一、引言
智能建筑系统是楼宇自控系统(BAS) 、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三者的有机结合。楼宇自控系统是一种将建筑物内有关电力、照明、空调通风、给排水、防灾等电气设备进行控制和管理的综合系统,是智能建筑的重要组成部分。随着计算机控制技术、网络技术和信息技术的高速发展,楼宇自控领域的技术创新正以迅猛的势头不断发展。楼宇自控系统由独立的控制子系统向集中化、网络化、信息化的监控与管理系统发展,实现数据采集、过程控制、流程优化、运行管理和信息化的各项功能。在GB/T50314—2000《智能建筑设计标准》中也指出,智能建筑必须具备智能化系统集成功能,接口应实现标准化、规范化。也就是说,只有合理选择专业化的楼宇自控设备、系统结构,才能真正实现楼宇自控系统的集成化和信息化。
二、楼宇自控系统
传统的楼宇自控系统实现对建筑物的空调监控系统、通风系统、变配电系统、照明系统、供热系统、电梯系统、给排水系统等的控制、操作、监视、报警、记录、存储、报表、管理等功能。随着科学技术的发展和物业管理的需求不断提高,智能建筑楼宇自控系统容纳了火灾报警系统、安防系统、车库管理系统等,且相互之间具有联动关系,功能越来越强大,如图1所示。
楼宇自控系统的设计原则如下:
(1) 分散控制、集中管理。根据各子系统的设备分布和控制要求,控制器分散到各子系统的设备间、楼层或各设备中,实现对设备分散控制。在智能建筑中设置中央监控室,实现对楼宇自控系统的集中科学管理,为建筑中的用户提供良好的环境,为建筑的管理者提供方便的管理手段。
(2) 节能措施。控制方案和设备的选用应采用节能技术,充分体现节能效果,为智能建筑减少能耗,并降低管理成本。
(3) 可靠性和稳定性。使楼宇自控系统的安全运行有保障。
(4) 适用性。满足并优化各子系统流程的运行和管理。
(5) 易操作和易维护。采用中文信息界面,结构简单合理,维护方便。
(6) 兼容性与开放性。系统是软、硬件一体化的整体,要求具有兼容性和良好的开放性。
(7) 具有较高的性价比。
三、专业化体现
(1) 选型的标准化与规范化。在设备选型时,首先应注重系统运行的稳定性和可靠性,从实用性和可行性、先进性和成熟性、标准化和规范化、可管理性和可维护性等几个方面,保证系统满足智能建筑的规程规范与标准要求。在硬件结构、接口技术、软件平台上采用技术成熟的产品,且尽可能保持一致。其次要考虑的重要因素是性价比、灵活性和可扩展性、开放性与兼容性,在通信协议、系统配置、软件应用等方面保证系统的开放性和软、硬件的及时升级,以最少的投资获取最大的效益。理想的设备选型方法是产品厂家尽可能少,且为遵循同一协议、同一接口标准、同一软件平台的成熟系统产品。
(2) 网络化。楼宇自控系统的网络包括设备层、控制层和管理层。网络拓扑结构应具备安全性和开放性。网络访问控制方法应具有快速、准确、可靠和安全的性能。网络介质要求抗干扰能力强、性价比高。网络节点应具有灵活的可扩展性和安全权限保护功能。应根据智能建筑的规模和标准,合理构建局域网及其与广域网的连接,并充分利用互联网通信协议( TCP / IP)和综合信息服务网( ISDN) ,使整个网络具有多用户访问、多控制现场、对突发事件快速响应、集中数据存储和控制、远程浏览、远程故障诊断与报警等功能。
目前,楼宇自控系统的网络结构有集中式结构、分级分布式结构和全分布式结构,并向分散式结构发展。集中式结构为单机系统,适合于小系统,多选用单片机、工控机等,存在于一些已建成的楼宇中。分级分布式结构适合于大、中型系统,各控制器和操作站通过控制网络实现通信,分散控制、集中管理,目前应用较普遍。全分布式结构即现场总线控制系统( FCS) ,系统中传感器、执行器均为智能节点,智能节点能访问控制器、网络处理器和应用处理器,既能进行控制,又能管理网络通信,具有开放性、互换性、全分散性,是楼宇自控系统发展的趋势,目前应用非常普遍。
(3) 数字化。数字化是指楼宇自控系统之间以及楼宇自控系统与其他信息系统之间能够实现网络连接以及图像、数据等信息的信息交换与共享。在系统的硬件结构上采用现场总线技术,使传感器(如楼宇自控系统中广泛使用的温度、压力、流量等物理量传感器,电流、电压等电量传感器,红外探测器等)与执行器也同控制器一样实现数字化通信,阀门等配置数字式接口技术。这样,每个传感器或执行器就是一个独立的网络节点,对应一个独立的IP地址,能够直接与控制器、操作站通信。
