智能建筑与楼宇自动化

智能建筑与楼宇自动化摘要：智能建筑的概念和楼宇自动化系统简介，并列举了当今几大楼宇自控生产厂商的自控系统功能简介和实际运用。关键词：智能建筑楼宇自动化系统概念一关于智能建筑智能建筑的概念，在本世纪末诞生于美国。第一幢智能大厦于1984年在美国哈特福德（Hartford）市建成。我国于90年代才起步，但迅猛发展势头令世人瞩目。智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界科学技术发展的主要标志是4C技术（即Computer计算机技术、Contro控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）。将4C技术综合应用于建筑物之中，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使建筑物智能化。4C技术仅仅是智能建筑的结构化和系统化。智能建筑应当是：“通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑物能够帮助大厦的主人，财产的管理者和拥有者等意识到，他们在诸如费用开支、生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。”建筑智能化结构是由三大系统组成：楼宇自动化系统(BAS)、办公自动化系统(OAS)和通信自动化系统(CAS)二、楼宇自动化系统简介楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统(BuidingAutomationSystem简称BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。（一）楼宇自动化系统将实现如下主要功能：1.中央空调系统的监控管理（1）监视控制整个大厦的空调系统（包括：风机盘管控制、冷热水泵旁通控制、冷却水塔进水控制等；（2）通过冷冻水的供/回水温度和流量测量、自动计算出空调系统的冷负荷，并在楼宇自动化系统的CRT上显示；（3）根据实际的冷负荷通过空调冷冻水机组带的群控装置来决定冷冻水机组的启停数，以达到最佳的节能效果；（4）测量并自动控制冷冻水系统供/回水总管的差压，维持系统要求的差压值；（5）冷冻水泵/冷却水泵的联锁控制，当一台冷冻水泵发生故障时，自动投入备用水泵；（6）监控空调系统的如下设备：空调柜机、风机盘管、新风机组、排风机（含正压风机）、冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、集水器、冷冻水膨胀水箱。2.给排水系统的监控管理（1）楼宇自动化系统将监控给排水系统的所有水泵的运行状态。（2）楼宇自动化系统将对给排水系统的设备运行时间、状态、水量、压力值进行记录。（3）当水泵出现故障时，楼宇自动化系统会通过联锁控制备用泵自动投入运行。（4）监控给排水系统的如下设备：生活给水泵、消防给水泵、自动喷淋泵、稳压水泵、排污泵、屋顶水池、地下水池、污水池、给排水监控系统。3.供配电监控系统变配电系统正常运行，可靠供电是智能大厦安全使用的保证。因此，智能大厦的控制中心要控制、监视、记录供电系统的运行情况，主要包括：（1）高压系统：进线与蹭联络断路器状态控制监测、电压、电流、频率、有功功率、无功功率、变压器温度及故障状态显示与报警（2）低压系统：进线与联络断路器状态控制监测、电压、电流、功率因数、重要输出支路断路状态监控、故障情况显示、报警；（3）直流系统：交流电源主进线断路器控制、直流输出、电压、电流及故障状态显示报警（4）发电机系统：发电机启动、供电、主断路器状态、电压、电流、频率、转速、油箱位高低、水温等显示、故障报警、断路器状态控制（5）照明系统：根据大厦内的使用功能、分成不同的区域照明，如办公室照明、走廊照明、大厦立面照明、航空障碍灯照明、室外环境照明等，按照时间顺序及使用需要，由中央监控系统控制开、关状态，故障显示。三、楼宇自动化控制系统的原理楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统(Distributedcontrosystems简称DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置(DDC)完成被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。四、楼宇自动化系统设备的发展历史及相关产品简介楼宇设备自动化系统到目前为止已经历了四代产品：第一代：CCMS中央监控系统(20世纪70年代产品)BAS从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和CRT构成中央站，打印机代替了记录仪表，散设于建筑物各处的信息采集站DGP(连接着传感器和执行器等设备)通过总线与中央站连接在一起组成中央监控型自动化系统。DGP分站的功能只是上传现场设备信息，下达中央站的控制命令。一台中央计算机操纵着整个系统的工作。中央站采集各分站信息，作出决策，完成全部设备的控制，中央站根据采集的信息和能量计测数据完成节能控制和调节。第二代：DCS集散控制系统(20世纪80年代产品)随着微处理机技术的发展和成本降低，DGP分站安装了CPU，发展成直接数字控制器DDC。配有微处理机芯片的DDC分站，可以独立完成所有控制工作，具有完善的控制、显示功能，进行节能管理，可以连接打印机、安装人机接口等。BAS由4级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统。集散系统的主要特点是只有中央站和分站两类接点，中央站完成监视，分站完成控制，分站完全自治，与中央站无关，保证了系统的可靠性。