樓宇自動化系統分析論文

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摘要：本文詳細介紹了樓宇自動化系統的組成、基本功能、原理、核心的軟硬件技術、發展歷史，并對相關產品做了簡要介紹，使讀者對該系統有一個全面的認識，也為相關專業設計人員的方案設計提供了理論上的參考依據。

關鍵詞：樓宇自動化系統基本功能原理核心軟硬件技術

1引言

樓宇自動化系統也叫建筑設備自動化系統(BuildingAutomationSystem簡稱BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任務是對建筑物內的能源使用、環境、交通及安全設施進行監測、控制等，以提供一個既安全可靠，又節約能源，而且舒適宜人的工作或居住環境。

2樓宇自動化系統的組成與基本功能

建筑設備自動化系統通常包括暖通空調、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統。根據我國行業標準，BAS又可分為設備運行管理與監控子系統和消防與安全防范子系統，如圖所示。一般情況下，這兩個子系統宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統獨立設置，也應與BAS監控中心建立通信聯系以便災情發生時，能夠按照約定實現操作權轉移，進行一體化的協調控制。

建筑設備自動化系統的基本功能可以歸納如下：

(1)自動監視并控制各種機電設備的起、停，顯示或打印當前運轉狀態。

(2)自動檢測、顯示、打印各種機電設備的運行參數及其變化趨勢或歷史數據。

(3)根據外界條件、環境因素、負載變化情況自動調節各種設備，使之始終運行于最佳狀態。

(4)監測并及時處理各種意外、突發事件。

(5)實現對大樓內各種機電設備的統一管理、協調控制。

(6)能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現能源管理自動化。

(7)設備管理：包括設備檔案、設備運行報表和設備維修管理等。

3樓宇自動化控制系統的原理

樓控系統采用的是基于現代控制理論的集散型計算機控制系統，也稱分布式控制系統(Distributedcontrolsystems簡稱DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現場被控設備處的微型計算機控制裝置(DDC)完成被控設備的實時檢測和控制任務，克服了計算機集中控制帶來的危險性高度集中的不足和常規儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計算機具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強的數字通信功能，能完成集中操作、顯示、報警、打印與優化控制等任務，避免了常規儀表控制分散后人機聯系困難、無法統一管理的缺點，保證設備在最佳狀態下運行。

以下介紹與分布控制系統相關的幾個概念。

3.l直接數字控制系統(DDC)

直接數字控制系統(DirectDigitalControl簡稱DDC)如圖2所示。計算機通過模擬量輸入通道(AI)和開關量輸入通道(DI)采集實時數據，然后按照一定的規律進行計算，最后發出控制信號，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關量輸出通道(DO)直接控制生產過程。因此DDC系統是一個閉環控制系統，是計算機在工業生產過程中最普遍的一種應用方式。

DDC系統中的計算機直接承擔控制任務，因而要求實時性好、可靠性高和適應性強。

3．1．1直接數字控制系統的組成

直接數字控制系統主要由過程輸入通道、過程控制計算機、過程輸出通道三部分組成。

過程輸入通道由模擬量輸入和數字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開關、放大器、A／D轉換器和接口電路組成。其中變送器的作用是將非電量信號變換成標準電信號，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號，它是通過A／D轉換器來實現的?！獢底至枯斎胪ǖ烙砷_關觸點、光電耦合器和接口電路組成，反映生產過程的通／斷狀態的觸點信號，經過光電耦合器和接口電路變換成數字信號送給計算機。

過程控制計算機直接承擔運算和控制任務，首先通過過程輸入通道采集被控對象的各種參數信號，再根據預定的控制規律(如PID)進行運算，然后向被控對象發出控制信號，再通過輸出通道直接控制調節閥等執行機構。

過程輸出通道由模擬量輸出和數字量輸出兩部分組成。前者把計算機輸出的數字控制信號轉換成模擬電壓或電流信號，再經過放大器去驅動調節閥等執行器實現對生產過程的控制。這一部分由接口電路、D／A轉換器，放大器和執行器組成。后者把計算機輸出的開關信號，經放大器去驅動電磁閥和繼電器執行器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執行器組成。

3．1．2直接數字控制系統的基本算法

按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制，是連續系統中技術成熟、應用最為廣泛的一種基本規律，將PID控制規律離散化并在計算機上實現，可以方便地利用已積累的成熟技術，而且可以在被控對象的數學模型或參數不很清楚的情況下，經過在線整定達到滿意的效果。因此，將模擬調節規律離散化的數字PID算法，已被工業過程計算機控制系統普遍采用，成為DDC系統的基本算法。

