智能建筑楼宇自控系统的研究

智能建筑楼宇自控系统的研究ResearchonBuildingAutomationSystemofIntelligentBuilding王宏荆晓艳李红涛1郑州轻工业学院电气信息工程学院(郑州450002)2郑州轻工业学院食品与生物工程学院(郑州450002)3河南省计算机公司(郑州450003)摘要：随着信息技术的迅速发展，人们对各类建筑物的使用功能要求越来越高，以自动控制技术、通信技术和计算机网络技术组成的楼宇设备自动化控制系统的使用越来越普及。本文主要对智能建筑的现状和发展前景展开讨论，内容包括智能建筑的基本概念，楼宇自动化系统的系统结构和基本功能。关键词：智能建筑楼宇自控现场总线Abstract：Withtherapiddevelopmentofinformationtechnology,thefunctionalityrequirementtovariouskindsofbuildingsismuchhigherthanbefore．Atpresent，theBuildingAutomationSystem(BAS)，whichconsistsofautomationtechnology,telecommunicationtechnologyandcomputernetworkstechnology,iswidelyused．Thepresentsituationanddevelopingprospectoftheintelligentbuildingisdiscussedcarefullyinthispaper,thebasicconceptofintelligentbuilding，thesystemstructureandbasicfunctionsofbuildingautomationsystemisdiscussed．Keywords：IntelligentbuildingBuildingautomationsystemFieldbus1引言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、Control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。随着技术的不断更新，智能神经网络计算机，数据流机的研制应用，并行处理分布式系统会被广泛深入地应用到楼宇自动化系统当中。而目前正在兴起的智能大厦和智能建筑建设热，正是适应了这种社会信息化、生活舒适化与经济国际化的需要。智能大厦向人们提供全面、高质量、安全、舒适、快捷的综合服务功能，是现代高科技的结晶，是建筑艺术和信息技术的完美结合。2智能建筑所谓的智能建筑一般定义为：智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素：结构、系统、服务和管理以及它们之间的内在联系进行最优化设计，从而提供一个投资合理的，具有高效、舒适、便利环境的建筑空间。其中结构指的是建筑环境结构，它涵盖了建筑物的结构、装饰、建材、空间划分等；系统指的是实现建筑物功能所安装运行的光机电设备系统，如空调、电梯、照明、给排水、通信、综合布线、物业管理、一卡通、业务办公等智能化系统；服务是指为建筑物的使用者和管理者提供高效、优质的全方位服务，提供安全、舒适、高效、便利的生活、学习与工作环境，并降低建筑设备系统的运行维护费用；管理指的是对人、财、物、信息及智能化系统的全面管理。2．1智能建筑的现状及发展智能建筑在我国的起步比较晚，从整体上看分为初级和发展两个阶段，1990～1995年为初始阶段，是从单一功能专用系统开始，并有多功能系统综合出现。1995-2000年进入系统集成阶段，主要是以楼宇自动化管理系统为中心的集成，并已见成效，发展较快。2000年到目前为止是一体化集成管理系统，正在进行中，发展较慢。1996年以来，我国的智能建筑行业进入发展阶段，在全国范围内得到推广应用，经过实践的锻炼，我国智能化系统的技术队伍趋于成熟，缩小了我国智能建筑行业与国际水平的差距。但我国的智能建筑行业如果要赶上国外的先进水平仍然有很长一段路要走。目前智能建筑在世界各地得到了广泛的发展，而且这些智能建筑的智能化水平都较高，通常可以达到较高的集成度。近年来我国智能建筑也得到了迅速发展，呈现出巨大的市场潜力，并经过多年的发展，如今已进入全面发展阶段。2．2智能建筑的层次结构建筑智能化系统的结构由上层的智能建筑综合管理系统(IBMS：IntelligentBuildingManagementSystem)和第2层的3个智能化子系统构成：建筑设备管理系统(BMS：BuildingManagementSystem)，通信网络系统(CNS：CommunicationNetworkSystem)和办公自动化系统(OAS：OfficeAutomationSystem)。BMS，CNS和OAS3个子系统通过综合布线系统(GCS：GeneticCablingSystem)连接成一个完整的智能化系统，由IBMS统一监管。BMS包括建筑设备自动化系统(BAS：BuildingAutomationSystem)、消防自动化系统(FAS：FireAutomationSystem)、安全防范自动化系统(SAS：SafetyAutomationSystem)。