，分別是管理層(中央站)、 自動化層(DDC 分站)和現(xiàn)場網(wǎng)絡層(LON)。 第四代：網(wǎng)絡集成系統(tǒng)(21 世紀產(chǎn)品) 隨著企業(yè)網(wǎng) Intranet 建立， 建筑設備自動化系統(tǒng)必然采用 Web 技術， 并力求在企業(yè)網(wǎng)中占據(jù)重要位置， BAS 中央站嵌入 Web 服務器，融合 Web 功能，以網(wǎng)頁形式為工作模式，使 BAS 與 Intranet 成為一體系統(tǒng)。 網(wǎng)絡集成系統(tǒng)(EDI)是采用 Web 技術的建筑設備自動化系統(tǒng)，它有一組包含保安系統(tǒng)、機電設備系統(tǒng)和 防火系統(tǒng)的管理軟件。 EBI 系統(tǒng)從不同層次的需要出發(fā)提供各種完善的開放技術，實現(xiàn)各個層次的集成，從現(xiàn)場層、自動化 層到管理層。EBI 系統(tǒng)完成了管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的一體化。網(wǎng)絡集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示。 目前，規(guī)模和影響較大的樓宇設備供應公司有美國霍尼維爾公司、江森公司、KMC 公司、德國西門子公司 等。 5 結(jié)束語 樓宇自動化控制技術在我國還是一個新興的技術領域，隨著更多智能建筑的出現(xiàn)，將有更加先進的技 術補充到這一領域中，使這一技術更加成熟、完善。



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