基于智慧化理念的建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

于蘭伊　李明

摘要：隨著科學(xué)和技術(shù)地進(jìn)步，人們對城市建筑的技術(shù)要求和功能訴求也在持續(xù)提高，未來智慧建筑將逐漸成為城市建設(shè)的趨勢，并且由于建筑的智能水平快速提升，對具備智慧化理念的建筑電氣系統(tǒng)也提出了更高的要求。由此，本研究對智慧建筑電氣系統(tǒng)進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，首先對智慧建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述、設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行闡述，以此為依據(jù)和導(dǎo)向，從智慧建筑電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)維度進(jìn)行探索與實(shí)踐，最后從應(yīng)用研究的角度對該系統(tǒng)進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：智慧化；建筑；電氣系統(tǒng)

中圖分類號： TU855??????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

智能建筑被稱為“世紀(jì)性建筑”，是我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展和科技進(jìn)步的集中展示。智能建筑從項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)起始，便是系統(tǒng)化工程，結(jié)合智能控制、監(jiān)控終端、功能性子系統(tǒng)等模塊的集成，能夠顯著提升建筑的管理水平和工作效能。

城市智慧建筑是將城市中的商業(yè)、辦公、居住、餐飲、旅店、會(huì)議、展覽、交通和文娛等多種城市生活空間要素進(jìn)行多種組合，并在各要素之間構(gòu)成一種相互幫助和相互依賴的有機(jī)關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)高效率和多功能的綜合體。而在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于“智慧化”的管理概念。城市智慧建筑綜合管理的主要內(nèi)容是利用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，對建筑內(nèi)部的設(shè)備和環(huán)境進(jìn)行全方位監(jiān)視和管理，為建筑的居民和用戶營造一個(gè)安全、舒適、高效、經(jīng)濟(jì)和便利的生活環(huán)境，并通過對其進(jìn)一步優(yōu)化，來減少建筑的運(yùn)行成本。智能建筑的系統(tǒng)監(jiān)控范圍具體包含了建筑的電力、照明、通風(fēng)、空調(diào)、安全、防災(zāi)、給排水和車庫管理等設(shè)備和系統(tǒng)，它是在城市建筑智能化管理中，設(shè)計(jì)任務(wù)量和工程建設(shè)量最大的子系統(tǒng)。

1智慧建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述及設(shè)計(jì)要求

現(xiàn)代建筑相較于傳統(tǒng)建筑的最大差異在于建設(shè)之初首先進(jìn)行科技設(shè)備規(guī)劃設(shè)計(jì)，例如停車場的車輛識別管理系統(tǒng)、電梯監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)化消防系統(tǒng)等。但每一個(gè)子系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)自我封閉，在各個(gè)子系統(tǒng)中，只能應(yīng)用獨(dú)特的通訊協(xié)議來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，而它們所能提供的第三方接口也很多，很難與國際標(biāo)準(zhǔn)相匹配，這就造成了各個(gè)子系統(tǒng)之間的信息共享、操作聯(lián)動(dòng)存在障礙。這種建筑信息系統(tǒng)現(xiàn)狀，與智慧建筑的電氣系統(tǒng)水平相差甚遠(yuǎn)。[1]

而基于智慧化理念的建筑電氣系統(tǒng)則對建筑內(nèi)的安全防護(hù)、人流管理、消防預(yù)警、節(jié)能照明、高效車輛停放、信息傳播、數(shù)據(jù)傳送等眾多功能進(jìn)行智能化賦能，以傳感器、監(jiān)控探頭和智能設(shè)備為終端，利用人工智能技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行智慧化管理，最大化的實(shí)現(xiàn)建筑管理水平提升和綜合防范能力優(yōu)化。

智慧建筑電氣系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該架構(gòu)能夠同時(shí)兼容多種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和硬件設(shè)備，系統(tǒng)所搭載的軟件和安裝的硬件間相互隔離，各子系統(tǒng)間的耦合性能夠在實(shí)現(xiàn)安全的目的下賦予子系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，并可根據(jù)實(shí)際工程中的硬件配置和信息需求來依靠軟件模塊進(jìn)行調(diào)配部署。此外，整個(gè)系統(tǒng)遵循開放性原則，為二次開發(fā)提供豐富、精確的通信接口，如在工程中有特殊需求，還應(yīng)該提供附加的數(shù)據(jù)和通信接口，從而達(dá)到與其它子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的目的。[2]

2智慧建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)智慧建筑電氣系統(tǒng)時(shí)，要遵守系統(tǒng)協(xié)調(diào)的基本原理，以智慧建筑原有的各子系統(tǒng)和設(shè)備為基礎(chǔ)，對原有功能進(jìn)行優(yōu)化和提高，其主要原則是：

