智能建筑中的樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

李延朋 LI Yan-peng；李炳坤 LI Bing-kun；張?chǎng)蝹?ZHANG Xin-wei；李欣然 LI Xin-ran；李凱 LI Kai；劉陽(yáng) LIU Yang；唐亮亮 TANG Liang-liang；王光輝 WANG Guang-hui

（中國(guó)建筑第五工程局有限公司，鄭州 450000）

0 引言

相比傳統(tǒng)建筑，智能建筑更能滿(mǎn)足當(dāng)今人們對(duì)居住環(huán)境的需求，并且其在各種功能設(shè)計(jì)上也引入了更多智慧化的技術(shù)。1984年美國(guó)建成了第一幢智能建筑，而我國(guó)直至上世紀(jì)末才開(kāi)始建設(shè)，但我國(guó)在此方面發(fā)展迅猛，未來(lái)智能建筑仍有巨大的市場(chǎng)。樓宇自動(dòng)化是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)指令控制整個(gè)建筑中所有功能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，其可以對(duì)建筑中的水、電、照明等設(shè)備進(jìn)行管理，使其可以自動(dòng)化的完成相應(yīng)的工作，進(jìn)而提高建筑管理水平，減少運(yùn)營(yíng)成本，為住戶(hù)提供更好的生活環(huán)境。

1 智能建筑中的樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

作為提高建筑智能化的關(guān)鍵，樓宇自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原理應(yīng)當(dāng)科學(xué)、合理，使樓宇內(nèi)各種設(shè)備在均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)，盡可能的降低運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部設(shè)備與建筑的全面監(jiān)控與管理。樓宇自動(dòng)化包括涉及建筑內(nèi)水、電、照明、暖氣供應(yīng)，以及建筑管理的電梯、安保等系統(tǒng)，樓宇自動(dòng)化的設(shè)計(jì)原理是通過(guò)將各個(gè)子系統(tǒng)集成為一個(gè)涵蓋樓宇所有電氣設(shè)備的完整系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)代化的監(jiān)控技術(shù)獲取自系統(tǒng)運(yùn)行的信息，了解其即將發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的安全隱患問(wèn)題，并在總系統(tǒng)中針對(duì)其問(wèn)題發(fā)出警報(bào)，使控制室能向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或有關(guān)工作人員發(fā)出控制指令，使意外發(fā)生時(shí)能盡快疏散建筑人員，進(jìn)而保證住戶(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。此外，樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備一體化管理的同時(shí)，也應(yīng)通過(guò)對(duì)子系統(tǒng)的監(jiān)控減少設(shè)備故障的產(chǎn)生，同時(shí)優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行的方案，例如，在空調(diào)與通風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)中，建筑空調(diào)在運(yùn)行時(shí)會(huì)消耗大量的能源，但在樓宇自動(dòng)化管理下，系統(tǒng)可根據(jù)建筑內(nèi)部的實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)家相關(guān)建筑節(jié)能環(huán)保要求，給出合理的系統(tǒng)運(yùn)行方案，從而減少電力、水力等資源的消耗，進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本。

1.2 設(shè)計(jì)思路

在樓宇的自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，為保證總系統(tǒng)可以全面控制所有的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇所有電氣設(shè)備的管理與控制，可利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)總系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的結(jié)合，使整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)被網(wǎng)絡(luò)連接的整體，從而使總系統(tǒng)可以對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示，由圖可知，設(shè)計(jì)中通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)連接總控臺(tái)工作站和樓宇各子系統(tǒng)控制器，并使用傳感器和執(zhí)行器傳輸信息。利用以太網(wǎng)可將各系統(tǒng)聯(lián)系到一起，并基于此進(jìn)行整體的聯(lián)動(dòng)管理，從而簡(jiǎn)化控制過(guò)程，使管理人員能輕松、便捷的獲取到所需的樓宇信息[2]。在圖1系統(tǒng)實(shí)際使用的過(guò)程中，用戶(hù)可通過(guò)系統(tǒng)的電腦端或手機(jī)端獲取樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行信息，并可以利用系統(tǒng)包含的監(jiān)控功能，將采集到的信息進(jìn)行保存和分析，從而使總系統(tǒng)在分析子系統(tǒng)情況時(shí)有所依據(jù)。這種自動(dòng)化的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于比人工管理響應(yīng)更快，更有利于建筑的安全運(yùn)行。

