建筑電氣自動化系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王進

(南京建工集團有限公司, 南京 210012)

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，對居住或辦公環(huán)境的要求逐漸提高，建筑也逐漸向智能化方向發(fā)展，建筑電氣自動化設計應運而生，為有效滿足現(xiàn)代節(jié)能理念要求，需對傳統(tǒng)建筑電氣自動化進行優(yōu)化設計，使建筑電氣系統(tǒng)運行方式更加自動化，更加智能，隨著相關技術(以太網(wǎng)傳輸、控制總線等)在建筑電氣自動化領域的應用，為系統(tǒng)的智能化和自動化提供了技術支持。

1 需求分析

智能建筑中的電氣設備較多，系統(tǒng)以建筑物的功能區(qū)域為依據(jù)進行相關控制環(huán)節(jié)的開展，設計需求為：對辦公環(huán)境要求較高的區(qū)域(如會議室、辦公室等)，為實現(xiàn)最佳溫濕度的提供，需要系統(tǒng)能夠?qū)照{(diào)系統(tǒng)進行精準控制；在最大程度降低電氣設備運行成本的基礎上提高管理質(zhì)量與效率，系統(tǒng)的運用需能夠發(fā)揮出節(jié)能控制的作用；建筑照明控制需實現(xiàn)燈光的開啟/關閉及強度進行調(diào)節(jié)和控制，除手動觸發(fā)控制開關外，對不同場景光照強度進行設定時可使用人體紅外感應探頭等技術，以滿足照明需求和節(jié)能需求；在滿足建筑功能與實用性需求的基礎上，系統(tǒng)需能夠?qū)υO備負荷進行合理分配，提高設備使用壽命及效率[1]。

2 電氣自動化系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要構成為中央監(jiān)控設備、現(xiàn)場控制設備等，通過多個子系統(tǒng)功能的編制實現(xiàn)對機電設備的自動控制與監(jiān)測(包括開啟、運行及關閉等)，并向管理人員顯示設備實時狀態(tài)，對不同設備運行過程中各參數(shù)的數(shù)據(jù)變化進行自動顯示及存儲，實現(xiàn)統(tǒng)一集成和匯總系統(tǒng)參數(shù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)設備的整體配置，能夠自動開啟應對方案保證某一設備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)能夠正常運行，為維修人員提供時間，確保設備運行的穩(wěn)定安全。系統(tǒng)以PLC(可編程邏輯控制器)等為核心，可根據(jù)實際情況對功能進行添加，以滿足不同用戶的多樣化需求。

建筑電氣自動化系統(tǒng)內(nèi)讀寫、傳送所需數(shù)據(jù)時則通過使用以太網(wǎng)、TCP/TP 協(xié)議等完成，相關工作人員通過系統(tǒng)對各子系統(tǒng)的運行信息及各項參數(shù)實施監(jiān)測或讀取等操作。系統(tǒng)中的重要元件：傳感器，包括溫濕度、壓力、流量等傳感器；現(xiàn)場控制器，由系統(tǒng)內(nèi)中央監(jiān)控計算機進行管理(當監(jiān)控計算機發(fā)生故障時可獨立運作)，實現(xiàn)對建筑內(nèi)各設備的有效控制；執(zhí)行器，作為系統(tǒng)終端的主控元件電磁閥的使用頻率較高，如電動調(diào)節(jié)閥在改變風量時可通過改變?nèi)~片面積實現(xiàn)；加強用電控制與管理提升節(jié)能效果，通過在系統(tǒng)中增加電量監(jiān)測及管理模塊，集中器根據(jù)主站發(fā)出指令進行分析和處理，再將處理結果(通過專用線路或電力線載波)傳輸至終端器，各項數(shù)據(jù)采集完成后回傳至系統(tǒng)[2]。

(1)中央控制室設計

中央控制室的設備需盡量靠近控制負荷中心，距離強電磁設備及其干擾場所大于15米，為避免突發(fā)停電狀況發(fā)生時影響建筑內(nèi)的正常工作，需設計備用電源備，變配電控制系統(tǒng)的主要功能在于監(jiān)測電氣設備狀態(tài)及故障報警等，建筑包含較多的內(nèi)變頻器、電機等大功能電器設備，在設計電源時需滿足系統(tǒng)內(nèi)的整體用電負荷，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

