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1.定义

    智能建筑(Inteiligent Buildings)是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物,是信息社会与经济国际化的需要。智能建筑主要有楼宇自动化控制系统( BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大系统组成。智能建筑往往是从楼宇自动化控制系统开始。智能建筑内部有大量的电气设备,如:环境舒适所需要的空调设备、照明设备及给排水系统的设备等,这些设备多而散:多,即数量多被控制、监视、测量的对象多,多达上百到上万点;散,即这些设备分散在各层和角落。如果采用分散管理,就地控制,监视和测量难以想象。为了合理利用设备,节省能源,节省人力,确保设备的安全运行,自然提出了如何加强设备的管理问题。
2.发展
    在二十一世纪的今天,随着计算机技术和信息技术突飞猛进的发展。对大楼内的各种设备的状态监视和测量不再是随线式,而是采用扫描测量。系统控制的方式由过去的中央集中监控,转而由高处理能力的现场控制器所取代的集—散型控制系统,中央机以提供报表和应变处理为主,现场控制器以相关参数自动控制相关设备,来达到控制目的。对建筑设备用计算机管理系统来代替操作人员,或作其补充措施,是一种自然发展。自动控制技术经过简单的机械控制器控制、常规仪表控制,进入一个崭新的阶段——计算机控制。
3.系统构成
    近年来国内高层建筑不断兴建,它的特点是高度高、层数多、体量大。面积可达几万平方米到几十万平方米。这些建筑都是一个个庞然大物,高高的耸立在地面上,这是它的外观,而随之带来的内部的建筑设备也是大量的。为了提高设备利用率,合理地使用能源,加强对建筑设备状态的监视等,自然地就提出了楼宇自动化控制系统。
    楼宇自动化控制系统能够自动控制建筑物内的机电设备。通过软件,系统地管理相互关联的设备,发挥设备整体的优势和潜力,提高设备利用率,优化设备的运行状态和时间(但并不影响设备的工效),从而可延长设备的服役寿命,降低能源消耗,减低维护人员的劳动强度和工时数量。最终,降低了设备的运行成本。
管理的目的
    自动控制、监视、测量是建筑设备管理的三大要素,其目的是正确掌握建筑设备的运转状态、事故状态、能耗、负荷的变动等。尤其在使用电子计算机之后既可大力节省人力,又可节省能源。一般认为可节约能源25%。
    根据日本电气学会技术报告说:使用电子计算机的管理系统的效果与不使用的效果相比,维修保养人员可减少约30%。这里讲的节能是在必要能源的最高利用率上所采用的节能方法。此运转控制所采用的方法主要有:机械的有效运转;变更室内温湿度的条件;控制照度;把设备运转时间控制在最小限度;减少室外空气的取人量等。在一幢大楼内电气的消耗率占整个能源消耗的70%~90%,所以节能首先应从电气方面着手,降低电能的消耗。
管理对象
    建筑设备的管理对象主要是电气设备;空调设备;卫生设备。
    l)电气设备:管理电气设备主要监视机械的动作状态、测量点及保护装置。管理的主要对象是对各配电系统的断路器、变压器、接触器、保险丝,电容器等的状态监视。测量主要是对电力系统的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数的测量。
    2)空调设备:管理空调设备要监视冷冻机、空调器、水泵等的状态;温湿度的测量,以及对空调系统所需的冷热源的温度、流量的调节。
    3)卫生设备
4.功能
    大楼的建筑设备自动控制是以空调控制为中心的。空调系统的自动控制是属于一般热力学过程的自动调节
    空调系统的自动调节有下列几个好处:
    a) 对生产性建筑可提高温湿度的控制精度,提高产品质量;对居住和商业性建筑主要是提高人的舒适感。
    b) 可以根据被调量变动的情况,给系统增减能量(热或冷),因此可以降低能耗,节省能源。
    c) 可以减轻劳动强度。
I空调机组的自动调节
