智能建筑楼宇自动化系统理论浅析

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智能建筑中的楼宇自动化系统理论浅析
作者：不详 作者 发表时间：2007-9-2 发表时间

1 引言 楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统(BuildingAutomationSystem 简称 BAS)，是智能建筑不可缺 少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既 安全可靠，又节约能源，而且舒适宜

人的工作或居住环境。 2 楼宇自动化系统的组成与基本功能 建筑设备自动化系统通常包括暖通空调、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安全防范等子系统。 根据我国行业标准，BAS 又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统，如图所示。一般 情况下，这两个子系统宜一同纳入 BAS 考虑，如将消防与安全防范子系统独立设置，也应与 BAS 监控中心 建立通信联系以便灾情发生时，能够按照约定实现操作权转移，进行一体化的协调控制。 建筑设备自动化系统的基本功能可以归纳如下： (1)自动监视并控制各种机电设备的起、停，显示或打印当前运转状态。 (2)自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。 (3)根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使之始终运行于最佳状态。 (4)监测并及时处理各种意外、突发事件。 (5)实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制。 (6)能源管理：水、电、气等的计量收费、实现能源管理自动化。 (7)设备管理：包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。 3 楼宇自动化控制系统的原理 楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统 (Distributedcontrol systems 简称 DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备 处的微型计算机控制装置(DDC)完成被控设备的实时检测和控制任务， 克服了计算机集中控制带来的危险性 高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有 CRT 显示、 打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任 务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。 以下介绍与分布控制系统相关的几个概念。

3.l 直接数字控制系统(DDC) 直接数字控制系统(Direct Digital Control 简称 DDC)如图 2 所示。计算机通过模拟量输入通道(AI) 和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量 输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此 DDC 系统是一个闭环控制系统，是计算机在 工业生产过程中最普遍的一种应用方式。 DDC 系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。 3．1．1 直接数字控制系统的组成 直接数字控制系统主要由过程输入通道、过程控制计算机、过程输出通道三部分组成。 过程输入通道由模拟量输入和数字量输入两部分组成。模拟量输入通道由变送器、采样开关、放大器、 A／D 转换器和接口电路组成。其中变送器的作用是将非电量信号变换成标准电信号，可将温度、压力、流 量变换成 0-10mA 或 4-20mA 的直流电信号， 它是通过 A／D 转换器来实现的。 —数字量输入通道由开关触点、 光电耦合器和接口电路组成，反映生产过程的通／断状态的触点信号，经过光电耦合器和接口电路变换成 数字信号送给计算机。 过程控制计算机直接承担运算和控制任务，首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，再 根据预定的控制规律(如 PID)进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀 等执行机构。 过程输出通道由模拟量输出和数字量输出两部分组成。前者把计算机输出的数字控制信号转换成模拟 电压或电流信号，再经过放大器去驱动调节阀等执行器实现对生产过程的控制。这一部分由接口电路、D ／A 转换器，放大器和执行器组成。后者把计算机输出的开关信号，经放大器去驱动电磁阀和继电器执行 器，它由接口电器、光电耦合器、放大器和执行器组成。 3．1．2 直接数字控制系统的基本算法 按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本 规律，将 PID 控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用已积累的成熟技术，而且可以在被控对 象的数学模型或参数不很清楚的情况下，经过在线整定达到满意的效果。因此，将模拟调节规律离散化的 数字 PID 算法，已被工业过程计算机控制系统普遍采用，成为 DDC 系统的基本算法。 数字 PID 控制算法，模拟量调节器的理想 PID 算式为 （附 1） 【见下图】 式中 e(t)——偏差(设定值与实际输出值之差) u(t)——控制量

Kp——比例放大系数 Ti 一积分时间常数 Td——微分时间常数 写成传递函数形式，则为（附 2）

为了能在计算机上实现，必须将连续形式的微分方程化为离散形式的差分方程。设了为采样周期(与系 统时间常数相比，T 足够小)，k 为采样序号(k=0，1，2，……)，可用矩形法计算而积以差分代替微分，，即 （附 3）