(2) 控制器設計

作為系統(tǒng)的關鍵部分，現(xiàn)場控制器需滿足系統(tǒng)設計指標，為確?，F(xiàn)場控制器設備正常運轉(zhuǎn)，就需確保線路、管道及與強電磁干擾環(huán)境保持合理的距離，PLC 整體輸入及輸出預留超出20%的裕量以滿足系統(tǒng)整體設計需求，在此基礎上完成設備安裝，并對功能進行調(diào)試，通過應用模塊化管理模式以便于后期開展維護等工作，實現(xiàn)自動高效的系統(tǒng)管理。

(3)布線設計

以智能建筑實際情況為依據(jù)，設計系統(tǒng)的電源布線時，要結合使用網(wǎng)絡通信設備部署方式實現(xiàn)布線的靈活高效(即綜合布線系統(tǒng)PDS)，以保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)，信號線在使用電纜布線時需進行嚴格控制，完成信號傳輸線路的分槽式設計，對計算機和網(wǎng)絡控制器等設備布線過程中，需同其他共用接地干線完成有效連接，以滿足電氣設備的運行需求，進一步提高建筑電氣自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

3 建筑電氣自動化系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體架構

智能建筑依托傳統(tǒng)建筑，結合信息化技術與建筑技術緊密結合，為用戶改善生活和工作環(huán)境，實現(xiàn)辦公的自動化，達到對建筑設備的智能化管理過程，在科學布線的基礎上，結合計算機技術對建筑物內(nèi)各子系統(tǒng)(通常一個建筑體包含十幾個子系統(tǒng))進行科學全面的管理，高質(zhì)量的智能建筑離不開高效的電氣自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 建筑電氣自動化系統(tǒng)狀態(tài)架構

主要由空調(diào)監(jiān)控、照明控制、給排水控制等子系統(tǒng)構成，涵蓋范圍廣，結合計算機、通信、自動化等技術實現(xiàn)對建筑的統(tǒng)一高效管理，能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)的各類設備進行遠程監(jiān)控及管理，通過建筑設備知能化管理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的存儲與傳送，結合網(wǎng)絡服務器對相關數(shù)據(jù)進行深入分析，在此基礎上完成對各項指標與參數(shù)的合理調(diào)整，以保證高效的設備運行狀態(tài)，進而提高建筑的管理效率[4]。

3.2 主要模塊功能的實現(xiàn)

(1)中央工作站功能的實現(xiàn)

作為電氣自動化系統(tǒng)的核心，對各監(jiān)視點的監(jiān)測、相關數(shù)據(jù)運算和存儲等功能由中央工作站系統(tǒng)完成，負責集中顯示與管理整棟建筑內(nèi)的機電設備，該子系統(tǒng)與以太網(wǎng)直接相連，主要由主機、打印機、顯示器等構成，從而進一步提高了對各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測、傳送及處理能力，再將這些相關數(shù)據(jù)信息以報告等直觀的界面形式供操作人員瀏覽及使用。

(2)給排水系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)的自動化控制通過使用PLC 等可編程控制設備能夠得以有效實現(xiàn)，在現(xiàn)代建筑中，給、排水系統(tǒng)的設計主要采用水泵及傳感器完成，給水方法一般包括水泵、高位水箱、氣壓罐三種，在使用高水位箱完成給水時則通過使用DDC(直接數(shù)字控制器)完成水量監(jiān)測、管理以及異常情況時發(fā)送報警信息。將三個液位傳感器設置在緩沖池內(nèi)以監(jiān)測使用水泵直接給水系統(tǒng)時的水量情況，包括監(jiān)測溢流情況的發(fā)生與否，一旦水量達到最低報警水位及時提醒相關工作人員進行處理；通過使用重力流直接排放法完成排水，具體可通過設計集水坑在潛污泵的作用下將水排出室外(有泵房的情況下)，排水系統(tǒng)需完成對潛污泵的控制(包括啟或關停等)，具體可通過使用排水泵、集水坑、污水池等設施完成，結合監(jiān)測設備對潛污泵的實際運行狀態(tài)進行監(jiān)測，在給排水系統(tǒng)內(nèi)通過水壓傳感器的設置完成對恒壓供水頻泵啟停的檢測和控制，此外還能夠?qū)σ陨显O備運行情況進行測定，將運行異常情況自動發(fā)送給相關工作人員。排水泵在檢測到水坑液面位置低于正常情況時將會自動停止工作，液面位置高于正常情況時使用排水泵完成排水，同時發(fā)出報警信息以供工作人員合理調(diào)度解決問題[5]。

