智能建筑楼宇自控系统的分析与研究

智能建筑楼宇自控系统的分析与研究

曾斌

北京江森自控有限公司广州分公司518000

摘要：智能建筑楼宇自控系统是建立在智能建筑自控网络之上、并将智能建筑内各个独立的楼宇自控子系统进行系统集成而形成的综合监控和管理系统。为高效地实现监控管理功能，就必须对智能建筑楼宇自控系统的集成模式进行总结和分析，探索具有综合监控和管理功能的智能建筑系统集成模式。智能建筑的核心是系统集成。所谓“系统集成”，就是将各子系统功能进行科学配置、综合优化，形成更强大的系统功能，从而满足用户的要求，体现出智能建筑的意义。性能优良的集成系统可以最优地发挥建筑设备的功能并最大限度地降低建筑生命周期成本。

本文根据长沙湘雅医院项目楼宇自控系统来进行分析探究，深入探讨智能建筑楼宇自控系统的集成模式及发展趋势。

关键词：智能建筑；系统架构；信息标准化

一、楼宇自控系统

1.1项目楼宇自控系统说明

项目楼宇自控系统为一套具备分散控制集中管理特点的楼宇自动化控制系统（BAS）。各单体的网络控制器接入设备网，各楼层的DDC控制器通过网络控制器与服务器连接而形成快速以太网。整个楼宇自控系统对大楼内的众多机电设备进行自动化控制和管理。将空调机组、新风机组、排风机和冷热水、直饮水、医疗气体等系统最不利点监测等纳入到BAS管理，并预留对变配电系统、电梯系统、洁净空调、锅炉系统、污水处理系统、远程抄表系统、医疗气体系统的通讯接口。

楼宇自控中央管理工作站设置在1915年负一层消防监控中心内，利用工作站上的全中文图形化界面对大楼内楼宇自控系统监控的机电设备进行灵活的管理。本次共设计控制点位397点，其中DO：72点、AO：27点、DI：200点、AI：98点，并对DDC控制器及其扩展模块上的输入输出点数量，考虑了不少于10%的备用量。

采用集散型网络结构实现BAS的实时集中监控管理功能。实现分站与中央站之间的数据通信，底层控制网络的通信不依赖于上层控制网络，单点故障不影响整个系统的工作。

采用灵活的模块化，基于现场总线技术的控制器，对于不同楼层的现场设备分布，配置相应的输入/输出模块，保证系统良好的集散性和今后的扩展性。

通过楼宇自控系统对机电设备的高效，自动化管理可以起到降低运行能耗，减少运维工作人员投入等作用。

强电专业需要在BA系统被控设备的电控箱内设置BAS控制的接线端子并提供电控箱控制原理图，方便BAS系统布线。

控制器箱底边尽量与低压配电箱底边平齐、并排安装，同时安装位置以不影响装修美观和消防安全的位置为佳，箱门开门自由。

各类传感器位置如果与现场的安装位置有冲突，可以适当调整，但不能违背基本原则和规范的要求。控制箱和接线箱采用膨胀螺栓固定在墙上。

二、系统配置及技术需求

2.1本系统的BAS主工作站设在控制中心，设立1个BAS工作站，网络控制器放置在控制中心，对全区域的设备进行监视和控制。系统以网络控制器方式接入以太网，建立基于网络的集中管理平台。

网络控制器和DDC直接数字控制器（也叫现场控制器）采用集中供电方式，电源从区域弱电主机房室引出通过弱电管井分配给各楼层用电设备，DDC直接数字控制器的电源管线随控制线同路由敷设，设备供电回路电压为220VAC，对于电源电压为24VAC的设备则通过变压器变压后供电。

本系统在完成相关设备自动监控的同时，还应能满足机电设备本身所固有的控制工艺要求。

本系统应具有完善的用户管理功能。通过对用户操作权限的设置可灵活地控制用户操作的对象以及操作的内容。所有的用户登录信息及发生的操作都应自动被记录在日志文件中，日志文件不能被随意修改。

相关监控设备必须设置手动/自动转换开关，在手动状态下，系统只能监视其工作状态、设定运行参数、不能进行设备启/停的控制，并在操作站上显示设备的运行状态和手动/自动状态及故障报警显示。

