圖書館智能化系統(tǒng)中的樓宇自控系統(tǒng)設計探討

肖立梅

【摘 要】隨著現(xiàn)代經(jīng)濟與科技的不斷發(fā)展，建筑的智能化化水平越來越高，樓宇自控系統(tǒng)作為智能建筑的關鍵部分，對建筑內(nèi)機電設備的可靠運行及節(jié)能起著重要的作用。圖書館智能化系統(tǒng)設計中的樓宇自控系統(tǒng)設計尤其值得探討。

【關鍵詞】智能建筑；樓宇自控；圖書館；設計

0 引言

當今社會隨著通信、電子、計算機以及自動控制技術的迅猛發(fā)展，人們對學習、辦公及生活環(huán)境的要求日益提高，智能建筑 （Intelligent Building，IB）應運而生并得到高速發(fā)展，樓宇自控系統(tǒng)BAS（Building Automatic System）是其關鍵之一。樓宇的智能化自20世紀90年代已經(jīng)開始應用于大中城市的高層及多功能建筑物上之后得到了廣泛應用和飛速發(fā)展。

圖書館屬于公共建筑，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、安全要求高、設備數(shù)量眾多，非常需要建設智能化系統(tǒng)。圖書館建筑的智能化程度，決定著其運行效率與安全等級，樓宇自控系統(tǒng)是其關鍵系統(tǒng)之一，起著重要的作用。

本文以一圖書館工程實例介紹樓宇自控系統(tǒng)的設計，此項目規(guī)劃占地2.1萬平方米，建筑面積約9.8萬平方米，地下2層、地上10層，建筑總高度約50米。設有辦公室、信息咨詢部、閱讀部、活動推廣部、數(shù)字資源與技術保障部、物業(yè)管理等多個部門。

1 樓宇自控系統(tǒng)的需求分析

樓宇自控系統(tǒng)設計具有很大的靈活性，應根據(jù)建筑物的整體功能需求和物業(yè)管理方式確定控制水平，根據(jù)建筑物內(nèi)不同區(qū)域的要求和受控設備的分布特點，選擇技術先進、成熟可靠、經(jīng)濟合理的控制系統(tǒng)方案，避免投資的盲目性。

本樓宇自控系統(tǒng)擬對圖書館內(nèi)的各機電設備（包括：空調(diào)通風監(jiān)控系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等），采用集散系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，以實現(xiàn)對設備進行可靠而經(jīng)濟的優(yōu)化控制，進而延長設備的使用壽命、節(jié)約能耗和簡化管理。

系統(tǒng)必須具有開放性、可擴充性、標準化，采用開放性的標準通訊協(xié)議?？刂浦骶W(wǎng)和分布網(wǎng)要求采用BACnet/IP通訊協(xié)議，BAS分站則采用BACnet MS/TP或LONWORKS通訊協(xié)議。最終系統(tǒng)具備開放性、兼容性和擴展性具。

系統(tǒng)的管理訪問支持 B/S或同時支持 B/S 和 C/S，允許設置多個工作站，對系統(tǒng)實現(xiàn)遠程管理和控制。

根據(jù)圖書館的使用要求，提供針對性的管理功能，包括：檢修提醒報警、越限報警、控制失效報警。

1.1 空調(diào)通風監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

本工程中空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)考設備包括：冷源系統(tǒng)、空調(diào)機組、新風機組、送/排風機等。

冷源系統(tǒng)包括 4 臺冷機、5 臺冷凍泵、5臺冷卻泵、4 臺冷卻塔、1 個膨脹水箱、1個軟化水箱及2臺補水泵等設備。冷源系統(tǒng)由專用的群控系統(tǒng)管理，樓宇自控系統(tǒng)（BAS）只需通過BACnet、OPC 等開放的通訊協(xié)議接口，讀取設備相關參數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測。監(jiān)測的主要內(nèi)容：冷機、冷凍/冷卻泵、冷卻塔的運行狀態(tài)，冷凍水供回水總管的流量、溫度、壓力，冷卻水的供回水溫度等。

