第二章 楼宇自动化控制技术基础

楼宇自动化控制技术基础BAS楼宇自动化系统1.供配电系统2.照明系统3.给排水系统4.暖通与空调系统5.电梯停车场系统6.保安系统7.消防系统8.物业管理高/低压配电设备报警系统参数检测变压器工作状态应急供电设备功率因数自动补偿给水设备监控排水设备监控污水处理系统水位检测锅炉设备监控电梯运行监控停车场监控停车场收费系统设备联动控制紧急广播系统自动监测系统自动排烟系统自动灭火系统分区控制定时控制事故照明艺术照明自动照明空调机组监控冷热机组监控空气处理系统通排风监控环境检测防盗报警监控巡更对讲系统闭路电视门禁控制周界设防系统收费管理财务管理信息管理报表管理统计分析一、传感器概述在测量的过程中将物理量、化学量和机械量等转变成电信号的装置叫传感器。而把传感器得到的电信号再转变成标准的电信号的装置叫变送器。传感器、变送器是工业自动化控制及信息检测技术中不可缺少的控制元件。它可以把诸如温度、压力、流量、液位、位置等模拟量或开关量转变成电信号，再由自动化控制仪表或计算机进行控制处理和调节。借助于传感器和变送器，可以对智能建筑的各类参数进行测试和评定，并进行过程控制和调节，还可以进行远距离的传送和信号处理。当前，传感器、变送器总的发展趋势是朝着小型化、多功能化及智能化方向发展。特别是增加了数据处理功能、自诊断功能、软硬件相组合功能、人机对话功能、接口功能、显示和报警功能等。它们在楼宇自动化中得到了广泛的应用。二、楼宇自控中的传感器与控制器1．楼宇自控中常用的传感器(1)温度传感器温度传感器用于测量水管或风管中介质的温度，以此来控制相应的水泵、风机、阀门和风门等执行元件的开度。(2)湿度传感器湿度传感器用于测量风道中介质的湿度，以此来控制相应的加湿阀的开度。(3)压力或压差传感器压力或压差传感器主要用来检测水管或是风管中的压力和压差，以此来控制相应的变频器以调整水泵或风机的转速，或是调节比例阀门的开度。(4)流量传感器流量传感器主要是检测水系统中液体的流量，以此来控制相应水泵阀的数量。上述传感器，通常用来控制模拟量，其输出模拟量是0～10V或4～20A。结构是传感器和变送器的组合。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器鼠标:光电位移传感器摄象头:CCD传感器麦克风:电容传声器2．楼宇自控中常用的开关量控制器楼宇自控中常用的开关量控制器有如下几种，它们输出的形式都是开关量：CCD全称为ChargeCoupledDevice，电荷藕合器件(1)温度控制器温度控制器主要用来检控现场的温度，一般是由感温元件、控制电路、信号输出等三部分组成的。在楼宇自控中，温度控制器主要用于测量室内的温度，并以此控制风机盘管冷、热水阀的启停。(2)湿度控制器湿度控制器主要用来检控现场的湿度，一般是由感湿元件、控制电路、信号输出等三部分组成的。在楼宇自控中，湿度控制器主要用于室内的湿度检测，并以此来控制加湿阀的启停。(3)防霜冻保护开关防霜冻保护开关主要用来检测新风机组或空气处理机中的盘管温度，当温度低于某一设定值时，系统自动关闭风机和新风阀门，同时打开热水电动二通阀来防止盘管的冻结。(4)压差开关压差开关主要用来检测新风机组或空气处理机中的滤网，当滤网发生堵塞时，装在滤网两端的压差开关会发出报警信号。(5)水流开关水流开关主要用来检测管道内是否有水的流动，通常应用于制冷站、热站、给排水等带有泵类的系统中。(6)液位开关液位开关主要用来检测液体的液位，如清水池和污水池的液位。三、阀门与电动执行器在气体和液体的流动控制中，常常用阀门来作为介质流动的控制手段。要想实现自动化控制就得对一些阀门、风门等元件实现自动控制。这就需要用到阀门和电动执行器。1．阀门常见的阀门有如下几种：(1)风机盘管电动阀这是一种平衡式冷热水阀，主要应用于风机盘管的控制中，这类阀所需的功率最小，是通电开启的一种阀门。阀门的开启时间仅为7s，具有很好的密闭性，流体允许温度为0～95℃。(2)二通螺纹线性阀主要应用于供热通风和空调，也可以用于饱和水蒸气。它的连接方式是采用内螺纹结构，阀体纯铜材料。它与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。