    控制系统采用 DDC控制,装设在回风管内的温度传感器所检测的温度送往DDC控制器与设定点温度相比较,用比例积分加微分控制,输出相应的电压信号,控制装在回水管上的电动调节阀的动作,使回风温度保持在所需要的范围。
    装设在送风管内的湿度传感器所检测的湿度送往 DDC控制器与设定点湿度比较,用比例积分控制,输出相应的电压信号,控制电动蒸汽阀的动作,使送风湿度保持在所需要的范围。
    装设在回风管及新风管的温度及湿度传感器所检测的温/湿度送往DDC控制器进行回风及新风焓值计算,按回风及新风焓值的比例,输出相应的电压信号,控制回风风门及新风风门的比例开度,使系统节能。
    系统中所有检测数据,均可以在显示屏上显示出来,如:
    —新风、回风、送风之温湿度
    —过滤器淤塞报警
    —风机开停状态
    2)通过 DDC控制器内预先编写的逻辑程序,系统可执行下列连锁功能。—装设在新风入口处的风门与风机连锁。当风机停止后,新风风门全关。—电动调节阀与风机启动连锁。当风机停止后,电动调节阀亦同时关闭。—风机启停状态是用差压开关检测的。当风机启动后,风机两侧的差压超过其设定值时, 差压开关内的常开触点闭合,信号送往 DDC控制器,系统的控制程序立即投入运行。
     3) 通过手提检测器可现场提取及修改 DDC数字控制器内的任何数据,如
     —传感器检测范围
     —控制程序参数,包括输入端到输出端等。
     4) 通过 DDC上串行接口与网络控制器连接,成为中央监控系统的最基本监控单元。
II冷站控制
     由装于冷冻机房内的网络控制器及数字式控制器, DDC分站按内部预先编写的软件程序来控制冷水机组台数的启停及各设备的连锁启停。
     —测量冷冻水供、回水温度及回水流量,从而计算空调实际的冷负荷。
     —根据实际的冷负荷来决定冷水机组开启台数,使达到最佳节能状态。
     —冷却水温度控制冷却塔风扇启停。
     —各设备的程序联动开/停:
     (a)启动:冷却塔风机i冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组。
     (b)停止:冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵—)冷却塔风机。
     (c)当其中一台冷冻水泵/冷却水泵出现故障时,备用水泵会自动投人工作。
     —测量冷冻水系统供回水总管的压差控制其旁通阀的开度,使维持压差。
冷水机组控制
     由中央控制系统进行监视供/回水温度。按程序启/停冷水机组。根据系统的供/回水温度通过就地控制器(DDC)对温度重新设定及负荷的限制等。
冷却塔风机控制
    由中央控制系统进行监视冷却塔的出水温度及控制水泵的启停。
    (3) 冷却水泵/冷冻水泵的控制
    根据冷冻站的控制程序启/停水泵过载报警,对水流量的记录。
III中央站监控功能
    以WindowsNT为操作平台,采用工业标准的应用软件、集散控制系统、二级网络结构,全中文化的图形化操作界面监视整系统的运行状态,提供现场图片、工艺流程图(如空调控制系统图)、实时曲线图、监控点表、绘制平面布置图,以形象直观的动态图形方式显示设备的运行情况。绘制平面图或流程图并嵌以动态数据,显示图中各监控点状态,提供修改参数或发出指令的操作指示。
    可提供多种途径查看设备状态,如通过平面图或流程图,通过下拉式菜单或功能键进行常用功能操纵,以单击鼠标的方式可逐及细化地查看设备状态及有关参数。
控制功能:
    能在中央站上通过对图形的操作即可对现场设备进行手动控制,如设备的ON/OFF控制;通过选择操作可进行运行方式的设定,如选择现场手动方式或自动运行方式;通过交换式菜单可方便地修改工艺参数。
    对系统的操作权限有严格的管理,以保障系统的操作安全。对操作人员以通行字的方式进行身份的鉴别和管制。操作人员的根据不同的身份可分为从低到高5—10个安全管理级别。
先进的报警功能:
    当系统出现故障或现场的设备出现故障及监控的参数越限时,均产生报警信号,报警信号始终出现在显示屏最下端,为声光报警,操作员必须进行确认报警信号才能解除,但所有报警多将记录到报警汇总表中,供操作人员查看。报警共分4个优先级别。