（1）規(guī)范性原則。在對智慧建筑電氣系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的過程中，要根據(jù)相關(guān)軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的工具、系統(tǒng)、產(chǎn)品、設(shè)備等。

（2）領(lǐng)先性原則。智慧建筑電氣系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫集成技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并以優(yōu)異的技術(shù)性能來滿足系統(tǒng)集成要求。

（3）兼容性原則。即可拓展性，智慧建筑電氣系統(tǒng)具備良好的兼容性和拓展性，智慧建筑中各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)整合到一個(gè)平臺上，并對其進(jìn)行統(tǒng)一管理，還可對平臺進(jìn)行擴(kuò)展，添加新的子系統(tǒng)和設(shè)備。[3]

（4）易用性原則。智慧建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足當(dāng)前智慧建筑所需的各種業(yè)務(wù)需求，并能夠獲得業(yè)主認(rèn)可。

（5）安全性原則。對于智慧建筑來講，安全性與可靠性是硬性要求，因此在智慧建筑的電氣系統(tǒng)中，應(yīng)該采用多種安全技術(shù)來保障系統(tǒng)的安全性。

3智慧建筑電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧建筑電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，該系統(tǒng)的核心即智慧控制單元，其上層功能由監(jiān)控終端和集中數(shù)據(jù)庫監(jiān)控平臺構(gòu)成，用以實(shí)現(xiàn)為智慧控制單元提供參數(shù)支持和數(shù)據(jù)支撐，其下層由智能照明控制子系統(tǒng)、空調(diào)和熱冷源控制子系統(tǒng)、停車引導(dǎo)控制子系統(tǒng)、建筑自動(dòng)控制子系統(tǒng)、消防及門禁等第三方子系統(tǒng)組成，與智慧控制單元由通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接，并由智慧控制單元進(jìn)行資源調(diào)配和控制調(diào)度。[4]

在每個(gè)子系統(tǒng)的核心處理器控制器，用總線將帶有能耗測量的大功率輸出模塊以及各類信號輸入檢測模塊進(jìn)行連接，將能源測量和控制集成到一個(gè)模塊中。指揮控制單元根據(jù)不同的子系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行相應(yīng)算法處理，根據(jù)所采集的能耗數(shù)據(jù)和智慧控制單元下達(dá)的節(jié)能模式，對每個(gè)回路進(jìn)行節(jié)能控制，從而達(dá)到子系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)收集、控制、監(jiān)督、分析等任務(wù)地實(shí)現(xiàn)。

其中，在智慧控制單元與子系統(tǒng)之間的鏈接功能是由通信網(wǎng)關(guān)承擔(dān)。受制于系統(tǒng)兼容性和功能性的考慮，智慧建筑的電氣控制系統(tǒng)必然會(huì)出現(xiàn)不同類型的裝置設(shè)備與系統(tǒng)共存的情況。通信網(wǎng)關(guān)作為擁有豐富硬件界面和軟件協(xié)議的中介設(shè)備，具備高性能數(shù)據(jù)處理能力。此外，它還可以用拓展的方法來添加物理界面，具體包含了以太網(wǎng)、RS-232/RS-485、CAN、Profi- bus、EtherCAT等現(xiàn)場總線界面，以及 Modbus、BacNet、 IEC104、DL/T645等通信協(xié)議界面。此外，還可以根據(jù)特定場景需求，對某些非標(biāo)的界面進(jìn)行自定義，實(shí)現(xiàn)外延、拓展等操作。

在實(shí)際的電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，采用復(fù)合以太網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，將整個(gè)體系結(jié)構(gòu)劃分為上層監(jiān)控層、智慧控制單元層和子系統(tǒng)控制層三個(gè)層次。通過對系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)，可以保證每個(gè)子系統(tǒng)之間的相互獨(dú)立，具有較高的可靠性。子系統(tǒng)采用 CAN 總線的光電隔離結(jié)構(gòu)，在某條總線發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。通過第一路以太網(wǎng)將各分系統(tǒng)與較高層次的中央控制單元相連，并通過第二路以太網(wǎng)將較高層次的智慧控制單元與較高層次的監(jiān)測單元相連。當(dāng)其中某個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)模塊或 CAN 總線發(fā)生故障時(shí)，該系統(tǒng)將報(bào)警信號傳送到智慧控制單元模塊，再傳送到 HMI 上位機(jī)的監(jiān)測軟件。

