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楼宇自控系统
一、智能建筑概述
二、楼宇自控的发展史
三、楼宇自控系统
四、楼宇自控子系统
五、系统组成
六、通信协议
七、系统设计
八、空调DDC设计
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一、智能建筑概述
1. 定义
2. 发展
3. 结构
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二、楼宇自控的发展史
楼宇自控的发展史是一个从监控到管理的发展过程。
a、数十年前
b、80年代
c、90年代
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l 三、楼宇自控系统
l 1、 对于一座现代化大楼，在没有安装BAS的时候，使用这些设备往往存在以下问题：
l 控制问题
l 管理问题
l 维护问题
l 能耗问题
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2、楼宇自控系统就是将建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、保安等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监视、管理和分散控制的建筑物管理与控制系统，称为BAS（Building Automation System）。
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l 3、BAS系统的监控范围和参数内容
l 空调机组：新风空调机组、新/回风空调机组、变风量空调机
l 冷/热源系统：冷冻机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、热交换器、热水一次水泵、热泵机组
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l 给排水系统：各类水泵、各类水箱
l 电力系统：照明控制、高/低压信号测量、备用发电机组
l 电梯
l 保安门锁、巡更等
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l 4、BAS系统所能够产生的实际效果
l 室内恒温控制
l 便于大楼内的所有设备的保养和维修
l 便于大楼管理人员对设备进行操作并监视设备运行情况，提高整体管理水平
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l 良好的管理将延长大楼设备的使用寿命，使设备更换的周期延长，节省大楼的设备开支
l 及时发出设备故障及各类报警信号，便于将损失降到最低点，便于操作人员处理故障
l 节省运行费用，节省能量
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四、BAS子系统
a、供热、通风及空调系统为建筑物内提供了一个舒适的环境，是BAS中的一个重要子系统。系统为建筑物内的机电设备（如：冷却塔、冷水机组、空气处理机、气控设备等）提供一个最优化的控制。
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其基本控制功能包括：设备控制、循环控制、最佳起/停控制、数学功能、逻辑功能、趋势运行记录、报警管理等。
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b、给排水系统主要是对于饮用水的提供，以及对于污水的排放。
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c、变配电系统是通过BAS的管理中心提供对于
建筑物内的高低配电房及所有变配电设备的监视
报警和管理及程序控制，提供对于重要电气设备
的控制程序、时间程序和相应的联动程序。
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d、电梯控制系统是通过BAS系统对于建筑物
内的多台电梯，实行集中的控制和管理程序，同
时配合BAS系统的部分子系统，执行联动程序。
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五、BAS系统的组成
检测元件 各种传感器
中央 处理机
人机接 口外围 设备
调节对象
分站DDC
传输通道
执行调节机构
中央控制室
现场部分
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l 中央控制室（数据中心）：包括中央处理机（一台微型计算机、存储器、磁带机和接口装置）、外围设备（显示终端、键盘、打印机）和不间断电源三部分。
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l 传感器及执行调节机构：传感器是指装设在各监视现场和各种敏感元件、变送器、触点和限位开关、用来检测现场设备的各种参数（如温度、湿度、压差、液位等），并发出信号送到调节控制器（分站、数据中心等），如铂电阻温度检测器、复合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器；
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执行调节机构是指装设在各监控现场接受分站调节控制器的输出指令信号，并调节控制现场运行设备的机构，如电动阀、电磁阀、调节阀等，包括执行机构（如电动阀上的电机）和调节机构（电动阀的阀门）
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l 分站控制器：是以微处理机为基础的可编程直接数字控制器（DDC），它接收传感器输出的信号，进行数字运算，逻辑分析判断处理后自动输出控制信号，动作执行调节机构。