    报警可设置实时报警打印,也可按时或随时打印。
综合管理功能:
    对有研究与分析价值、应长期进行保存的数据,建立历史文件数据库:采用流行的通用标准关系型数据库软件包和硬盘作为大容量存储器建立数据库,并形成曲线图等显示或打印功能。
    提供汇总报告,作为系统运行状态监视、管理水平评估、运行参数进一步优化及作为设备管理自动化的依据,如能量使用汇总报告,记录每天、每周、每月各种能量消耗及其积算值,为节约使用能源提供依据;又如设备运行运行时间、起停次数汇总报告(区别各设备分别列出),为设备管理和维护提供依据。
    可提供图表式的时间程序计划,可按日历定计划,制订楼宇设备运行的时间表。可提供按星期、按区域及按月历及节假日的计划安排。
5.常用设备
传感器
    传感器是自控系统中的首要设备,它直接与被测对象发生联系。它的作用使感受被测参数的变化,并发出与之相适应的信号。在选择传感器时一般有三个要求:高准确性、高稳定性、高灵敏度。
    1. 温度传感器:
楼宇工程中应用的主要接触式温度传感器,如热电阻、热电偶、PTC硅感应器等,由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换,测量常伴有时间上的滞后。如Pt1000其在0℃时电阻为1000Ω,随着温度的升高电阻减小,灵敏度一般在3~4Ω/K,响应速度一般在15~30秒。
    2. 压力传感器:常用的有电气式压力传感器,将被测压力的变化转换为电阻、电感等各种电气量的变化,从而实现压力的间接测量。常用的有压差开关、表压传感器、静压传感器等。
    3. 流量传感器:常用的是电磁流量计,由法拉第电磁感应定律知,在磁场中运动并切割磁力线的导体中会有感应电动势产生,此感应电动势与流体的体积流量呈线性关系。如果是改造还可以采用超声波流量计,方便安装和维护。
    4. 湿度传感器:用于测量室内空气相对湿度。
    5. 液位传感器:用于控制水箱、水池等的上限、下限液位。
在自动控制系统中,它接受控制器输出的控制信号,并转换成直线位移或角位移,来改变调节阀的流通截面积,以控制流入或流出被控过程的物料或能量,从而实现过程参数的自动控制。
    6. 风阀执行器:用于控制安装于新风、回风口的风阀,既可进行开关控制,也可进行开度控制。执行器设有万能夹具,可直接夹持在风阀的驱动轴上,设有手动复位钮,在故障时可手动调节。根据风管横截面的大小可选择不同钮矩的执行器。
    7. 水管阀门执行器:与阀门配套使用,有开关式和调节式两种,开关式一般口径大,在冷热站中用于控制各系统工艺管道的开启和关闭、各种工况间的切换等;调节式主要用于控制流量,在空调机组中,根据控制器的温湿度设定值控制回水流量和蒸汽加湿的流量,使温湿度维持在设定值。
现场控制器(DDC)
    DDC是用于监视和控制系统中有关机电设备的控制器,它是一个完整的控制器,有应有的软硬件,能完成独立运行,不受到网络或其它控制器故障的影响。根据不同类型的监控点数提供符合控制要求和数量的控制器。每处   DDC 具有10-15%点数的扩充或余量。
   (1)控制器构成符合以下要求:
     A) 以32位或16位微处理器的可编程DDC
     B) 具有可脱离中央控制主机独立运行或联网运行能力
     C) 具有电源模块
     D) 具有通信模块
     E) DDC 有在模板LED显示每个数字输入,输出点的实时变化状态。当外电断电时,DDC的后备电池可保证RAM中数据在60天不掉失。
     F) 当外电重新供应时,在无需人工干预的情况下,DDC能自动恢复正常工作。
     G) 当DDC存储的数据非正常丢失时,用户可通过现场标准串行数据接口和通过网络操作将数据重新写入DDC控制器。
     H) DDC的操作程序与应用程序皆采用PPCL高级语言编写。
     I) DDC程序的编写,修改既可在中央站上进行,也可通过便携机进行。
     J) DDC在外电断时,同时后备电池丢失时,能存储其应有程序。
     K) DDC的采集精度与传感器的精度相匹配。
     L) 工作环境:温度0度到50度,相对湿度0-90%
     M) 电源:AC220V, ±10%,50HZ。