4智慧建筑電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件開發(fā)內(nèi)容包括為建筑內(nèi)的安全防護(hù)、人流管理、消防預(yù)警、節(jié)能照明、高效車輛停放、信息傳播、數(shù)據(jù)傳送等功能設(shè)計(jì)具有高度兼容性和穩(wěn)定性的中央處理器模塊，硬件設(shè)計(jì)層面的重點(diǎn)要求在于具有較高的冗余性能，并為后期升級提供豐富接口的通信網(wǎng)關(guān)模塊，包括無線網(wǎng)絡(luò)接收模塊、超聲波檢測模塊、I/O 模塊等，每個(gè)模塊的印制電路板全部采用四層板設(shè)計(jì)，可以提高電磁兼容性和抗電磁干擾性能，并達(dá)到 EMC 的國家三級指標(biāo)。

因?yàn)榈谌较到y(tǒng)設(shè)備接口種類和數(shù)量眾多，并且是相對獨(dú)立的系統(tǒng)。因此在智慧建筑電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還設(shè)計(jì)具有可擴(kuò)展接口的通信網(wǎng)關(guān)模塊，以及嵌入通信卡，從而形成通信網(wǎng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備系統(tǒng)的兼容。

智慧建筑電氣系統(tǒng)的通信網(wǎng)關(guān)模塊為 PCI 接口提供通訊卡，能夠從底層插槽與通信網(wǎng)關(guān)模塊相連。在此基礎(chǔ)上，將通訊卡的驅(qū)動(dòng)程序裝入通訊卡中，就能完成一般的通訊總線，如 RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等。

將 BACnet、ModBus、DL/T645、IEC104等常見的通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，使其與已有的通訊標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到最大程度的兼容水平。另外，該系統(tǒng)還能用軟件方法對總線進(jìn)行自由編程，并能支持第三方的非標(biāo)準(zhǔn)專用協(xié)議。[5]

4.1中央處理器控制模塊軟件設(shè)計(jì)

中央處理器控制模塊的軟件設(shè)計(jì)以國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61131-3 OpenPLC為基礎(chǔ)，采用功能框圖 FBD/ CFC、梯形圖 LD、指令表 IL、結(jié)構(gòu)化文本 ST、順序功能框圖 SFC 等五種編程語言。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)處理器的在線仿真、在線優(yōu)化、斷點(diǎn)調(diào)試等功能，并可通過以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程和模擬。處理器控制模塊以各子系統(tǒng)的特定特性為參照，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，加入以下特定特性。

（1）空調(diào)、冷熱源、給排水節(jié)能控制算法

以不同的節(jié)約方式為依據(jù)，對空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)和冷源系統(tǒng)的各個(gè)能耗指數(shù)進(jìn)行測試，然后將其按設(shè)備的需求層級和功耗進(jìn)行分類，在上級系統(tǒng)下達(dá)節(jié)約能源的指令和能耗限額時(shí)，各個(gè)系統(tǒng)回路以能量的比率進(jìn)行分布，從而獲得節(jié)約方案。該方法還能夠比較實(shí)時(shí)能源消耗與同期能源消耗，從而獲得能源消耗的評價(jià)數(shù)值。

（2）智能照明節(jié)能控制算法

通過對中央處理器模塊下方的控制照明回路進(jìn)行分類，得出空閑可關(guān)閉、節(jié)能可關(guān)閉、節(jié)能時(shí)調(diào)光、應(yīng)急常開等不同的回路種類，在監(jiān)控終端和集中數(shù)據(jù)庫監(jiān)控平臺下達(dá)節(jié)能控制方式指令和能源消耗指標(biāo)時(shí)，通過對這些回路的種類和能量消耗分析，得出節(jié)能控制方案。同時(shí)，將實(shí)時(shí)能源消耗與同期能源消耗相比較，得出能源消耗的評價(jià)數(shù)值。

（3）停車引導(dǎo)控制算法

在停車引導(dǎo)控制子系統(tǒng)中，提出一種基于泊車空間大小的泊車指引方法，該方法將泊車空間劃分為不同的分區(qū)，并將分區(qū)劃分為不同的分區(qū)，并對分區(qū)內(nèi)的泊車空間以及各分區(qū)內(nèi)的車輛出入情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以這些區(qū)域等級、剩余車位及出入車輛的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的停車區(qū)域及路徑計(jì)算，并以此為基礎(chǔ)，以 LED 智能牌的形式，向即將進(jìn)入的業(yè)主提供指引。

4.2通信網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)關(guān)模塊作為與中央處理器和各子系統(tǒng)鏈接的樞紐，需具有較強(qiáng)的兼容性用以匹配各類第三方智能設(shè)備，包括匹配智慧建筑的樓宇自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議、中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/ T645等。智慧建筑電氣系統(tǒng)以函數(shù)庫的形式加載，并按照實(shí)際需求進(jìn)行具體組態(tài)與配置，能夠適應(yīng)目前市面上大多數(shù)第三方裝置廠商的通信需求。在某些非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備界面的情況下，通信網(wǎng)關(guān)模塊軟件擁有 RS-485/RS-232、CAN 和以太網(wǎng)等現(xiàn)場總線的自由程序庫，方便進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到特定場景下的集成需求[6]。