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分站控制器是整个控制系统的核心，采用直接数字控制器（DDC）它具有AI、AO、DI、DO四种输入/输出接口。方便灵活地与现场的传感器、执行调节机构直接相连接，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统的调节与控制。
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其中：
AI-模拟量输入接口，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为1-10V或4-20mA的直流信号。
AO-模拟量输出接口，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器等，不需要外部电源，输出为0-10V的直流信号。
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DI-数字量输入接口，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设备状态、报警接点、脉冲计数等。
DO-数字量输出接口，用于控制风机，水泵等运行，亦可作为输出信号与动作增减量型执行机构。
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l 数据传输线路：是联系系统各部分的纽带，从各个监控点到分站控制器的线路是逐点连接（放射式），数据中心与各分站通过总线型或环形网络结构进行组网，各分站直接用一回路双芯导线连接到总线上就可以实现分站与分站之间，分站与中央站之间的通信。
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总 线
通信接口
电脑
打印机
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六、通信控制协议
楼宇自控系统中基本采用的是集散控制方式和分布控制方式，是通过某种控制网络实现的，这就要求控制设备以及建筑设备都要遵循一定的通信协议。
目前，国际上采用较多的是BACnet和LonMark。
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1、BACnet是指美国国家标准协会的ANSI/ASHARE135-1995标准。
BACnet是由一个建筑管理、系统用户、系统集成商组成的联合体提出的，正式的、非专有的开放协议通信标准。
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BACnet详细地描述了系统是如何工作的。它定义了系统各部分共享数据的所有规则，如何实现数据共享，可以什么通信介质，哪个功能可用，信息如何解释等。总之，它为各种系统之间进行信息交流建立了一个基本规则。
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2、LonTalk协议LonWorks技术所使用的通信协议。LonTalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）参考模型所定义的全部七层服务。它适用于任何一种传输媒介。
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3、LonMark与BACnet
BACnet是个综合性的规范，它准许纵多的实施方案，并提供一套强有力的服务功能。但是，这个协议在小型终端控制设备里实施，不能取得最大的成本/性能比。
LonMark是个强大的专门为设备而优化的协议；从传感器、调节器到区域控制器，样样都行。它带有一个紧凑型的协议架，很容易和廉价设备相适应。但其通信速率较低，只能适用于工作层。
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因而，在工作层采用LonMark来连接控制器、感应器和调节器等设备；LAN层面的控制采用了BACnet连接各个系统；两个协议互为补充，建立一个完整的建筑结构，得到最佳的性能和成本。
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七、BAS系统的设计
BAS系统的设计具有很大的灵活性，应根据建筑物的整体功能需求和物业管理方式控制水平，根据建筑物内不同区域的要求和被控系统的各个特点，选择技术先进、成熟、可靠、经济合理的控制系统方案和设备，避免投资的盲目性。
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l 1、楼宇自动化系统设计依据
l JGJ/T16-92“民用建筑电气设计规范”
l GBJ116-88“火灾自动报警系统设计规范”
l GB4718-84“火灾报警设备专业名词术语”
l GBJ19-87“采暖通风与空调调节设计规范”
l GBJ115-87“工业电视系统工程设计规范”
l GBJ93-86“工业自动化仪表工程施工及验收规范”
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l 2、设计步骤：
l 确定BAS规模，根据冷冻、空调、变配电、热
l 力、给排水等相关专业提供的设计条件（资料）
l 及投资情况，功能内容，确定需要监控的设备种
l 类、数量、分布情况及标准；
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l 确定各子系统组成方案、功能及技术要求；
l 确定各子系统之间的关联方式；
l 确定BAS中各子系统与大厦其它部分间的接口
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l 根据各专业的控制要求和控制内容确定并画出设备监控系统原理图
l 统计监控系统的监控点（AI、AO、DI、DO）的数量，分布情况并列表
l 根据监控点数和分布情况确定分站的监控区域、分站设置的位置，统计整个大楼所需分站的数量、类型及分布情况
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l 选择现场设备的传感器和执行机构