     2)DDC具备以下功能:
     定时启停自适应启/停
     自动幅度控制需求量预测控制
     事件自动控制扫描程序控制与警报处理
     趋势记录全面通信能力
中央监控站
    中央管理工作站系统由PC主机、彩色大屏幕显示器及打印机组成,是BAS系统的核心,它直接可以和以太网相连。整个大厦内所受监控的机电设备都在这里进行集中管理和显示,内装工作软件提供给操作人员下拉式菜单、人机对话、动态显示图形,为用户提供一个非常好的、简单易学的界面,操作简单,操作者无需任何先验软件知识,即可通过鼠标和键盘操作管理整个控制系统。
未来发展形势
    最近几年,未来的楼宇被人们认为 将会是充满了各种各样的智能设备。楼宇控制网络中的传感器、执行器、阀门等都是智能的,楼宇 的基础设施能无缝隙的将数据网和控制网连接起来,形成整体的楼宇网络。 整体的楼宇网络将成为未来楼宇控制的典范。在九十年代中,人们逐渐对楼宇自控中信息的传 递形成了新的概念: 智能设备-传感器、执行器形成能自主的控制环境即智能的温度传感器、 电灯开关、窗帘、电梯按钮、读卡机等能混如一体的工作。 网络-新一代的智能设备能无缝隙的将各种网络如国际互联网、企业网 或楼宇的广域网、局域网等连接起来。 全球联网-随着网络、设备和系统的发展,用户能在世界上任何地方,任 何时间对智能楼宇网络上住何一点进行远程访问。 整体的楼宇网络概念已不再是一个对将来的期望,今天它正在发生中。提供智能设备、子系 统和系统的厂家正在如指数般的成长。这种推动力主要来自于业主们,他们对楼宇物业集成度的要 求越提越高,这也是合理的。因为在今天,楼宇自控子系统如门禁、闭路电视、电梯、空调暖通、保 安和消防中的智能产品都已问世了。 虽然这许许多多的智能产品正在导致楼宇子系统的逐渐更新,但真正的整体的楼宇网络系统 仍然少见。生产厂商们一方面表示他们全面向开放性系统靠拢,但另一方面又限制互操作性产品的 发展,因为他们惧怕一个标准网络通信协议和真正的开放性结构所带来的市场变化。大公司愿意维持现状是因为他们是既得利益者。许多大厂商们在他们的底层设备申采用了L0NWORKS技术,是因为 他们发现使用L0N WORKS平台这一经济有效的技术可以实现他们的封闭系统中的设备互通信息,但他们也只愿意做到这 个地步而已。 我们只要回顾一下近代科技的发展史就可以看到这种现象的危险性。在六十年代和七十年 代,计隽机行业中,的巨人们如:IBM,Burroughs,Control Data,Sperry,NCR,Honeywell垄断了计算机市场,他们的设备又大又封闭,价钱也非常昂贵。在七十和八十年代,出来了一批新的计算机公司如:DEC,Data Geheral,Tande和王安电脑,这些公司的电脑产品是比较分布的但他们仍然是昂贵的封闭式的主从系统。
    在九十年代另一批计算机公司取代了行业的领导地位,他们是:Compaq,Dell,Gateway和 惠普。这些新公司能有如此成绩是因为他们的产品是全开放性的,性能价格比高,灵活性大。随着销 路的增加,厂家更能消减成本扩大市场从而获得更多的利润。 走向开发性 今天的楼宇自控行业与昨日的计算机行业有许多的相同之处。传统的楼宇控制系统也是封 闭式的,通常从一家公司购买并由他们安装。由于这种系统是主从式的控制结构,安装和维修成本都 较高且将来的增减、改造和维修都有一定的局限性。任何在子系统层上的集成都需要有昂贵的网 关硬件和专业人员专用的编辑程序来完成。 不幸的是不少的控制系统生产商并不愿意提供真正的开放平台。     从后视镜里往前看  如果我们仔细看看今天楼宇自控厂商们提供上市的各类产品,我们不禁要怀疑这些厂商们是 否在后视镜里往前看。最终用户们要的是对等式的开放系统,不含那些昂贵的、独家的、封闭式的模板和中央控制器及相应的复杂布线、控制程序和维护。  今天的控制设备厂商们希望用他们的昂贵的网关来做集成(达到互操作性),虽然这些网关可 以使子系统达到某一程度的互操作性,但网关限制了终端设备之间的通讯,并使整个系统复杂化了。 智能化的路由器可以解决上述弊病。路由器使通道之间透明,可从任何地方访问某通道上的某个终 端设备。路由器提高了系统的可靠性,为升级、改变和更换提供了足够的灵活性。