(3)照明控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

智能建筑日常使用中用電量需求較大，照明控制系統(tǒng)既保證照明質(zhì)量又要實現(xiàn)節(jié)能效果，以降低建筑的能源消耗，從而節(jié)約成本，該子系統(tǒng)主要采用計算機及通信技術實現(xiàn)對建筑內(nèi)電力照明設施的自動控制，在降低照明消耗及其他費用的基礎上(尤其是對走廊、樓梯照明的合理控制)，使照明效果保持在最佳狀態(tài)，并且能夠?qū)ㄖ镏械恼彰髟O施進行遠程控制，通過一鍵控制開關的設置實現(xiàn)對建筑物內(nèi)所有照明設施的整體控制，按區(qū)域或功能劃分的單項燈控開關實現(xiàn)對單個燈開關的有效控制，除此之外還能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)照明設備的工作狀態(tài)及故障情況自動進行實時監(jiān)測，進一步降低了人力成本及管理成本，照明控制系統(tǒng)的實現(xiàn)流程如圖2所示[6]。

圖2 照明控制流程圖

(4)通風與空調(diào)控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

該系統(tǒng)的作用在于去除室內(nèi)污染物質(zhì)并將室外新鮮的空氣吸入室內(nèi)，以實現(xiàn)室內(nèi)空氣的有效凈化，其中，空調(diào)控制系統(tǒng)由冷/熱源及前端設備等構成，在對設備進行啟動與關閉等控制操作主要依托制冷系統(tǒng)實現(xiàn)，同時控制冷風機組開啟的數(shù)量，借助監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)空調(diào)等設備的實時狀態(tài)，再通過熱水控制系統(tǒng)的應用實現(xiàn)對交換設備二次熱水出口溫度的合理控制(包括回風溫濕度值、開啟/關閉時間等)，并監(jiān)測熱水泵各項工作情況等；為提升通風效果，將通風系統(tǒng)根據(jù)實際建筑的構造及功能劃分為局部與全面通風系統(tǒng)。

(5)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

視頻監(jiān)控需完成信息采集、錄像及遠程傳輸與保存等工作，運用Windpws的接口采用的視頻采集卡完成采集視頻工作，具體的流程如圖3所示，視頻編碼的制作通過使用MPEG4視頻壓縮功能實現(xiàn)，在將完成編碼后的數(shù)據(jù)保存至具有相應存儲空間的硬盤中，根據(jù)實際需要通過Internet將視頻信息傳送給客戶端，從而實現(xiàn)視頻遠程傳輸?shù)墓δ堋?/p>

圖3 視頻采集模塊圖

4 總結

為滿足居住或辦公環(huán)境的安全舒適與節(jié)能等需求，本文主要對建筑電氣自動化系統(tǒng)進行設計，結合通信、網(wǎng)絡等技術完成了電氣自動化系統(tǒng)的設計，并對系統(tǒng)照明控制、視頻監(jiān)控等功能及實現(xiàn)方法進行詳細闡述，在低碳環(huán)保的大環(huán)境下需要對照明、空調(diào)等設備耗能的予以重視程度，不斷優(yōu)化節(jié)能技術，充分利用智能、定時等控制方法最大程度降低能耗，空調(diào)設備結合熱泵技術降低耗能，外部空氣同室內(nèi)水分及熱量可通過中央空調(diào)進行轉(zhuǎn)換，具有較好的實際應用價值，為建筑智能化管理提供參考。