(3)法兰式三通阀这种阀门主要应用于供热与空调，也可以用于饱和水蒸气。它的连接方式是采用法兰结构，阀体与阀座为一体化结构，泄露率极低，适应的温度为2～170℃。它与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。2．电动执行器电动执行器有如下几种：(1)电动阀门执行器这种执行器适用于HVAC阀门(HVAC：采暖、通风和空调Heating,VentilationandAirConditioning)，内带一个选择正反作用插头，用于提供模拟输出DC0～10V的调制控制。它具有安装快捷、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关等优点。电动线性阀门执行器还带有手动调节和精确的同步电动机控制。阀的自身还带有位置反馈的输出信号，可以和阀门组合在一起进行PID(比例积分微分，一种闭环回路算法)调节。通常被用来对液体、气体等介质进行变量的开度控制，它也是自动化控制中的主要元件。(2)风门执行器这种执行器用于控制风门、通风百叶窗的调节和控制，可以和标准的圆形和方形的风门连杆进行连接，被广泛地应用在风门的开度控制，特别是在空气处理机和新风机组的回风阀、排风阀、新风阀中实行PID的控制，使之形成一定的比例连锁控制。三、集散控制系统即分布式控制系统(DCS—DistributedControlSystem)，它的特征是“集中管理，分散控制”，即以分布在现场被控设备处的各种功能性微机(下位机)完成被控设备的实时监测、保护与控制。该系统克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性；以安装于中央监控室并具有很强的数字通信、CRT显示、打印输出与丰富的控制管理软件功能的中央管理计算机(上位机)完成集中操作、显示与优化控制功能，避免了因常规仪表分散控制而造成的人机联系困难，且便于统一管理。传感器/控制器群针对水、电、气、报警、消防等终端设施进行检测与控制，一般根据监控需求按类或按组控制。对大型DCS，中间还有区域控制中心。本单位相关职能部门政府相关职能部门：如110/119有关收费部门：如电力/煤气/自来水公司等下位机传感器/控制器下位机传感器/控制器下位机传感器/控制器…中央控制室：装备了各种上位机、显示系统、传输控制系统、信息存储、打印输出、客户查询等设备分布式系统将许多台计算机联合起来，共同承担监测与控制管理的工作，所连接的每台计算机既可以独立进行监测和控制工作，又可以在中央控制机指导下工作，共同完成某项控制任务。其灵活性、可靠性要远高于单台控制器。如右图所示，集散型计算机控制系统主要由四部分构成。1．中央管理计算机(或称上位机、中央监控计算机)中央管理计算机设置在中央监控室内，它将来自现场设备的所有信息数据集中提供给监控人员，并接至室内的显示设备、记录设备和报警装置等。由于中央管理计算机是整个BAS的核心，相当于人的大脑，其重要性是不言而喻的。普通商用个人计算机用作中央控制机显然是不合理的。一般为了提高计算机的可靠性通常采用两种方法：一种是直接采用工业控制计算机；另一种就是采用容错计算机。工业控制计算机(也称IPC)由于采用了特殊的生产工艺和手段,其稳定性是普通商用PC所无法比拟的。而所谓容错计算机就是采用两台普通PC通过互为冗余备份的方法来充当中央控制主机，一旦其中一台PC出现故障，作为备份的另一台主机可立刻被专用的总线控制电路启动，从而不会导致系统瘫痪。2．DDC(直接数字控制器，亦称下位机)DDC作为系统与现场设备的接口，它通过分散设置在被控设备的附近收集来自现场设备的信息，并能独立监控有关现场设备。它通过数据传输线路与中央监控室的中央管理监控计算机保持通信联系，接受其统一控制与优化管理。3．通信网络中央管理计算机与DDC之间的信息传送，由数据传输线路(通信网络)实现，较小规模的BAS系统可以简单地使用屏蔽双绞线作为传输介质。4．传感器与执行器BAS系统的末端为传感器和执行器，它被装置在被控设备的传感(检测)元件和执行元件上。