式中 e(k)——第 k 次采样所得偏差值 e(k-1)——第(k-1)次采样所得偏差值 u(k)——第 k 时刻的控制量 上式中的采样周期 T 越小(与系统时间常数比较而言)， 则被控过程与连续控制过程越接近， 又称为“准 连续控制”。 3．2 分布式控制系统的体系结构 分布式控制系统(Distributed Control Systems 简称 DCS)20 世纪于 70 年代中期出现并迅速发展起来， 它将计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术汇集于一体，可对分散在现场的设备进行控制，又 可方便地集中管理、操作，与以往的控制系统相比，既避免了单台计算机集中控制的不足，又克服了常规 仪表人机交互困难的缺点。 分布式控制系统的多台微型计算机取代了集中控制系统的单台计算机，从体系结构上分散了危险性， 提高了可靠性。其基本结构功能如图 3 所示，图中现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控 计算机和管理计算机通过数据通信网络被有机地结合起来，组成分级分布控制系统。 3．2．1 分布式控制系统的数据通信网络 数据通信网络是分布式控制系统的支柱。整个分布式控制系统的结构，实质上是一个网络结构，现场 控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机等都是这个网络上的“节点”，都含有 CPU 和网 络接口，它们都有自己特定的网络地址(节点号)，可以通过网络发送和接收数据，网络中的各节点处于平 等地位，既能共享资源，又不相互依赖，形成既有统一指挥，又使危险分散的功能结构，网络的架构区具 有极大的伸缩性，可扩性很强，可以满足分布式控制系统扩充与升级的需要，十分灵活、方便。 (1)控制网络特点 分布式控制系统的通信网络不同于通用计算机网络，与一般的通信网络比较，它有

如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求传递的信息绝对准确、可靠，为此常采用冗余技术、后备措 施和自诊断功能。如：控制站采用双 CPU 板，双 I／0 板等。②具有良好的实时性。③对环境适应性强。 (2)网络拓扑结构 建筑设备自动化系统常用的有总线网和环网，在两种结构中任意两节点通信可直接 通过网络进行，各节点处于平等地位。 (3)网络通信协议 组成建筑设备自动化系统，必须有一种大家都能接受并且共同遵守的工作语言来实 现相互之间的对话，这就是数据通信协议标准。 用于建筑自动化控制网络的 BACnet 协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成，或相当于开放 系统互联参考模型(OSI)的第一、二、三、七层协议，如图所示。 其中：ARCnet 为令牌总线网，数据传输速率为 2．5-20bit／s，有良好的实时性。MS／TP 是一种主／ 从令牌传递数据链路层技术，允许使用 EIA-485 硬件。BACnet 实现了不同生产厂家自控系统之间进行通信 的技术，即从一个“岛”到另一个“岛”之间进行相互联系的技术。 3．2．2 现场总线技术的应用——分布式控制系统 的进一步分散化 (1)现场总线概况 现场总线(Fieldbus)是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支 结构的通信网络。不同的现场总线遵循的协议不同，接口标准不同，各具特色。现场总线技术具有如下一 些特点：①以数字信号取代 4-20mA 的模拟信号，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，因此现场总线具 有很高的性能价格比。②现场总线把处于设备现场的智能仪表(智能传感器、智能执行器)连成网络，使控 制、报警、趋势分析等功能分散到现场仪表，使控制结构进一步分散化，导致控制系统体系结构的变化。 ③符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操作，不同标准通过网关或路由器也 可互联，现场总线控制系统是一个开放式系统。 (2)LonWorks 技术 LonWorks 是一种完全分布式控制的局部操作网(Local Operating Network—LON)技术。 LonWorks 网络 节点由神经元芯片、收发器、固件和 I／O 接口电路组成。神经元芯片(Neuron chip)是这种智能节点的核 心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有 控制功能。Neuron 芯片方块图如图 5 所示。 芯片附有固件，该固件实现 LonTalk 通信协议和所有的任务调度。LonTalk 协议遵循世界标准组织 ISO 提出的开放式互联参考模型 OSI，具有完整的 7 层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含 的冲突／检测回避算法，控制物理／电气的连接等。LonTalk 协议对应于 OSI 参考模型相应层所提供的服 务见表 1。 Neuron 芯片除了具有控制功能外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理器，LonTalk 协议固化在芯