圖1 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樓宇自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：第一，建立中央站實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的分類(lèi)管理；第二，通過(guò)中央站實(shí)施監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，并給出控制指令；第三，保證監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)訪問(wèn)與處理；第四，保證整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，可以隨時(shí)融入新的功能系統(tǒng)，或移除舊的功能系統(tǒng)?；诖?，在樓宇自動(dòng)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中（如圖2所示），根據(jù)樓宇中各系統(tǒng)的功能，將其分為三部分，分別是管理層、監(jiān)控層、現(xiàn)場(chǎng)層，使各模塊間彼此協(xié)作，從而完成系統(tǒng)各部分的管控，使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行自動(dòng)化、智能化[3]。其中，管理層為結(jié)構(gòu)頂層，負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)運(yùn)行中所有問(wèn)題，主要設(shè)備為總控臺(tái)計(jì)算機(jī)，并可通過(guò)總控臺(tái)的設(shè)備對(duì)各子系統(tǒng)發(fā)布指令要求；監(jiān)控層為結(jié)構(gòu)中層，負(fù)責(zé)監(jiān)控各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行情況，主要設(shè)備為BAS監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可利用控制器發(fā)送警報(bào)；現(xiàn)場(chǎng)層為結(jié)構(gòu)底層，負(fù)責(zé)各子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的功能管控，主要設(shè)備為各種現(xiàn)場(chǎng)裝置。

圖2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 智能建筑中的樓宇自動(dòng)化應(yīng)用

2.1 建筑概況

以某智能建筑的樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)為例，該設(shè)計(jì)使用IFIX組態(tài)軟件，利用其中包含的各種技術(shù)，使樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)更為科學(xué)、合理，并基于此建立更加安全、可靠的樓宇自動(dòng)控制體系，使其能為智能建筑及其住戶(hù)服務(wù)。該智能建筑（簡(jiǎn)稱(chēng)Z建筑）的具體信息如下：該建筑地上共30層，地下共2層，地上部分用于餐飲、娛樂(lè)、辦公，地下部分為停車(chē)場(chǎng)；建筑所需的樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)，各系統(tǒng)由總控臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一的控制和管理。

2.2 IFIX組態(tài)軟件簡(jiǎn)介

IFIX組態(tài)軟件是一種提供網(wǎng)絡(luò)功能和分布式數(shù)據(jù)管理，并且可以支持各種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和主流工控設(shè)備的軟件，其可以將需要使用的組件拼裝到一起，在不需要重新編寫(xiě)程序的情況下，使其提供相應(yīng)的功能，其主要功能有圖形功能、數(shù)據(jù)點(diǎn)管理、通信功能、管理功能等。同時(shí)，IFIX組態(tài)軟件具有可靠性好、周期短和效率高的優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)不同場(chǎng)景和控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求，在使用時(shí)可以通過(guò)圖形、表格、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)等展示控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并且能根據(jù)已設(shè)定的程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、報(bào)警管理等工作。

2.3 基于IFIX的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)

樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)系統(tǒng)具有監(jiān)控信號(hào)復(fù)雜、異構(gòu)系統(tǒng)存在等特點(diǎn)，結(jié)合A建筑的自動(dòng)化設(shè)計(jì)需求，為使最終的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)具有更好的可移植性、可擴(kuò)展性和兼容性，設(shè)計(jì)基于IFIX的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。設(shè)計(jì)要求包括：①用戶(hù)可借助IFIX軟件獲取樓宇中各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；②用戶(hù)能夠通過(guò)軟件遠(yuǎn)程控制樓宇中系統(tǒng)的運(yùn)行；③系統(tǒng)可自動(dòng)生成各種報(bào)表信息，用于工作人員檢查和分析樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行情況?；谙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步確定其設(shè)計(jì)目標(biāo)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循“分散控制、集中管理、數(shù)據(jù)共享”的原則，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)為針對(duì)所有樓宇中的自動(dòng)化系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，進(jìn)一步提高Z建筑的管理水平，從而減少運(yùn)維成本，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約資源的目的。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采取三級(jí)集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，利用現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、監(jiān)控級(jí)、管理級(jí)實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備的控制任務(wù)、監(jiān)測(cè)管理?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)應(yīng)與各現(xiàn)場(chǎng)裝置連接，并對(duì)其進(jìn)行控制，應(yīng)包括過(guò)程數(shù)據(jù)采集、直接數(shù)字控制、設(shè)備監(jiān)測(cè)和系統(tǒng)測(cè)試與判斷、安全操作；監(jiān)控級(jí)應(yīng)監(jiān)視各裝置的運(yùn)行狀態(tài)，并針對(duì)監(jiān)測(cè)到的異常情況進(jìn)行報(bào)警，應(yīng)通過(guò)操作站實(shí)現(xiàn)對(duì)操作請(qǐng)求的處理；管理級(jí)應(yīng)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與管理整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，使系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、處理能在系統(tǒng)中協(xié)同運(yùn)行，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。基于此，設(shè)計(jì)三級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)三級(jí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.3 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)已確定的設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)目標(biāo)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)，確定設(shè)計(jì)方案，如圖4所示，通過(guò)使用合適不同的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，使整個(gè)系統(tǒng)更加完善，并利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制和管理。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.3.4 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)在樓宇系統(tǒng)中是能耗相對(duì)比較大的系統(tǒng)之一，樓宇系統(tǒng)中的大量自動(dòng)化設(shè)備，也使得系統(tǒng)的負(fù)荷遠(yuǎn)超傳統(tǒng)建筑?；诖?，首先進(jìn)行系統(tǒng)負(fù)荷分析，通過(guò)建筑內(nèi)空氣參數(shù)調(diào)查，可知休閑娛樂(lè)區(qū)、辦公區(qū)、機(jī)房等區(qū)域的冬夏兩季溫度和濕度均存在差異，根據(jù)不同區(qū)域的溫濕度特征，確定空調(diào)系統(tǒng)的電力測(cè)量接線(xiàn)方式如圖5所示。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)的電力測(cè)量接線(xiàn)方式