l 确定楼宇监控的系统网络及中心站设备的选择
l 实施布线
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BAS设计方法流程图
设计任务开始
了解业主需求和未来物业管理方式
了解机电专业控制需求
确定控制范围和内容
与机电专业探讨控制方案
研究建筑功能
确定控制范围和内容
与机电专业探讨控制方案
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BAS设计方法流程图
确定BAS控制水平和方式
根据系统集成要求确定BAS网络结构
节能与经济分析
和土建专业结合确定：控制室位置、面积、竖井的数量和位置及面积、布线方式、标高
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BAS设计方法流程图
画出大楼BAS系统网络图
配合电气专业完成配电设备二次回路的设计
仪表量程计算、选择
调节阀计算
确定BAS现场设备的规格尺寸及安装方式
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BAS设计方法流程图
画出各子系统控制系统图
画出各层管线敷设平面图
开列BAS设备、材料表
写出设计施工要点说明
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BAS设计方法流程图
各专业图纸会签
设计任务完成
施工图交底及施工配合
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l 3、现场控制器DDC的设置原则及布线方式
l DDC的设置，应主要考虑系统管理方式，安装调试维护方便和经济性，一般按机电系统的平面布置进行划分，如布置在：冷冻站、热交换站、空调机房、新风机房等控制参数较为集中之处，也可根据要求布置在弱电竖井中，箱体一般挂墙明装；
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l 每台DDC的输入输出接口数量与种类应与所控制的设备要求相适应，并留有10%-15%的余量；
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l 4、BAS中央控制室要求
l BAS中控室的位置，应尽量靠近控制负荷中心，注意远离变配电室等电磁干扰源，并注意防潮、防震。BAS中控室可与消防中心，保安监控中心等合并组成楼宇控制中心，此时位置应满足消防中心的要求
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l BAS中央控制室室内设备布置时应满足以下要求：a、控制台前应留大于3m的操作距离，控制台离墙布置时台后应留有大于1m的检修距离，并注意避免阳光直射 b、当控制台横向排列总长度大于7m时应在两端各留有足够的安装和观察面积 c、当BAS系统单独设置不间断电源，并采用集中供电方式时，应考虑放置电源设备的面积和位置 d、应适当考虑工作人员值班，维修及休息所需的面积
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l BAS中央控制室其它要求：
l a、控制室内宜采用抗静电活动地板 b、当控制室内长度大于7m时，宜设两个外开门的出口，门宽不小于1m c、控制室内土建及装修等要求参见有关计算机房设计标准
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l 5、BAS系统的电源要求
l a、应由变配电所引出专用回路向中央控制室供电，供电回路应采用保安电源供电 ； b、中央操作站供电应设不间断电源（UPS）装置，其容量应包括系统内用电设备的总和并考虑预计的扩展容量，UPS供电时间不低于20分钟；
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l c、DDC的电源宜采用中央控制室集中供电方式，以放射式供给各DDC，如采用就地供电方式，可 由就近的保安电源供给；
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l 6、BAS系统的接地要求
l 一般采用建筑物总体接地方式，要求总体接地电阻不大于1W，如BAS系统单独设置接地极，应采用一点接地方式，要求接地电阻不大于4W，并与建筑物防雷接地系统接地极间距离不小于20m
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l BAS系统设计中采用的仪表量程选择、调节阀计算方法等，见有关自控设计手册；现场仪表安装方法参见有关自动化仪表标准安装图册及设备生产厂家的安装使用说明书。
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八、空调DDC系统的监控设计
(一) 空调DDC系统的定义及组成
DDC系统是BAS的技术形式。DDC是英文DIRECT DIGITAL CONTROL的缩写，译为“直接数字控制”。
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空调DDC系统，即利用计算机控制技术，将空调系统中各种信号（温度、压力、流量、状态等），通过输入装置输入计算机，经相应程序运算处理，将处理后的信号经输出装置输出，进而控制相应的执行机构。如图所示。
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图 1
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(二) DDC系统信号种类
信号按其输出输入能否直接被微机或执行器接受分为数字量输入（DI）、数字量输出（DO）、模拟量输入（AI）和模拟量输出 （AO）四种信号。
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模拟量信号所对应的是一定量的电压或电流值，它与传感器输出信号的特性有关。