(4) 集成化。楼宇自控系统只有实现空调、变配电、照明、电梯、给排水、火灾报警、安防等系统的集成,才能实现对系统的监控,起到协调各系统的功能、提高能源利用的作用。在系统集成方面可采用多种方法,如利用动态数据交换(DDE)技术、OPC (OLE for Process Control)技术等。采用的方法应具有较好的兼容性(如现场总线LonWorks) ,建立在Internet技术的基础上,可支持不同厂家的产品,并在系统设计时充分考虑系统的集成。美国Honeywell公司的企业楼宇集成系统EBI( Enterprise Building Integrator)集成化功能较强,利用DDE技术可将火灾报警系统、安防系统、数字影像系统、人员与资产定位系统等与传统意义上的楼宇自控系统进行集成。
(5) 信息化。楼宇自控系统的信息化一方面体现在中央操作站的信息化管理功能上,另一方面体现在与智能楼宇内的办公自动化网、通信网络的信息共享上。操作站选用PC机、打印机和楼宇自控软件平台实现对整个系统的管理和优化,在网络化、数字化基础上实现智能建筑管理系统( IBMS)的功能。对收集到的楼宇内部资料进行分析,将其整理成相关的信息,使楼宇自控系统设备信息与火灾自动报警系统、安防系统、办公自动化系统、通信系统的信息相互综合,实现相关的物业管理,如备品备件管理、维护管理、能源管理、成本预算管理、设备计划管理、自动抄表管理、费用计算管理、人力调度管理等。
(6) 设备专用化。楼宇自控系统硬件采用模块化设计,设备的专用化体现在功能模块上,如控制器、网络模块、电源模块、各类I/O模块等专用功能模块。目前,控制分站的专用化是一个趋势,如迈科智控有限公司的定风量控制器、空调机控制器、通风控制器、变风量控制器等,安装简单、维护方便。
(7) 先进性。楼宇自控系统的技术先进性与成熟性是保证系统稳定、可靠运行、便于扩展与升级的前提。目前,两大主流技术是LonWorks和BACnet。
四、系统集成
智能建筑的智能化实质就是集成化,即信息资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理,通过系统集成实现综合共享。集成化的技术核心是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种技术集成基础上的新型技术,以信息集成为目标。系统集成的目的是建立一个以网络为基础的监控管理平台,提供一整套采集、处理和在网络上发布各类实时数据的系统软件,实现对系统信息、资源和管理服务的共享,具有简易和方便的操作界面,且具有向上的开放性和向下的包容能力。
楼宇自控系统的集成方式应与智能建筑中的办公自动化系统、通信自动化系统一体化考虑。
基于系统集成的目的和智能建筑的现状,推荐采用区域网—子系统集成方式。系统结构由IBMS管理层、系统管理层和设备层组成。系统中硬件采用通信网关,基于TCP / IP协议、Windows NT操作系统实现与各子系统之间的通信连接,是一个典型的分布式客户机/服务器(C /S)工作模式,如图2所示。这种集成方式的软件体系为集成信息管理,信息交换可通过软件或硬件完成,传递的数据格式也是自定义的,并可方便地对智能建筑综合管理自动化系统进行二次开发。
五、工程实例
深圳大学城是深圳市培养高层次创新人才的基地,具备现代建筑内楼宇自动化技术,目前已有清华、北大、哈工大三校深圳研究生院正式入驻。
三个校区的楼宇自控系统是各自独立的,功能、系统结构和选型相同,只是规模不同。以一个校区为例,其楼宇自控系统由火灾自动报警系统、中央空调监控系统、照明控制系统、给排水控制系统和变配电系统构成,其网络拓扑结构如图3所示。
5. 1系统功能
深圳大学城楼宇自控系统的各子系统具有如下功能:
(1) 火灾自动报警系统、。具有集中监控功能,实现对探测器输出值的实时监视,采集、传输、显示和记录各探测器的环境参数,实现预报警、报警、报警联动的三级报警与控制,与消防广播、警铃、排烟风机、正压风机、停止空调运转、自动喷淋灭火、自动气体灭火实现联动。广播、背景音乐在紧急事故(如火灾)时可自动切换到紧急广播工作状态。