整个建筑智能化系统是建立在建筑(环境)这个平台(或基础)之上的。建筑智能化系统结构如图1所示。智能建筑的灵魂是智能化系统，各级子系统集成在一起，共同作用，才支撑起智能建筑。建筑师为智能建筑修建了基础的建筑平台，智能化系统为其赋予了灵魂。智能化系统提供方便、快捷的服务，提高了商用写字楼、民用住宅等各种建筑的智能水平，满足了公众对信息日益增长的需求。3智能建筑中的楼宇自控系统3．1楼宇自控系统的构成及基本功能楼宇自动化系统是整个智能大厦智能化系统中，内容最为丰富、设备最多、控制管理最复杂、控制范围最广的建筑智能化系统，是整个智能大厦建筑智能系统最重要的组成部分之一。它包括狭义的建筑设备自动化系统BAS、消防报警自动化系统FAS和安全防范自动化系统SAS3大子系统。智能建筑楼宇设备自动化系统中包括下列实时监控子系统：楼宇机电设备监控系统；保安系统；消防报警系统；广播音响系统及停车场管理系统。楼宇自动化系统的基本功能如下：(1)实时监控各子系统的关键设备和关键点：楼宇自动化系统将独立分散的子系统集成起来，提供一个集中监控的方式，并以图形、文字、动画的方式显示出来。(2)执行上层下达的管理方面的控制指令：根据需要，系统管理人员可以直接下达命令，控制任何一个设备的运行。(3)综合各个设备监控子系统的状态信息，提供相关报告。(4)记录历史数据，提供综合信息管理功能。3．2楼宇自控系统的网络结构我国的智能建筑起步较晚，集成化的楼宇自动化系统国内还没有，国内市场几乎被外国产品覆盖。目前国外可实现全面实时监控管理的楼宇自动化系统基本上是分层结构模式，系统功能一般是从空调控制系统发展起来的，端点控制设备均为可编程模块化控制器。一般来说，楼宇自动化系统的网络结构都采用现场总线结构形式。简单来说，可以分成3层，如图2所示。最上层是信息域的干线，按照国家标准采用总线拓扑结构的以太网作为楼宇自动化系统的干线，以实现网络资源的共享以及各个中央站点之间的通信。第2层为控制域的干线，即完成控制的各分站点总线，一般采用RS485总线网络，作用是以不小于9．8Kbit／s的通信速度把各分站点连接起来，处理各种信息；同时，在分站点总线上还必须设有与其他厂商设备连接的接口，以便实现与其他设备的通信联网。第3层为子站点总线，它是由分散的控制器相互连接使用，子站总线通过子站连接器与分站总线连接，从现场设备监控到的信息传输到中央工作站进行处理，并从上级网络获得信息的处理结果。图2楼字自动化系统的3级网络结构3．3楼宇自控系统的系统结构楼宇自动化系统经过20多年的发展，现在主要有集散结构形式和现场总线结构形式两种。（1）集散式结构(DCS)形式集散结构形式，即集散控制系统的结构形式(DCS：DistributedControlSystem)是20世纪70年代后，随着计算机技术与数字通信技术的发展而诞生的一种先进而有效的控制方法，是目前使用最多的一种BAS系统结构，特征是集中管理、分散控制。一般有2层网络和3级控制设备，如图3所示。现场控制器实现对现场设备信号的采集、处理、控制、输出等执行过程。操作站由工业计算机(或PC机)和操作控制台组成。中央监控站可对集散控制系统进行离线的配置、组态工作和在线的系统监视、控制和维护。当中央监控站或操作站出现故障时，其下层控制设备仍能独立实施控制，保证系统的可靠性。集散结构形式，是目前使用最多的一种BAS系统结构，但随着现场总线结构形式的快速发展，已逐步被现场总线结构形式所取代。(2)现场总线结构(FCS)形式现场总线结构形式，如图4所示。现场总线控制系统(FCS：FieldbusControlSystem)，一般由现场智能设备(仪表)、现场总线、监控组态计算机3部分构成。其核心是现场总线技术。相比于DCS系统来说，现场总线技术的实时、可靠、低成本、使用方便等特点使其在被控现场层得到了广泛应用，也很好地解决了DCS控制系统中遗留的问题，从信号标准、通信标准到系统标准，从体系结构、设计方法、安装调试到产品结构都有革命性的变化。它实际上是控制技术、仪表工业技术和网络技术三者结合的产物。换句话说，当制造和过程控制由分立设备发展到共享设备、工业仪表由简单电子仪表进化到智能仪表、计算机网络延伸到传感器和执行器时，它即成为这几大技术分支结合的历史必然。以现场总线为核心的现场总线控制系统(FCS)必将成为未来工业生产重要的组成部分，必将取代传统的DCS系统，成为第5代过程控制体系结构。图4现场总线控制系统的结构目前，现场总线控制系统结构形式己得到了认可和发展，楼宇自动化系统中一般都采用这种结构形式，它是未来楼宇自动化系统发展和应用的主流方向。4结束语楼宇自控系统集成是一门综合性很强的新兴技术，它涉及到计算机、信息工程、自动控制、系统工程、通信工程、管理工程、价值工程以及与特定应用场合相关的众多学科。各个学科都有自己的知识体系，必须协调这些学科的相互关系，才能进行有效的系统集成。参考文献1施鉴诺等.智能建筑的建筑设备自动化.北京工业大学，20012王波，卿晓霞．智能建筑导论．北京高等教育出版社,2003．3张瑞武．智能建筑．清华大学出版社，1996．4孙景芝．建筑电气自动控制．北京建筑工业出版社，1993．5赵起升，朱静孙，王平．智能建筑中的楼宇自动化设计及其应用．华中科技大学学报(城市科学版),2003．20(3)．