智能建筑中的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)理論淺析

唐　勇

摘 要：樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BuildingAutomationSystme簡(jiǎn)稱(chēng)BAS），是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)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。

關(guān)鍵詞：樓宇自動(dòng)化；控制系統(tǒng)

1 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能

建筑設(shè)備自動(dòng)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(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BSA又可分為設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)。一般情況下，這兩個(gè)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(dú)立設(shè)置，也應(yīng)與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系以便災(zāi)情發(fā)生時(shí)，能夠按照約定實(shí)現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一體化的協(xié)調(diào)控制。

建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：

自動(dòng)監(jiān)視并控制各種機(jī)電設(shè)備的起、停，普示或打印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。自動(dòng)檢測(cè)、顯示、打印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)或歷史數(shù)據(jù)。根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運(yùn)行于最佳狀態(tài)。監(jiān)測(cè)并及時(shí)處理各種意外、突發(fā)事件。實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。能源管理：水、電、氣等的計(jì)量收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化。

2 樓宇自運(yùn)輸隊(duì)經(jīng)控制系統(tǒng)的原理

樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理化的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱(chēng)為布式控制系統(tǒng)（Distributedcontrol systems簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備處的微型計(jì)算機(jī)控制裝置（DCS）完成被控設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制任務(wù)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制帶來(lái)的危險(xiǎn)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(jì)算機(jī)具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強(qiáng)的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報(bào)警、打印與優(yōu)化控制等任務(wù)，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機(jī)聯(lián)系困難、無(wú)法統(tǒng)一管理的缺點(diǎn)，保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關(guān)的幾個(gè)概念。

2.1 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(jiǎn)稱(chēng)DDC）。計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬量輸入通道（AI）和開(kāi)關(guān)量輸入通道（DI）采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，并通過(guò)模擬量輸出通道（AO）和開(kāi)關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過(guò)程。因此DDC系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種就用方式。DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，因而要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高的適應(yīng)性強(qiáng)。

2.1.1 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(guò)程輸入通道、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸出通道三部分組成。

過(guò)程輸入通道由模擬量輸入和安息字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開(kāi)關(guān)、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(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號(hào)，它是通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。-數(shù)字量輸入通道由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過(guò)程的通/斷狀態(tài)的觸點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器和接口電路變換成數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)。

過(guò)程控制計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)運(yùn)算和控制任務(wù)，首先通過(guò)過(guò)程輸入通道采集被控對(duì)象的各種參數(shù)信號(hào)，再根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律（如PID）進(jìn)行運(yùn)算，然后被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)，再通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.1.2 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(jìn)行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種基本規(guī)律，PID控制規(guī)律離散化并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可以方便地利用已積累的成熟技術(shù)，而且可以在被控對(duì)象的數(shù)字模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)整定達(dá)到滿(mǎn)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(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用，成為DDC系統(tǒng)的基本算法。

2.2 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(jiǎn)稱(chēng)DCS）20世紀(jì)于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和通信技術(shù)匯集于一體，可對(duì)分散在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)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，即避免了單臺(tái)計(jì)算機(jī)集中控制的不足，又克服了常規(guī)儀表人機(jī)交互困難的缺點(diǎn)。

分布式控制系統(tǒng)的多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)取代的集中控制系統(tǒng)的單臺(tái)計(jì)算機(jī)從體系結(jié)構(gòu)上分散了危險(xiǎn)性，提高了可靠性。

2.2.1 分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)張

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)和分布式控制系統(tǒng)的支柱。整個(gè)分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等都是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的“節(jié)點(diǎn)”都含水有CPU和網(wǎng)張接口，它們都有自己特定的網(wǎng)絡(luò)地點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)號(hào)），可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)處于平等地位，即能共享資源，又不相互依賴(lài)，形成即有統(tǒng)一指揮，又使危險(xiǎn)分散的功能結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)區(qū)具有極大的伸縮性，可擴(kuò)性很強(qiáng)，可以滿(mǎn)足分布式控制系統(tǒng)擴(kuò)充與升級(jí)的需要，十分靈活、方便。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用--分布式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步分散化

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)概況 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)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(luò)。不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)遵循的協(xié)議不同，接口標(biāo)準(zhǔn)不同，各具特色?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)具有如下一些特點(diǎn)：①以數(shù)字信號(hào)取代4-20mA的模擬信號(hào)，極大地提高了信號(hào)轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，因此現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有很高的性能價(jià)格比。（2）現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)把處于設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表（智能傳感器、智能執(zhí)行器）連成網(wǎng)絡(luò)，使控制、報(bào)警、趨勢(shì)分析等功能散到現(xiàn)場(chǎng)儀表，使控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分散化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變化。（3）符合同一現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不同廠(chǎng)家的儀表、裝置可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)互操作，不同標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)或路由器也可互聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)。

LonWorks是一種完全分布式控制的局部操作網(wǎng)（Local Operating Network-LON）技術(shù)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的核心，它由媒體訪(fǎng)問(wèn)媒體防問(wèn)控制處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器組成，這就使得節(jié)點(diǎn)既能管理網(wǎng)絡(luò)通信，又有控制功能。

芯片附有固件，該固件實(shí)再LonTalk通信協(xié)議和所有的任務(wù)調(diào)度。LonTalk協(xié)議遵循世界標(biāo)準(zhǔn)組織ISO提出的開(kāi)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(luò)節(jié)點(diǎn)的通信，分配節(jié)點(diǎn)地點(diǎn)，運(yùn)行內(nèi)含的沖突/檢測(cè)回避算法，控制物理/電氣的連接等。

Neuron芯片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器，LonTalk協(xié)議固芯片的ROM中，使得LonWorks的微型節(jié)點(diǎn)無(wú)需中心結(jié)構(gòu)的宛全分布式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)，可以采用多種通信媒體，如雙絞線(xiàn)、電力線(xiàn)、同軸電纜、光纜、無(wú)線(xiàn)電、紅外線(xiàn)，并且提供與上述多媒體相適應(yīng)的收發(fā)器，這使得同一網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)可以在不 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(jìn)行連接。

LonWorks是為了避免眾多制造商以不同的含義來(lái)解釋LonWorks技術(shù)，保證不同的產(chǎn)品能夠方便地集成一起，以便構(gòu)成一個(gè)真正開(kāi)放的系統(tǒng)，而制定的一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

分布式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步分菜化。傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)控制站這一級(jí)依然是一個(gè)集中式結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)是在原有分布工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的新系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)LAN原有的分布式控制系統(tǒng)，使用BADnet協(xié)議，以利于實(shí)現(xiàn)多種供應(yīng)商的不同類(lèi)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(gè)島連成一個(gè)整體，新增的LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用LonTalk協(xié)議，把控制功能進(jìn)一步分散到現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表，標(biāo)準(zhǔn)LAN與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之間的路由器相聯(lián)。BACnet和LonWark現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用LonTalk協(xié)議，把控制功能進(jìn)一步分散現(xiàn)場(chǎng)級(jí)儀表，標(biāo)準(zhǔn)LAN與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)之間的路由器相聯(lián)。這樣BACnet和LonWark兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)互相補(bǔ)充，互為依托，構(gòu)成一個(gè)完全分散的、真正開(kāi)放的建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)。