(2) 中央空调监控系统。监控整个校区的空调系统及其设备(包括新风机、空气处理机、风机盘管、新风机组、排烟风机、正压风机和冷冻水进水量控制器等) ,并通过对冷冻水的供/回水温度和流量的测量,自动计算出空调系统的冷负荷。
根据实际的冷负荷,通过空调冷水机组的群控装置,来调整冷水机组的负载变量,以达到最佳的节能效果。测量并自动控制新风机、空气处理机过滤网的压差,维持系统要求的压差值。对各种空气处理机组中的参数(如温度、湿度、压力、流量、液位、风量等)进行检测、控制,对风机、冷冻机等设备以及过滤器的状态、风机的状态及故障报警进行自动控制与监测。
(3) 照明监控系统。对大厅、公共走廊、楼梯、地下停车场、会议室等公共场所实现集中监控,对教室等其他区域实现就地控制。
(4) 给排水控制系统。利用变频控制技术实现恒压供水,为就地控制方式。
(5) 变配电系统。实现对10 kV进线、380 V出线回路,备用柴油发电机的三相电压、三相电流、功率因数、频率的检测和变压器的超温报警监测,为就地监控方式。
5. 2专业化分析
深圳大学城楼宇自控系统的集成特点如下:
(1) 选用不同厂家的产品。主要控制器选用进口产品,其他设备选用国产设备。火灾自动报警系统选用了北京西门子公司的CerberusÒCT11系统,中央空调与照明监控系统选用了Honeywell公司的Excel 500 系列产品,给排水与变配电系统选用的是国产设备。
(2) 通信协议不同。火灾自动报警系统控制器间的通信总线为C总线(CANbus) ,火灾显示盘、火灾显示驱动器及输出模块与控制器间的通信总线是LonWorks总线,探测器与控制器间的通信总线是D总线(Compobus/D) 。中央空调与照明监控系统中工作站、服务器与控制器间的通信采用以太网,DDC控制器之间的通信协议为LonWorks。
(3) 网络结构独立。火灾自动报警系统由1台操作站、1台控制站构成一个环形网络,中央空调与照明监控系统由2 台服务器( 1 主1 备) 、4台工作站和DDC控制器构成一个控制网络。整个楼宇自控系统的网络分为两部分,各自独立。
(4) 集中监控与就地控制结合。根据校区的实际情况,火灾自动报警系统与中央空调为集中监控,照明系统为集中监控与就地控制结合,给排水、变配电系统为就地监控方式。
(5) 系统网络与楼宇中的其他自动化系统脱节。楼宇自控系统与校区内的楼宇安防系统、楼宇办公自动化系统、楼宇通信系统四者各自独立,没有实现资源共享。
(6) 信息化管理程度低。该系统仅实现了火灾自动报警系统、中央空调监控系统、照明监控系统中的操作、报警、历史趋势、历史记录、报表生成等管理功能。由于系统结构的原因没有与校区内办公自动化系统的信息平台链接,未实现信息化管理。
(7) 集成度较低。仅实现了具有集中监控功能的火灾自动报警系统、中央空调监控系统、照明监控系统的设备集成、信号集成,没有实现与安防系统、电视监控系统、电梯等设备控制的集成,没有建立起一个统一的监控平台,没有实现真正意义上的集成,即信息集成。
(8) 适用性较强。系统结构简单,操作方便, 功能适用。
六、楼宇自控系统存在的主要问题
(1) 系统的开放性差。由于楼宇自控产品厂家较多,不同厂家生产的控制器在相互连接和通信上存在困难, 兼容性不理想, 开放性仍有待改善。
(2) 系统设计不合理。由于设计人员对楼宇自控系统的内容和被控设备认识不足,与相关专业配合不当,造成了楼宇自控系统的设计不合理,运行效果不佳。
(3) 系统的集成化程度较低。由于楼宇自控产品遵循的通信协议较多,协议的开放性又较差,使系统的集成实现困难。
(4) 系统结构复杂,投资高。往往为了实现各种楼宇自控功能,须选择几个不同厂家的产品,而为了实现这些系统的通信致使系统结构复杂,造成自控系统的投资比机电设备高的现象,使投资商望而却步。
七、结束语
楼宇自控系统正向着全分布式结构的现场总线系统发展,这些分布式控制系统既是独立的,又是相互联系的、综合的、统一的,其集成化、智能化也在向更高层次发展。楼宇自控系统和工业自动化系统正在相互融合、共同发展,工业自动化技术、工业自动化设备和软件也正在不断地应用到楼宇自控系统中。现代通信技术正在改变着楼宇自控系统,如移动电话与楼宇自控系统互发指令等。在设计、施工和管理楼宇自控系统时,应科学、合理地掌握和体现系统的专业化和系统集成程度。(end)
|