②給排水系統(tǒng)。給排水系統(tǒng)主要監(jiān)控主備泵的啟?？刂?、水泵的故障報(bào)警、水泵運(yùn)行情況、水箱水位監(jiān)測(cè)等，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控所獲得的數(shù)據(jù)信息，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和預(yù)警。由于系統(tǒng)和設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行可能出現(xiàn)問(wèn)題，在發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，使工作人員能盡快處理故障問(wèn)題。同時(shí)，考慮到消防問(wèn)題，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)啟動(dòng)消防泵。

③照明系統(tǒng)。照明系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)Z建筑的照明和指示燈的運(yùn)作，在照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，由于室內(nèi)照明主要由住戶(hù)或使用者控制，因此，主要管理的照明設(shè)備為公共照明設(shè)備和指示燈，系統(tǒng)利用傳感器等分析當(dāng)前室內(nèi)外的光照情況，通過(guò)系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)公共照明設(shè)備的自動(dòng)開(kāi)關(guān)和光照度調(diào)節(jié)，并保持指示燈常亮。

④電梯系統(tǒng)。由于Z建筑樓層較高，必須配置電梯系統(tǒng)，建筑內(nèi)包含多臺(tái)電梯，但在某些時(shí)間段，電梯會(huì)處于待機(jī)狀態(tài)?；诖?，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，設(shè)計(jì)電梯系統(tǒng)與安防系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，并設(shè)計(jì)電梯系統(tǒng)電力測(cè)量接線(xiàn)如圖6所示。通過(guò)將兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，利用安防系統(tǒng)的監(jiān)控功能對(duì)電梯進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電梯長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人靠近或使用時(shí)，切斷其工作電路，當(dāng)有人靠近時(shí)，使電梯進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

圖6 電梯系統(tǒng)電力測(cè)量接線(xiàn)圖

⑤安防系統(tǒng)。安防系統(tǒng)主要作用是使建筑維持一個(gè)安全穩(wěn)定的狀態(tài)，本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)已設(shè)計(jì)的架構(gòu)圖，將各種監(jiān)控設(shè)備安裝至相應(yīng)的位置，使其對(duì)Z建筑進(jìn)行全方位的監(jiān)控。

2.3.5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

在所有設(shè)計(jì)完畢后，進(jìn)行安裝和施工工作，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的試運(yùn)行后，該樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行效果能達(dá)到預(yù)期的要求和目標(biāo)，系統(tǒng)可將各子系統(tǒng)結(jié)合形成一個(gè)整體，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的管理和監(jiān)視，各平臺(tái)能保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)運(yùn)行，在測(cè)試異常狀態(tài)時(shí)，也能及時(shí)作出響應(yīng)，在第一時(shí)間進(jìn)行設(shè)備的自動(dòng)管理，同時(shí)給管理人員發(fā)送警報(bào)信息。

3 結(jié)語(yǔ)

智能建筑是未來(lái)建筑發(fā)展的趨勢(shì)，并且已經(jīng)取代了一些傳統(tǒng)建筑，為進(jìn)一步推廣智能建筑的覆蓋，應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究。根據(jù)本文中的案例，首先應(yīng)保證智能建筑中樓宇自動(dòng)化設(shè)計(jì)符合建筑自身需求，科學(xué)合理的確定設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案，同時(shí)明確技術(shù)的核心內(nèi)容，保證硬件方面可以支持系統(tǒng)運(yùn)行，并設(shè)計(jì)合適的軟件系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)智能建筑中樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，進(jìn)而為住戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。