第三代：开放式集散系统(20世纪90年代产品)随着现场总线技术的发展，DDC分站连接传感器、执行器的输人输出模块，应用ON现场总线，从分内部走向设备现场，形成分布式输入输出现场网络层，从而使系统的配置更加灵活，由于onWorks技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。BAS控制网络就形成了3层结构，分别是管理层(中央站)、自动化层(DDC分站)和现场网络层(ON)。第四代：网络集成系统(21世纪产品)随着企业网Intranet建立，建筑设备自动化系统必然采用Web技术，并力求在企业网中占据重要位置，BAS中央站嵌入Web服务器，融合Web功能，以网页形式为工作模式，使BAS与Intranet成为一体系统。网络集成系统(EDI)是采用Web技术的建筑设备自动化系统，它有一组包含保安系统、机电设备系统和防火系统的管理软件。EBI系统从不同层次的需要出发提供各种完善的开放技术，实现各个层次的集成，从现场层、自动化层到管理层。EBI系统完成了管理系统和控制系统的一体化。目前，规模和影响较大的楼宇设备供应公司有美国霍尼维尔公司、江森公司、KMC公司、德国西门子公司等。楼宇自动化控制技术在我国还是一个新兴的技术领域，随着更多智能建筑的出现，将有更加先进的技术补充到这一领域中，使这一技术更加成熟、完善。五、楼宇设备供应公司系统及功能简介：1．美国江森自控Metasys系统.Metasys的系统结构及硬件说明要想建成一个智能建筑，一个高素质的楼宇自控系统是不可缺少的，JOHNSONCONTROS的Metasys系统的系统结构如下：的Metasys楼宇自按系统是由中央操作站（OWS）、网络控制器（NCU）、直接数字控制器（DDC）等组成，通过Ethernet网（N1网）将中央操作站及网络控制器各节点连接起来，Ethernet/IP使用标准的网络硬件在网络控制器与用户操作站之间完善地传递信息。同时安装在建筑物各处的直接数字控制器（DDC），将通过现场总线（N2网）连接到网络控制器上，与其它网络控制器上的直接数字控制器及中央操作站保持紧密联系。现场需监控设备上的传感器及执行器等连接至以上各直接数字控制器内。从而实现分散控制、集中管理。以下分别对这些硬件设备做详细说明：1.1通讯网络操作站及网络控制单元之间最常用的连接方式是N1通讯网络。这构造采用以太网（ETHER--）技术，通过一张ETHER--卡（网络介面卡），在N1线上通讯。网络设置网可以设置成总线型、星型和混合型结构。它使N1网可以方便、经济地安装及扩展。N1网可以使用同轴电缆、双绞线、光纤或它们的组合。NCU和操作站可以直接支持同轴电缆，并可方便地加上适配器连接光纤回路。每段N1网的最长距离取决于所采用的媒质及网络上节点的数量。采用有源分流器可以延伸连接线的长度。两个节点间最长距离可达到6.4公里。开放式的结构和互连性--广泛应用于工业和楼宇自动化领域。众多的第三者供应商都支持这个标准并提供ETHER--设备，如分流器及应用软件。这意味着不用供应商提供的产品可以直接互换，使用户有更多的产品选择并且不会依赖于某一个供应商。网上之通讯种类数据库之上传与下载、对现场设备之指令和状态之讯息等。各节点均具备动态访问（DynamicDataAccess）功能，即无论N1网上任何操作站或任何一个NCU上，均可以对全部的数据实现检测或控制。动态数据存取很多系统都只容许有限度的资料分类，Metasys系统却能容许在N1总线上每个组件与组件间的自由通讯。这便是METASYS系统的一个独特之处——动态数据存取，加快了大量讯息传递之速度。双重onWorksN2总线之运作是由在onWorksN2网上之NCU监控。如其中一条线发生故障（即在N2网上之某一点没有接收讯号），NCU会发出指令以恢复正常通讯。1.2操作站系统根据大楼的具体功能要求，我们对操作站的介面，特性，功能做了一系列的改进，增加了许多更直观的视觉显示效果，并且通过OPC（OEforprocessContro）软件技术使所有的设备管理系统均可在简单明了的图形显示下集中完成，目前我们称改进后的操作站系统为M5，现就其几项主要的特征说明如下：多屏显示在一个操作员面显示监控庞大的集中自动化系统的所有信息是一个大难题，而M5操作站采用屏幕管理系统解决了这个困难，大型建筑物、多建筑群及多种网络均可采用此项技术以支持多屏显示。现存图形的重复利用无论是JohnsonContros工作站内的图形，或是其它的图形格式，Metasys操作站都能再利用它们。绘图软件CoreDraw，Visio及AutoCad，同数码像机、视像抓取卡及数字扫描仪一样均能提供丰富的图形资源，操作站的灵活性大大减少了程序员和操作者的工作。动画介面操作系统采用全新动画介面，可伴有音乐和旁白，更生动地描述现场情况，同时可将大楼受控设备的实时图像通过集成系统传到操作站，从而更准确直接地指导操作员应采取的动作。采用颜色梯度的动态信号图形技术提供完整的动态图形控制，包括显示、消失、闪烁旋转、动画以及彩色梯度。全部通过易于使用和理解的图标控制定义对话，任一标志的功能控制都能直接相关于另一点或由大楼用户根据自己需要任意定义单独的设备。动作趋势tion提供给大楼用户有关能源管理以及设备诊断的数据分析曲线，如此详细的各点情况都有助于更好地理解相关控制功能的实现过程。大楼的管理人员可根据这些曲线分析受控设备的保养状况及其是否在最佳的工作状态。网络控制器（NCU）网络控制器是一种模块式、智能化的控制盘，为METASYS网络的心脏。通过多个网络控制器，即可将大楼每一个侧面的管理情况紧密的连接起来，进行全面综合的管理。通过相互共享整个网络中的所有信息，每个NCU能用高级控制算法提供全建筑物范围的最优控制。网络控制器具有多种统计控制功能。网络控制器可配置手提终端检测器，该检测器完全可以代替操作站的功能，存取整个系统中所有信息和发出控制指令。1.4直接数字控制器（DX-9100）直接数字式控制器是Metasys系统的最前端装置，直接与大楼内有关的设施连接起来，再通过N2总线与网络控制器相连，网络控制器与中央操作站均可对其实现超越控制。直接数字式控制器能够支持以下不同性质的监控点：-模拟量输入（AI）-数字量输入（DI）-模拟量输出（