这些传感元件如温度传感器、相对湿度传感器、压力传感器、流量传感器、电流电压转换器、液位检测器、压差器和水流开关等，将现场检测到的模拟量信号或数字量信号输入至DDC，DDC则输出控制信号传送给继电器、调节器等执行元件，对现场被控设备进行控制。四、直接数字控制器直接数字控制器(DDC—DirectDigitalController)，又称下位机，从某种意义上讲，它是整个楼宇自控系统的关键。“控制器”指完成被控设备特征参数与过程参数的测量并使达到控制目标的控制装置。“数字”的含义是指该控制器利用数字电子计算机来实现其功能要求。“直接”意味着该装置在被控设备的附近，无需再通过其他装置即可实现上述全部测控功能。因此,DDC实际上也是一个计算机，它应具有可靠性高、控制功能强、可编写程序等特点，既能独立监控有关设备，又可通过通信网络接受来自中央管理计算机的统一控制与优化管理。1．DDC支持的监控点DDC能够支持以下不同性质的监控点：(1)模拟量输入(AI)；(2)开关量输入(DI)；(3)模拟量输出(AO)；(4)开关量输出(DO)。2．DDC的主要功能DDC的主要功能包括以下几个方面：(1)对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集。(2)对采集的数据进行调整和处理(滤波、放大、转换)。(3)对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态。(4)对现场设备运行状况进行检查对比，并对异常状态进行报警处理。(5)根据现场采集的数据执行预定的控制算法而获得相关的控制数据。(6)通过预定控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、比例加积分控制、比例加积分加微分控制、开关控制、平均值控制、最大/最小值控制、逻辑运算控制和连锁控制。(7)向第三层的数据控制和执行设备输出控制和执行命令(执行时间、事件响应程序、优化控制程序等)。(8)通过数据网关(DG)或网络控制器(NCU)连接上层的设备，与各上级管理计算机进行数据交换，向上传送各项采集数据和设备运行状态信息，同时接收各上级计算机下达的实时控制指令或参数的设定与修改指令。DDC拥有BAS所要求的几乎所有的基础功能，基本上已可完成所有基础的运作，只是在监控的范围和信息存储及处理能力上有一定限制。因此，直接式数字控制器可以看作是小型的、封闭的、模块化的控制计算机。在很小规模、功能单一的BAS中可以仅仅使用一到多台控制器完成控制任务；在一定规模、功能复杂的系统中可以根据不同区域、不同应用的要求采用一组控制器完成控制任务，并依靠中央管理系统随时监视控制和调整控制器运行状态，完成复杂周密的控制操作。3．常见的专用控制器类型(1)空气处理机组控制器；(2)空调控制器；(3)照明控制器；(4)变风量控制器；(5)消防报警控制器。更常用的是模块化控制器。模块化控制器是可编程的、以计算机模块为基础的直接数字式控制器。其基本结构包括一个可内插多个模块的机架，一个计算机模块和一个电源供应模块。根据不同的具体应用，还可以内插各种不同用途的通信模块、辅助控制模块和输入/输出(Analogy/Digital)模块。上个世纪七八十年代，伴随着计算机可靠性提高，价格大幅下降，出现了由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控制系统(DistributedControlSystem，简称DCS)。DCS是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种综合控制系统。它的测量变送仪表一般是模拟仪表，属于一种模拟数字混合控制系统，这种系统较以前的各种控制系统有了较大的进步。DCS在工业自动化控制领域获得了大量的应用，也广泛应用于楼宇自动化控制领域，但是DCS存在如下一些缺点：(1)安装费用高:采用一台仪表、一对传输线的接线方式，导致接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难；(2)可靠性差:模拟信号传输精度低，而且抗干扰性差；(3)系统封闭:各厂家的产品自成系统，系统