楼宇自动控制管理II(楼宇自动化技术基础)

楼宇自动控制管理第二章楼宇自动化技术基础内容提要楼宇自控系统的概念楼宇自控系统的组成楼宇自控系统的功能楼宇自控系统的结构楼宇自控系统的通信协议楼宇自控系统楼宇自控系统是对建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、安保等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监测、管理和分散控制的建筑物管理与控制系统，称为BAS（buildingAutomationSystem）。楼宇自控系统的组成暖通空调自动化系统供热、通风及空调系统为建筑物内提供了一个舒适的环境，为建筑物内的机电设备（冷却塔、冷水机组、空气处理机、气控设备等）提供一个最优化的控制。基本功能包括：设备控制、循环控制、最佳起/停控制、数学功能、逻辑功能、趋势运行记录、报警管理等。供配电综合自动化系统通过对建筑物内的高/低压配电房及所有配电设备的监视报警和管理及程序控制，提供对于重要电气设备的控制程序、时间程序和相应的联动程序。智能数字照明控制系统给排水自动控制系统电梯控制系统楼宇自控系统的组成楼宇自动化系统BAS供配电系统照明系统给排水系统暖通空调系统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给水设备监控排水设备监控污水处理系统水位监测锅炉设备监控分区控制定时控制事故照明艺术照明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自动照明楼宇自控系统的组成楼宇自控系统的主要目的创造舒适、健康、宜人的办公环境降低大楼的能耗延长机电设备运行寿命提升物业管理水平，减少人力投入，降低维护费用提高系统的整体效能典型的大楼能源使用分布楼宇自控系统的结构楼宇自控系统的结构楼宇自控系统的结构楼宇自控系统的结构中央控制室（数据中心）包括中央处理机(上位机)、外围设备、不间断电源三部分。检测元件（传感器）是指装设在各监测现场的各种敏感元件、变送器、触点和限位开关，用来检测现场设备的各种参数（如温度、湿度、压差、液位等），并发出信号送到调节控制器（分站、数据中心等），如铂电阻温度检测器、符合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器。执行调节机构是指装设在各监控现场、接受分站调节控制器的输出指令信号，并调节控制现场运行设备的机构，如电动阀、电磁阀、调节阀等，包括执行机构（如电动阀上的电机）和调节机构（如电动阀的阀门）。分站控制器：是以微处理机为基础的可编程直接数字控制器DDC，它接收传感器输出的信号，进行数字运算、逻辑分析判断处理后自动输出控制信号，动作执行调节机构。楼宇自控系统的结构数据传输线路：是联系系统各部分的纽带，从各个监控点到分站控制器的线路是逐点连接（放射式），数据中心与各分站通过总线型或环形结构进行组网，各分站直接用一回路双芯导线连接到总线上就可以实现分站与分站之间、分站与中央站之间的通信。直接数字控制器DDC分站控制器是整个控制系统的核心，采用直接数字控制器DDC，它具有AI、AO、DI、DO四种输入/输出接口。方便灵活地与现场的传感器、执行调节机构直接相连，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统的调节与控制。AI-模拟输入，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为1-10V或4-20mA的直流信号；AO-模拟输出，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器等，不需要外部电源，输出为0-10V的直流信号。DI-数字输入，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设备状态、报警接点、脉冲计数等。DO-数字输出，用于控制风机、水泵等运行，亦可作为输出信号与动作增减量型执行机构。直接数字控制器DDCDDC控制系统与控制算法（PID算法）工艺过程DDC检测执行A/DD/A控制算法控制指令控制器检测器反馈U(t)调节量误差e(t)调节器给定直接数字控制器DDC控制器检测器反馈U(t)调节量误差e(t)调节器给定dttdeTdeTteKtUdtip01数字控制算法则是将PID调节规律，离散化后的算法TkekeTTmeTkeKkUdknip110Kp—比例增益Td—微分时间常数Ti—积分时间常数T—采样周期k—采样序号直接数字控制器DDCDDC的主要功能：对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集；对采集的数据进行调整和处理（滤波、放大、转换）；对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态；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；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。直接数字控制器DDCDDC的主要功能：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；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）；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。直接数字控制器DDC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（微处理机）。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。直接数字控制器DDC常见的专用控制类型空气处理机组控制器空调控制器照明控制器变风量控制器、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/输出模块。