片的 ROM 中，使得 LonWorks 的微型节点无需中心结构的完全分布式控制模式，将控制功能分散到了现场级 仪表。 LonWorks 网络，可以采用多种通信媒体，如双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并 且提供与上述多种媒体相适应的收发器，这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以 根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。 LonMark 是为了避免众多制造商以不同的含义来解释 LonWorks 技术， 保证不同的产品能够方便地集成一起， 以便构成一个真正开放的系统，而制定的一个行业标准。 (3)分布式控制系统的进一步分散化 传统的分布式控制系统在现场控制站这一级依然是一个集中式结构，而现在的分布式控制系统是在原 有分布式控制系统的基础上，采用 LonWorks 现场总线的建筑设备自动化系统发展起来的新系统，如图 6 所 示，图中标准 LAN 为原有的分布式控制系统，使用 BACnet 协议，以利于实现多种供应商的不同类型的子系 统之间的通信信息交换，把具有控制功能的各个岛连成一个整体。新增的 LonWorks 现场总线使用 LonTalk 协议， 把控制功能进一步分散到现场级仪表， 标准 LAN 与现场总线之间的路由器相联。 这样 BACnet 和 LonMark 两项标准互相补充，互为依托，构成一个完全分散的、真正开放的建筑设备自动化系统。 4 楼宇自动化系统设备的发展历史及相关产品简介 楼宇设备自动化系统到目前为止已经历了四代产品： 第一代：CCMS 中央监控系统(20 世纪 70 年代产品) BAS 从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和 CRT 构成中央站，打印机代替了记录仪表，散 设于建筑物各处的信息采集站 DGP(连接着传感器和执行器等设备)通过总线与中央站连接在一起组成中央 监控型自动化系统。DGP 分站的功能只是上传现场设备信息，下达中央站的控制命令。一台中央计算机操 纵着整个系统的工作。中央站采集各分站信息，作出决策，完成全部设备的控制，中央站根据采集的信息 和能量计测数据完成节能控制和调节。 第二代：DCS 集散控制系统(20 世纪 80 年代产品) 随着微处理机技术的发展和成本降低，DGP 分站安装了 CPU，发展成直接数字控制器 DDC。配有微处理 机芯片的 DDC 分站，可以独立完成所有控制工作，具有完善的控制、显示功能，进行节能管理，可以连接 打印机、安装人机接口等。BAS 由 4 级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统。 集散系统的主要特点是只有中央站和分站两类接点，中央站完成监视，分站完成控制，分站完全自治，与 中央站无关，保证了系统的可靠性。 第三代：开放式集散系统(20 世纪 90 年代产品)

随着现场总线技术的发展，DDC 分站连接传感器、执行器的输人输出模块，应用 LON 现场总线，从分 内部走向设备现场，形成分布式输入输出现场网络层，从而使系统的配置更加灵活，由于 LonWorks 技术的 开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。BAS 控制网络就形成了 3 层结构，分别是管理层(中央站)、 自动化层(DDC 分站)和现场网络层(LON)。 第四代：网络集成系统(21 世纪产品) 随着企业网 Intranet 建立， 建筑设备自动化系统必然采用 Web 技术， 并力求在企业网中占据重要位置， BAS 中央站嵌入 Web 服务器，融合 Web 功能，以网页形式为工作模式，使 BAS 与 Intranet 成为一体系统。 网络集成系统(EDI)是采用 Web 技术的建筑设备自动化系统，它有一组包含保安系统、机电设备系统和 防火系统的管理软件。 EBI 系统从不同层次的需要出发提供各种完善的开放技术，实现各个层次的集成，从现场层、自动化 层到管理层。EBI 系统完成了管理系统和控制系统的一体化。网络集成系统结构图如图 7 所示。 目前，规模和影响较大的楼宇设备供应公司有美国霍尼维尔公司、江森公司、KMC 公司、德国西门子公司 等。 5 结束语 楼宇自动化控制技术在我国还是一个新兴的技术领域，随着更多智能建筑的出现，将有更加先进的技 术补充到这一领域中，使这一技术更加成熟、完善。



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