新風機組的監(jiān)控需求包括：風機的啟?？刂?、水閥的控制、狀態(tài)監(jiān)測及報警；空調(diào)機組的監(jiān)控需求包括：風機的控制、水閥的控制、新/回風閥開度的控制、狀態(tài)監(jiān)測及報警；送排風機的監(jiān)控需求包括：風機的啟?？刂?、狀態(tài)監(jiān)測及報警。

1.2 給排水系統(tǒng)的需求分析

本工程給排水系統(tǒng)包括：36個集水井、72臺排污泵，分布在負二層；消防1個水池、2個生活水箱（配有5臺生活水泵）、1臺直飲水泵。排污泵的啟停由液位開關自動控制，BAS對消防及生活給水設備只監(jiān)不控。監(jiān)測內(nèi)容：排污泵的狀態(tài)（運行、手/自動和故障報警）生活水泵組的運行狀態(tài)、故障報警，生活水箱和集水井的超高、超低水位；報警提示：集水井水位過高、消防水池或生活水箱水位過低時發(fā)出報警；生活水泵、排污泵的運行狀態(tài)與控制要求不一致時發(fā)出報警；互為主備的排污泵一臺發(fā)生故障報警時另一臺不能自動投入運行時系統(tǒng)發(fā)出報警；當水泵累計運行時間越限時，系統(tǒng)發(fā)出提示消息。

1.3 第三方系統(tǒng)集成

本工程中冷源系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、不間斷電源、發(fā)電機系統(tǒng)等第三方系統(tǒng)需要通過集成接入樓宇自控系統(tǒng)（BAS），要求BAS通過軟件讀取各系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，并詳盡、準確、實時的記錄數(shù)據(jù)。

2 樓宇自控系統(tǒng)的方案設計

2.1 樓宇自控系統(tǒng)的基本組成

為提高可靠性，本系統(tǒng)采用分布式集散型控制系統(tǒng)，系統(tǒng)由中央管理站（服務器/工作站）、各種DDC（Direct Digital Controller，直接數(shù)字控制器）及各類傳感器、執(zhí)行器等組成，能夠完成多種控制及管理功能，是一種智能化控制管理網(wǎng)絡系統(tǒng)。

中央管理計算機（又稱上位機、系統(tǒng)服務器）通常設置在中央控制室，由PC主機、顯示器及打印機組成，是樓宇自控系統(tǒng)的核心。中央管理計算機實時監(jiān)測來自現(xiàn)場設備的所有信息數(shù)據(jù)和報警信息，并發(fā)出各種控制指令給現(xiàn)場控制器，對收集到的數(shù)據(jù)進行處理和記錄，并通過各種輸出設備通知工作人員。

DDC控制器是一種可獨立運行的數(shù)據(jù)采集和控制裝置，由處理器、輸入輸出通道和各種接口電路等組成。DDC控制器是樓宇自控系統(tǒng)的核心和實現(xiàn)控制功能的關鍵部件，通常分散設置在受控設備的附近，是系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的接口。DDC通過各種輸入通道采集實時數(shù)據(jù)，再按一定的控制規(guī)律進行運算，最后發(fā)出控制信號，控制受控設備的運行。 DDC的輸入輸出接口分為四類，分別是：模擬輸入（AI），數(shù)字輸入（DI），模擬輸出（AO），數(shù)字輸出（DO）。

傳感器和執(zhí)行器是安裝在受控設備里的傳感元件和執(zhí)行元件，是樓宇自控系統(tǒng)的末端設備。傳感器對一些直接反映系統(tǒng)性能的物理量，如溫度、濕度、壓力等進行檢測，并將檢測到的物理量輸入到DDC，DDC則輸出控制信號傳送給各執(zhí)行器，進而控制受控設備。

2.2 各子系統(tǒng)的設計

2.2.1 空調(diào)通風監(jiān)控系統(tǒng)

1）風機的監(jiān)控

現(xiàn)場控制器（DDC）通過事先編制的啟停控制命令，通過數(shù)字輸出（DO）控制風機的啟停，并將風機主電路上交流接觸器輔助觸點的狀態(tài)輸入到DDC的數(shù)字輸入（DI），監(jiān)測風機的運行狀態(tài)；主電路上熱繼電器的輔助觸點信號作為風機過載停機報警信號，通過DDC的數(shù)字輸入（DI）反饋到系統(tǒng)中來。