空调自控系统中常见的模拟量输入信号：温度、湿度、压力流量、压差等；模拟量输出信号：需控制的电动风阀及电动水阀。
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数字量输入信号包括：风机、水泵、冷却塔风扇、电机的运行状态、过滤器淤塞状态报警、压差开关、液位开关、开关信号，防冻保护等。
数字量输出信号包括：电磁阀的控制、二位电动水阀的控制、水泵、风机、冷却塔等设备的启停控制。
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(三) 空调DDC监控系统的主要功能
空调DDC系统能实现楼宇中空调系统各种控制功能，同时具备各种管理功能。
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（1）能量控制及管理功能。即根据建筑物实际冷、热负荷，对空调系统中的风系统和水系统进行控制，自动控制冷热设备运行状态及运行参数，使整个空调系统达到最佳节能状态。
（2）对空调系统及其冷、热源系统的相关参数进行调节控制及监测，对空调设备运行进行监测。
（3）空调设备如冷水机组、泵、风机等在规定时间的启停控制，以达到节能目的。
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（4）自动累积空调设备的运行时间，维修期限报警，以便更换或维修相关设备，延长设备使用寿命，提高设备的运行质量。
（5）根据空调设备运行时间，自动切换工作及备用设备，保持设备良好的工作状态。
（6）对空调系统的能量消耗进行计量，记费。
（7）各种物业管理文本的自动生成、打印及查询。
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(四) 空调DDC系统的组成
1）时钟：用来对各种输入、输出数据，各种运算时间进行调整及控制。
2）程序存储器：存储各种应用程序，即用户为控制各种空调系统所编制的控制程序。
3）工作存储器：用来进行读写，随机存取和临时存取数据。
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4）多路输入、输出控制器：多路输入控制器可将输入信号送入A/D转换器中，将模拟量转换成数字量，输入微处理器进行运算。运算结果输入D/A转换器，再经输出控制器至变送器及执行机构。
5）DDC控制系统的相关软件：包括操作软件及应用软件。
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图 2
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五）空调DDC控制举例
空调DDC控制含空调风系统控制及空调水系统控制，下面分别举例加以说明。
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5.1空调风系统：（以新风机组控制为例）
新风机组是空气——水系统空调形式的主要设备之一，其控制状况的好坏直接影响到整个空调系统的工作质量，新风机组一般由新风段、过滤段、盘管段（复合盘管对应二管制，四管制为表冷器和加热器）、加湿段、送风机段及相应的检修段组成，有的还配有能量回收装置，控制说明如图所示。
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1）对新风机组进行启停控制。
2）新风机组风机启动后，新风阀联锁开启。
3）根据温度T1控制冷、热盘管电动阀MD1的开关。冬/夏工作转换后，冬季根据湿度H控制加湿器电磁MD2的开、关。
4）温度T1低至防冻报警温度时，自动切断风机电源。联锁关闭新风阀VD，全开电动水阀MD1，并发出报警信号。
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5）过滤器积尘达到一定程度后，压差开关发出淤塞报警信号。
6）停机时，新风阀VD联锁关闭，电动阀MD1全关，关闭电磁阀MD2。
7）监测送风机运行状态。
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5．2 空调水系统
此系统为一级泵变流量系统，空调末端装置接管为两管制，冷水机组与冷水泵、冷却水泵、冷却塔为一对一方式运行。冷水泵、冷却水泵均设三台，为两用一备，可根据冷水机组及冷却塔工况切换运行。
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1）系统启动顺序：
冷却塔风扇启动，开冷却塔水阀MD1，启动冷却水泵，延时30s后开冷水阀MD2，启动冷水泵，延时30s，启动冷水机组。系统关断方式取相反顺序。
2）根据水流开关FS信号，启动冷水机组。
3）以冷水流量F1及供、回水温度T1、T2之差的乘积计算冷负荷，对冷水机组进行台数控制，在只开一台情况下，对该机组进行变频控制。
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4）根据P1、P2之差（系统供、回水压差），调节电动阀MD的开度。根据空调未端设备负荷情况，调整旁通量，使冷水机组维持定流量运行。
5）对所有设备，包括冷水机组、冷却水泵、冷水泵、电动阀等进行开关控制，并应与冷水机组随机控制柜相联，并将信号传至主控室。
6）制冷剂泄露报警，并与系统机组及机房事故排风设备联动。
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7）监测冷水机组、冷水泵、冷却水泵、冷却塔
的运行状态、故障显示及报警，记录运行时间。
8）监控电动调节阀MD。 MD1及MD2的开关状态。
9）对所有温度、压力、流量等参数进行监测、记录，可打印成表。
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以上仅对空调DDC系统进行了简单的阐述。
实际工程设计中，空调DDC控制设计是空调专业
提出技术要求，由电气、自控专业实现完成的，
搞好空调DDC控制更需要专业间密切配合及相
互了解。
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