这种路由器的工 作方式只是在网络中进行逻辑的隔离而非物理隔离。  当我们这个控制行业采纳了真正的开放性系统时,业主和物业管理人员们才能享受到从不同 厂家产品中集成出一个楼宇管理系统的真正好处:自由选择最高性能价格比的产品、技术和服务;成 本也可以在产品的真正生命期中摊销完毕。  [align=center]开发、安装开放性的控制网络 [/align]  相关公司提供了开放性LONWORKS控制网络的系统级基本组成模块,这些系统模块主要是面 向OEM厂家的。产品是:   *开发工具    *Lon Talk(通信协议)    *神经元芯片    *收发器    *网络接口    *网络操作系统    *网络管理软件  这些系列产品可以使OEM厂商直接获得LONWORKS网络的利益而无需重新开发开放性控制网络的技术核心,他们可以将他们宝贵的人力物力资源集中在开发控制设备和系统上,提高他们产品的附加值从而减低开发和生产的成本。   [align=center]提供给系统集成商的产品 [/align]  在完成一项高度分布、互操作性的控制方案时,系统集成商起了关键性的作用。为此,Eche 公司相应的对系统集成商们提供了一套Lon Point系统产品。这些产品使系统集成商们可以将不同生产商提供的L0NMARK产品集成在一起,完成 一个完整的控制解决方案。这种解决方案可以取代上面所说的中央控制器,将控制算法直接分布到 I/O设备上。  Echelon的Lon Point接口模块不但可以取代这些中央控制器,系统集成商们也可以用Lon Point将不具备神经元芯片和收发器的传统老设备连接到 Lon Works网络上。LonPoint模块中的神 经元芯片可对传感器、执行器的信号进行直接处理。这些安装容易、编程简单的LonPoint模块与复 杂的中央控制器相比起来,无论在价格上或是接线工作和维修过程中都有很大的价格优势。    Echelon的预见  相关公司在楼宇自控领域的总之就是将市场推向基于LONMARK互才做性,开放式的全分 布网络控制系统。要做到这一步,就要求生产商们取缔那些独家性的中央控制器和网关,降低设备、 安装及生命周期的成本从而降低系统成本。  有不少的生产商对“开放系统"仍抱着怀疑态度。他们关心开放后,市场是否真能快速 成长。其实,他们多虑了。控制领域开放后,市场肯定会迅速扩张,那时生产者们才能真正达到薄利 多销的程度。  LONWORK互操作协会和他的240多名成员们正致力于推广真正开放的楼宇自控市场。协会的成员们来自生产商、集成商和业主及最终用户们。协会的工作包括制定互操作性标准,对产品进行 认证,同时对市场做宣传和推广工作。   企业的全面连网  在建筑业中,随着企业的数据网和国际互联网的迅速发展,把企业的控制网连接上TCP/IP已 越来越迫切了。用路由器取代网关而将不同的通道连接起来,这种“隧道”路由器的工作原理将L0N WORKS信息打包在TCP/IP信息包内,送上TCP/IP网络。由于此类结构的系统是一个集成的网络,所有 的点都是透明连接的,使系统在安装、监测、诊断、维修都非常方便。也就是说:一个网络工具可以 在网上任何地点对网上的其他节点进行工作。
    新一代的路由器可将四NW0RKS网络上的通道透明的、无缝隙的连接到以太网主干线的网络 上,也可直接连到有以太网插卡的计算机上。其结果是一个强有力而连贯如一的LONWORKS的楼宇自控系统,将楼宇物业管理软件系统与所有的智能节点连接起来。这种一体的网络结构大大减低系 统生命周期成本,更可以完成许多现在认为不可能的解决方案。为了实现这种IP(因特网协议)相连 方式的应用,相关公司正与CISCO公司紧密合作着,开发并推出适应这类市场需要的产品。
     现在新一代的楼宇自控产品已经问市了。要保证我们的楼宇系统是真正开放的,需要业主、 设计师、集成商们共同向厂家们要求真正的开放又带互操作性的新产品。如果没有这种推动力的话 ,生产控制器的厂家们仍然会继续提供我们看到过的老产品。我们的行业需要树立新的规范,制定 LONMARK互操作性,设计对等式平面的系统结构,使用不含网关和基于LNS平台的网络工具。  让我们合作起来,携手共进,把我们对现代楼宇智能网络的展望变成事实!