2） 送、回風溫濕度監(jiān)測及水閥的控制

在送、回風口各設置一個溫濕度傳感器，其輸出信號接至DDC的模擬輸入（AI），對送、回風的溫濕度進行監(jiān)測。比較回風溫度與設定溫度的差值，采用PID 等控制算法，通過模擬輸出（AO）控制二通閥的開度。

3） 新/回風閥開度比例控制

空調(diào)機組的新/回風閥開度比例控制信號為模擬輸出（AO）信號。

4）狀態(tài)監(jiān)測及報警

通過DDC的數(shù)字輸入通道（DI）采集空調(diào)機組/新風機組的風機手/自動狀態(tài)、風機壓差、過濾網(wǎng)堵塞報警信號。系統(tǒng)會將監(jiān)控數(shù)據(jù)自動記錄下來生成表格，便于以后查找、打印或者作進一步的數(shù)據(jù)處理。

空調(diào)通風監(jiān)控系統(tǒng)各設備的監(jiān)控點位如表1所示。

2.2.2 給排水系統(tǒng)

1）采集生活水泵組和排污泵的運行、故障報警、手自動狀態(tài)等信號，集水井水位（超高、超低水位）信號，通過DDC的數(shù)字輸入（DI）到BAS，在系統(tǒng)界面上實時顯示。

2）通過軟件的報警提醒功能設置報警點，如：啟停泵異常、設備累積運行時間越限等，提醒工作人員現(xiàn)場排查或檢修。

給排水系統(tǒng)的監(jiān)控點位如表2所示。

2.2.3 第三方系統(tǒng)集成

冷源、電梯、發(fā)電機、不間斷電源等第三方系統(tǒng)需要通過集成網(wǎng)關接口接入BA系統(tǒng)，這四個第三方系統(tǒng)分別由各自廠家通過其專用的監(jiān)控系統(tǒng)自行監(jiān)控和管理，再將各監(jiān)測數(shù)據(jù)通過集成網(wǎng)關接口提供給BA系統(tǒng)，各系統(tǒng)設置一個 BACnet網(wǎng)關用于與BA系統(tǒng)的連接和通訊。

3 樓宇自控系統(tǒng)的選型及配置

3.1 樓宇自控系統(tǒng)的選型

樓宇自控系統(tǒng)的選擇既要滿足業(yè)主的要求，又必須符合“智能建筑設計標準”（GB/T50314-2006），應全面考慮系統(tǒng)的可靠性、開放性、可擴展性及技術的先進性。

在選用產(chǎn)品時，首先應從該建筑物的要求出發(fā)，充分分析和考慮市場可供商品的市場定位和特性，選擇適合的產(chǎn)品。首先要對產(chǎn)品進行性能/價格比較，其次對樓宇自控系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，根據(jù)業(yè)主的投資預算和實際需求，選擇最具有節(jié)能功能、方便管理的樓宇自控系統(tǒng)方案。

樓宇自控系統(tǒng)的設備配置及選型優(yōu)劣，不僅對樓宇機電設備的運轉(zhuǎn)和能源利用的效率有影響，而且影響建筑物的樓宇自動化水平。選擇合適的產(chǎn)品將有利于系統(tǒng)的建設及日后的維護。系統(tǒng)選型應遵循如下原則：

1）穩(wěn)定性：保證系統(tǒng)不僅長期可靠地運行，而且各項指標也保持長期穩(wěn)定，進而減少設備的維護維修費用。在滿足成本控制后，關鍵部件（如：控制軟件、各類控制器及擴展模塊、傳感器等）應選用技術成熟的產(chǎn)品。

2）經(jīng)濟性：在滿足建筑物舒適性條件下，合理組織設備運行，降低大樓運行時產(chǎn)生的費用，體現(xiàn)出采用樓宇自控系統(tǒng)后所帶來的經(jīng)濟效益。

3）先進性：選用的系統(tǒng)產(chǎn)品技術先進性、結(jié)構(gòu)該簡單，便于工程安裝和系統(tǒng)調(diào)試、以及日后的維護與系統(tǒng)升級。