4.3智慧控制單元軟件設(shè)計(jì)

同時(shí)，在系統(tǒng)的核心部分，采用國際標(biāo)準(zhǔn) IEC61131-3作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為其提供具有熱備份功能。兩者之間采用 DB9通訊線路相連，實(shí)現(xiàn)對其數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)信息實(shí)時(shí)處理能力，并利用100 M以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對兩者的實(shí)時(shí)處理。在智慧控制裝置開機(jī)后，以評估的方式確定智慧控制裝置作為主要裝置，另外一個(gè)作為備用裝置。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控終端和智慧控制單元的通信，并完成對下層子系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集與監(jiān)測。實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控系統(tǒng)、智慧控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，以及數(shù)據(jù)可靠性。

4.4 I/O模塊軟件設(shè)計(jì)

I/O 模組系統(tǒng)通過 CAN 總線與 CANopen2.0通訊協(xié)議器，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場工藝參數(shù)及操作指令的上傳下達(dá)。針對 I/O 模塊有測量與無測量兩種情況，建立各自CANopen目標(biāo)詞典，并對 PDO 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)設(shè)置，可以將 I/O 模塊中的各個(gè)信道數(shù)據(jù)迅速而有效地加載到中央處理器中。

5智慧建筑電氣系統(tǒng)應(yīng)用分析

智慧建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在于建筑控制的各個(gè)層次的網(wǎng)段、網(wǎng)關(guān)、總線數(shù)目和每個(gè)總線的監(jiān)視區(qū)域方面。每條總線所能承載的處理器數(shù)目及傳送距離都是有限制的，需要根據(jù)現(xiàn)場處理器的分布位置、監(jiān)控對象及所使用的處理器機(jī)型來進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于智慧建筑電氣系統(tǒng)要與諸如空調(diào)設(shè)備之類的較大設(shè)備中的專門的控制裝置通訊，而且整棟大樓的控制裝置中，有很多廠家的生產(chǎn)設(shè)備，所以還必須在各個(gè)廠家的生產(chǎn)設(shè)備上建立通訊接口。在實(shí)際應(yīng)用中，對控制系統(tǒng)監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)分析。對現(xiàn)場處理器的監(jiān)測范圍進(jìn)行選擇時(shí)，應(yīng)按照相同的一組設(shè)備的輸入和輸出信號訪問相同的現(xiàn)場處理器的原理，這不但可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊量，還可以減小總線數(shù)據(jù)負(fù)載，加速系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)速度，更關(guān)鍵的是，在智慧建筑電氣系統(tǒng)的通信裝置出現(xiàn)問題時(shí)，現(xiàn)場處理器的獨(dú)立工作能力仍然可以確保所監(jiān)測的設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在將智慧建筑各子系統(tǒng)的狀況信息收集到集中控制單元后，按照預(yù)先設(shè)定的管理與控制標(biāo)準(zhǔn)，對子系統(tǒng)下達(dá)具體控制指令，以調(diào)節(jié)子系統(tǒng)工作狀況?，F(xiàn)場控制器需要對各類設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況及運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行采集和分析，進(jìn)行采集和分析時(shí)，可利用檢測器或執(zhí)行器來完成在標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出電量信號與現(xiàn)場設(shè)備非標(biāo)準(zhǔn)電能或非電量監(jiān)測信號之間的相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)而可直接實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。此外，還可利用通訊和信號方式，將系統(tǒng)的工作狀況和工作參數(shù)與其它定制控制裝置進(jìn)行連接，并與其它專門的控制裝置進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)工作狀況和工作參數(shù)的監(jiān)測。

6結(jié)束語

城市智慧建筑是城市發(fā)展過程中的重要組成部分，這與老城區(qū)的普通建筑群有很大區(qū)別，是由建筑集群走向城市空間擴(kuò)大化、城市功能集約化、城市價(jià)值融合化的過程，同時(shí)也具有城市社區(qū)的典型特點(diǎn)。[7]由于現(xiàn)有智慧建筑各階段的子系統(tǒng)都較繁復(fù)且很難實(shí)現(xiàn)一體化，因此，本論述提出智慧建筑電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，利用了以嵌入的硬件系統(tǒng)為基礎(chǔ)的通信網(wǎng)關(guān)模塊、冗余的中央控制模塊和一般的 CPU控制模塊，并對節(jié)能算法、停車引導(dǎo)控制算法和一體化的監(jiān)測管理軟件進(jìn)行研究。該模式具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、兼容性，能夠極大地提高城市智慧建筑智能化和節(jié)能的管理效果。

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