本系统应采用面向对象图形化编程工具或高级编程语言来编制符合实际要求的应用程序。

本系统中每台设备的报警，均要有告警和极限报警两种形式，报警信息可被设置发送到指定工做站。告警时，无论操作者在浏览任何画面，都应能在相应工作站的监视器上显示出来，并以图形或表格的形式显示该设备的工作参数。全部报警信息均记录在数据库中，并可按权限查询或打印。

2.2本系统应提供实时帮助功能。

应用软件应支持具有操作权限的使用者通过浏览器方式对系统进行浏览和操作，要求采用B/S网络架构；系统应遵循各种工业标准，并采用开放式的系统结构。

系统管理软件应采用通用、稳定、可靠的操作系统及数据库软件；图形显示组态软件应支持整个系统的硬件设备，具备中文界面，并易于组态编程操作；应用软件应针对具体项目由组态软件生成，包括系统诊断功能软件、操作演练功能软件、故障诊断、系统调试与维护软件，其功能应能满足整个系统的自动检测、控制和管理要求，且为用户留有后续维护管理的手段。

系统管理软件应支持整个系统的集中管理和监控功能。不同类型分站应根据各自控制功能的需要，设置相应权限的用户帐号来完成管理的功能，分站要求不需要通过安装客户端软件，直接通过IE等WEB浏览器即可访问系统。系统的服务器用微软Windows2003或者WindowsXP及以上操作系统；系统支持SQL数据库；支持至少5用户同时访问系统并且用户不需要安装客户端软件；支持EMALI、电话传呼、自动打印、SNMP等方式管理报警信息、趋势分析功能。

2.3本系统采用集散式分布智能控制网络结构，真正实现集中管理、分散控制。

本系统采用控制层和管理层两层网络结构，采用中央操作站、系统管理软件（含系统图形软件）、网络控制器、DDC直接数字控制器、末端设备（各类传感器、变送器及执行器）等三层设备结构；其中系统管理软件和网络控制器在管理层进行通讯，网络控制器和DDC直接数字控制器之间在控制层通讯。

网络控制器通过TCP/IP以太网相连，控制层中所有DDC直接数字控制器通过控制层网络以点对点方式的BACnetMS/TP协议通信。控制层网络通信速率不低于76.8kbit/s，传输距离不小于1200米，当DDC直接数字控制器故障时，能自动旁路脱开网络，并在中央操作站上及时进行报警并显示，不影响整个网络的正常工作，故障排除后能自动投入运行。

考虑到网络控制器区域管理的需要，不允许网络控制器下面直接连接不带CPU处理器的扩展模块，必须连接带有CPU处理器及PID算法功能的DDC直接数字控制器。

考虑系统稳定性的需要，每个DDC控制器下面连接不带CPU处理器的扩展模块数量不得超过5个。

考虑系统稳定性的需要，每个DDC控制器所带得监控点数不得超过128个。

数据库服务器、中央工作站、分控操作站应具有数据同步跟踪的能力，并采用同一套软件进行管理。

系统必须是具有开放性、可扩充性、标准化，支持包括BACnet、LonTalk、TCP/IP、Modbus、OPC、ODBC、XML、CORBA、SQL等标准通信协议和规范。

本系统响应时间：中央操作站显示屏数据刷新时间小于或等于3秒，中央操作站发出控制指令至被控设备动作时间小于或等于2秒。

三、智能建筑系统集成存在的问题

根据当前智能建筑发展的基本情况，将建筑智能化系统目前存在的一些问题归纳为：

（1）开放的、私有的协议众多除了BACnet、LonWorks等开放的协议之外，各厂商为了保护自己的知识产权及与用户之间的垄断关系，开发了自己的私有协议。纷繁芜杂的协议对系统集成提出了很高的要求；

（2）封闭的系统架构包括20~30个多行业、多专业子系统杂乱的系统架构，暴露了行业垄断、专业分割以及不合理/过时管理制度的影响，这些因素加大了智能建筑系统集成的难度；

（3）缺乏统一的认识对于智能建筑设计与施工，存在多、杂、重复的导则和标准，让从业人员无所适从，这样不但没有因为导则和标准的增多起到规范行业的作用，反而降低了权威性。

四、系统架构

4.1一种典型的系统架构

通常情况下，绝大多数设备提供商都会宣称其系统为开放式系统，而这些系统事实上并不是真正意义上开放的。图1给出了现阶段在建筑设备自动控制和过程控制中应用最为广泛的系统的架构之一。从图中可以看出，每个控制终端都与一个专有控制器相连，而多个专有控制器又通过工作站/服务器相连。问题的关键在于传感器和执行器被放在一个“黑匣子”里，而不是将之分散成真正意义上的现场设备。虽然这种系统架构可以被各大开放协议和私有协议应用，也可以一定程度上解决产品兼容性问题，但是这仅仅只是从专有系统迈出了一小步，离真正意义上的开放性还很遥远。