4）可擴展性：系統(tǒng)設計方案具前瞻性，充分考慮系統(tǒng)日后的擴充，當用戶有新的需求時，可在不改變現(xiàn)有系統(tǒng)的前提下實現(xiàn)用戶的擴充要求。

目前，樓宇自控系統(tǒng)品牌眾多、產(chǎn)品多樣化，市場上的主流產(chǎn)品以國外品牌為主，主要有霍尼韋爾（Honeywell）、江森自控（Johnson Control）、西門子（Siemens）、Delta、TAC、KMC等。其中，霍尼韋爾、江森自控和西門子三家公司因進入中國市場早、品牌知名度大等原因在我國的市場占有率高，但同時這幾個品牌的產(chǎn)品價格也很高。相對樓宇自控領域的這“三大巨頭”，加拿大Delta控制公司進入中國市場較晚（2002年進入中國市場），但該公司具有多年的樓宇自控經(jīng)驗，是一家生產(chǎn)樓宇自控系統(tǒng)產(chǎn)品的專業(yè)生產(chǎn)商，其產(chǎn)品性價比較高。根據(jù)工程的實際情況及投資預算，本項目樓宇自控系統(tǒng)的工程實現(xiàn)將采用加拿大Delta控制公司的ORCA系統(tǒng)。

3.2 樓宇自控系統(tǒng)的配置

本工程BA系統(tǒng)總I/O容量為1500～2000點，根據(jù)相關標準應按中型規(guī)模的BA系統(tǒng)定位。由于Delta ORCA系統(tǒng)大、中、小型軟件對應的I/O監(jiān)控點總數(shù)分別為無限點、500～2500點、500點以下，本項目應選用帶歷史數(shù)據(jù)的中型Web server 軟件。

樓宇自控系統(tǒng)的硬件設備包括DDC控制器（含擴展模塊、DDC輔控箱）、傳感器及輔材。硬件設備的配置選項除了要達到智能化系統(tǒng)招標文件的技術要求外，還應考慮系統(tǒng)工程造價，選用性價比較高的產(chǎn)品和配置方案。在配置控制器時，可結(jié)合各受控設備的樓層及分區(qū)分組進行配置，選用合適的應用控制器及擴展模塊，每臺控制器監(jiān)控點數(shù)預留有不少于15%的裕量，以備系統(tǒng)今后的擴容。系統(tǒng)中DDC輔控箱為定制設備，由箱體、安裝底板、空開熔斷器、變壓器、繼電器及端子排等輔控元件組成，各箱體及元件數(shù)量根據(jù)實際需要而定。各類傳感器應采用與DDC控制器相匹配的、靈敏度高、穩(wěn)定性好、壽命長的傳感器。為保障樓宇自控系統(tǒng)中信號的傳輸距離及質(zhì)量，應選用合適的信號線和通信線。

根據(jù)本圖書館建筑功能分區(qū)，為便于建筑設備管理系統(tǒng)（BMS）對大樓內(nèi)的BA系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)等進行集成和管理，BA控制中心設置在負一層控制室，對全樓的設備行監(jiān)視和控制。

由于本圖書館建筑結(jié)構(gòu)及功能分區(qū)的實際需要，整個圖書館建筑各樓層均分為五個消防分區(qū)，大樓擁有五個弱電井。根據(jù)所選用的控制模塊配置方案，BA控制箱安裝在各樓層的弱電井。此外，由于本項目中工程現(xiàn)場總線距離長，整個BA系統(tǒng)采用五個系統(tǒng)管理器，組建五條子網(wǎng)，以保證網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的合理性及系統(tǒng)的實時性。

4 結(jié)束語

樓宇自控系統(tǒng)是建筑智能化系統(tǒng)中的關鍵部分，樓宇自控系統(tǒng)設計及其應用直接關系到工程項目智能化系統(tǒng)的成敗。在設計樓宇自控系統(tǒng)時，應因地制宜地根據(jù)不同的建筑、對象及用戶需求選擇合理的方案，以便更好地發(fā)揮樓宇自控系統(tǒng)的作用。本文圖書館樓宇自控系統(tǒng)的研究與設計對智能建筑的推廣與應用具有一定的實際意義與參考價值。

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