楼宇自控系统的网络结构楼宇自控系统的网络结构分布式控制系统DCS上世纪七八十年代，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DCS（DistributedControlSystem），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。分布式控制系统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从整体逻辑结构上看，为分支树结构，与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，可分为过程控制级、控制管理级和生产管理级。各级相互独立但又相互联系，每一级按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制、实时监视和生产过程管理等。横向分散则意味在同级设备有类似的功能。分布式控制系统DCS三层结构模式的DCS（中小规模）中央计算机中间层计算机中间层计算机设备单元中间层计算机设备单元设备单元微型机微型机微型机微型机微型机微型机三级计算机系统二级计算机系统一级计算机系统分布式控制系统DCS更多层经营管理级生产管理级过程管理级直接控制级连续控制过程离散过程批量过程第四层第三层第二层第一层现场设备分布式控制系统DCS集中管理管理计算机操作员站工程师站通信检测控制检测控制检测控制生产过程分布式控制系统DCSDCS由集中操作管理部分、分散过程控制部分和通信部分组成。集中操作管理部分可分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站用于组态和维护，操作员站用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散过程控制部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，用于控制和监测。通信部分连接DCS的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。DCS软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件所组成。使用组态软件工具，来生成用户所要求的实用系统。分布式控制系统DCS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。缺点：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；可靠性差。模拟信号传输精度低，而且抗干扰性差；系统封闭。各厂家的产品自成系统，系统封闭不开放，难以实现产品的互换与互操作，难以组成更大范围的网络系统。现场总线控制系统FCS上个世纪90年代以来，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，出现了基于现场总线的控制系统FCS(FieldbusControlSystem)。FCS克服了DCS的缺点，它是一种全数字化的、全分散的、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。目前，现场总线技术已经成为自动化技术中的一个热点，备受国内外自动化设备制造商与用户的关注。FCS极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。与传统的DCS（分布式控制系统）相比，FCS具有可靠性高、可维护性好、布线成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。现场总线的出现，为工业自动化带来了一场深层次的革命，从而开创了工业自动控制的新纪元，被誉为自动化领域的计算机局域网。鉴于FCS的许多优点，控制专家们纷纷预言“FCS将取代DCS成为21世纪控制系共同的主流”。现在，FCS正被大量应用到楼宇自动化控制领域。现场总线控制系统FCS现场总线网络是局域网技术在控制领域的延伸和应用，它将是控制系统按局域网络的方式进行构造，用网络节点代替LAN中的工作站，并将其安装于监控现场，直接与各种监控传感器和控制器相连。现场总线网中每个节点间可以实现点到点的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样便使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式。这种网络集数据采集、分析、控制和网络通信为一体，十分适合于智能建筑进行分布式网络管理和控制。近年来，楼宇自动化正在向着开放系统迅速发展。在实时控制方面，实现可互相操作的现场总线技术的通信协议如LonTalk等也应运而生，为楼宇自动化中的传感器、执行器和控制器之间的网络化操作奠定了基础。典型现场总线系统结构图NCU：网络控制器。NCU与管理站之间以N1总线连接，而与下位机DDC之间以N2总线（现场总线）相连接。Lonworks现场总线技术Lonworks技术由Echelon公司开发，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。Lonworks技术的通信协议称为LonTalk，该通信协议包含ISO/OSI七层，并固化在Lonworks产品——即SmartI/O模块的神经元芯片中。Lonworks使互操作性变成即插即用的具体手段，被设计用于实时控制应用，涉及领域很广。这种分布式控制系统的优点是可大量节省传输线缆的敷设量，大大加强了整个系统的可扩充性、可维护性；系统网络中全部以数字量进行传输，整个网络协议本身又有强大的纠错功能，具有较长的传输距离和较强的抗干扰能力，可以实现无上位机的全分布式无主工作。Lonworks现场总线技术LON技术可以理解为局域网技术在控制领域的延伸和应用。它的基本思想是将控制系统按局域网络的方式进行构造，用网络节点代替局域网络中的工作站，网络节点安装于监控现场，直接与各种监控传感器和控制器相连。这种网络集数据采集（检测）、分析、控制（执行）和网络通信于一体，十分适合大型场馆、厂矿车间、酒店以及现代化家庭进行分布式网络管理和控制。Lon网络与LAN在拓扑结构上很相似，同样具有严格的、标准的通信协议，但有本质区别。网络节点：工作站--智能控制节点网络总线：高速通信线缆-低速、普通双绞线。传输速率：高（大块文件数据）--低（状态和控制信息）中央服务器--无中央控制机。Lonwork