图1，一种典型的系统架构

4.2一种全分散式系统架构

通过分析，构造低成本高性能的智能建筑自动控制系统的方法可以通过建立高度分散式的点对点系统实现。图2显示了这种方法的构造思想。

图2，一种全分散式系统架构

4.3一种基于以太网传输的系统架构

随着数字建筑、数字城市、数字地球的呼声日渐高涨，对于智能建筑设备自动控制系统集成已经不再满足于小范围内的集成。TCP/IP网络已经覆盖了整个地球，这是一种为适应远距离通信的网络，智能建筑控制网络只有利用其广泛的覆盖面积，才能真正融入到数字地球的建设之中。如图3所示。

图3，一种基于以太网传输的系统架构

通过分析比较图1、图2和图3，不难发现，在本质上它们都属于集散控制系统，之所以现在图3架构被广泛使用，是因为这种加了路由器的架构将大型网络划分为很多小的局域网，任何满足TCP/IP协议的数据包都可以在上面传输，至于是否能够被现场设备解析，这就取决于设备厂商对其支持与否。至少从集成的角度考虑，这种架构给控制网络与信息网络之间的互联提供了便利。

五、集成技术前景分析

历史不断地向前迈进，这也要求各种技术都必须向前发展。尤其是计算机技术与信息技术的进步要求我们必须深入思考智能建筑自动控制系统集成技术的发展方向。纵观集成技术的发展历程，总结过去，也许会有新的发现。

由于智能建筑自动控制系统的发展与计算机技术与信息技术息息相关，可以将它们进行对比分析。从图4可以看出，尽管自控网络在实时性和互操作功能上与数据网络有所不同，但是自控网络的发展与数据网络的发展是大致相似的。进入二十一世纪以后，Internet和无线通讯成为当前的主流，尤其是信息领域中的移动通信和全球定位系统更是令人痴狂。同样，在智能建筑自动控制领域即将掀起一场无线革命，这是发展的趋势，也是历史的必然。

图4数据网络与建筑设备自控网络发展过程对比图

由于无线技术具有众多有线所没有的优点，特别是在组网方面，其方便、快捷的特性深受人们的青睐。既然如此，克服有线控制网络在智能建筑设备自动化工程实施过程中繁琐的配点调试过程将得到极大的简化，开发一种即插即用的控制网络系统架构和利用控制设备自动组网将成为建筑设备集成自控领域的一个发展要求。到那时，自控网络实施过程只需要在保证设备正确安装、设备地址正确设置的情况下，利用自控网络集成系统的配置功能即可快速地实现。

结束语

如果说二十世纪孕育了计算机技术，那么二十一世纪将会为集成技术的营造良好的发展空间。当计算机技术与信息技术发展到一定程度之后，加强各孤立系统之间的联系将成为今后发展的趋势。正如人类进化的历史一样，原始社会各个部落之间、种族之间都是互不联系，等到各自实力都发展到足够强大之后，贸易开始了，战争爆发了等等，这都是必须加强联系的外在表现。因此，集成技术将会渗透到各行各业中，尤其是迫切需要信息沟通、资源共享的系统之间。

智能建筑领域正是上面提到的迫切需要开放信息的领域，系统集成是智能建筑领域的核心。通过对各个子系统的集成，可以获得比所有子系统全部功能简单叠加更多、更强大的功能，这种情况下“1+1>2”的优势得以充分体现。集成后的系统能够简化建筑物的管理和维护、提高系统整体运作能力，进而达到节约能源、降低成本的目的。总结起来，通过系统集成可以额外获得的功能大体有以下方面：加强各系统之间的联动控制、信息的共享、提高决策支持系统效率、降低建筑生命周期成本（LifeCycleCosts）。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部主编.智能建筑设计标准.中国计划出版社.2016.8

[2]傅海军.建筑设备自动化.中国建筑工业出版社.2016.06

[3]程大章.建筑设备自动化系统集成概述.智能建筑与城市信息.2015.07

[4]董春桥.智能建筑进入Web时代.华中科技大学学报（城市科学版）.2015.11

[5]苏斌.现代智能建筑技术.中国建筑工业出版社2014.10