數字PID控制算法，模擬量調節器的理想PID算式為

式中e(t)——偏差(設定值與實際輸出值之差)

u(t)——控制量

Kp——比例放大系數

Ti一積分時間常數

Td——微分時間常數

寫成傳遞函數形式

為了能在計算機上實現，必須將連續形式的微分方程化為離散形式的差分方程。設了為采樣周期(與系統時間常數相比，T足夠小)，k為采樣序號(k=0，1，2，……)，可用矩形法計算而積以差分代替微分

式中e(k)——第k次采樣所得偏差值

e(k-1)——第(k-1)次采樣所得偏差值

u(k)——第k時刻的控制量

上式中的采樣周期T越小(與系統時間常數比較而言)，則被控過程與連續控制過程越接近，又稱為“準連續控制”。

3．2分布式控制系統的體系結構

分布式控制系統(DistributedControlSystems簡稱DCS)20世紀于70年代中期出現并迅速發展起來，它將計算機技術、控制技術、圖形顯示技術和通信技術匯集于一體，可對分散在現場的設備進行控制，又可方便地集中管理、操作，與以往的控制系統相比，既避免了單臺計算機集中控制的不足，又克服了常規儀表人機交互困難的缺點。

分布式控制系統的多臺微型計算機取代了集中控制系統的單臺計算機，從體系結構上分散了危險性，提高了可靠性。其基本結構功能如圖3所示，圖中現場控制站、數據采集站、工程師站、操作員站、監控計算機和管理計算機通過數據通信網絡被有機地結合起來，組成分級分布控制系統。

3．2．1分布式控制系統的數據通信網絡

數據通信網絡是分布式控制系統的支柱。整個分布式控制系統的結構，實質上是一個網絡結構，現場控制站、數據采集站、工程師站、操作員站、監控計算機等都是這個網絡上的“節點”，都含有CPU和網絡接口，它們都有自己特定的網絡地址(節點號)，可以通過網絡發送和接收數據，網絡中的各節點處于平等地位，既能共享資源，又不相互依賴，形成既有統一指揮，又使危險分散的功能結構，網絡的架構區具有極大的伸縮性，可擴性很強，可以滿足分布式控制系統擴充與升級的需要，十分靈活、方便。

(1)控制網絡特點分布式控制系統的通信網絡不同于通用計算機網絡，與一般的通信網絡比較，它有如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求傳遞的信息絕對準確、可靠，為此常采用冗余技術、后備措施和自診斷功能。如：控制站采用雙CPU板，雙I／0板等。②具有良好的實時性。③對環境適應性強。

(2)網絡拓撲結構建筑設備自動化系統常用的有總線網和環網，在兩種結構中任意兩節點通信可直接通過網絡進行，各節點處于平等地位。

(3)網絡通信協議組成建筑設備自動化系統，必須有一種大家都能接受并且共同遵守的工作語言來實現相互之間的對話，這就是數據通信協議標準。

用于建筑自動化控制網絡的BACnet協議由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層組成，或相當于開放系統互聯參考模型(OSI)的第一、二、三、七層協議

其中：ARCnet為令牌總線網，數據傳輸速率為2．5-20bit／s，有良好的實時性。MS／TP是一種主／從令牌傳遞數據鏈路層技術，允許使用EIA-485硬件。BACnet實現了不同生產廠家自控系統之間進行通信的技術，即從一個“島”到另一個“島”之間進行相互聯系的技術。

3．2．2現場總線技術的應用——分布式控制系統的進一步分散化

(1)現場總線概況現場總線(Fieldbus)是連接智能現場設備和自動化系統的數字式雙向傳輸、多分支結構的通信網絡。不同的現場總線遵循的協議不同，接口標準不同，各具特色。現場總線技術具有如下一些特點：①以數字信號取代4-20mA的模擬信號，極大地提高了信號轉換的精度和可靠性，因此現場總線具有很高的性能價格比。②現場總線把處于設備現場的智能儀表(智能傳感器、智能執行器)連成網絡，使控制、報警、趨勢分析等功能分散到現場儀表，使控制結構進一步分散化，導致控制系統體系結構的變化。③符合同一現場總線標準的不同廠家的儀表、裝置可以聯網，實現互操作，不同標準通過網關或路由器也可互聯，現場總線控制系統是一個開放式系統。

(2)LonWorks技術

LonWorks是一種完全分布式控制的局部操作網(LocalOperatingNetwork—LON)技術。LonWorks網絡節點由神經元芯片、收發器、固件和I／O接口電路組成。神經元芯片(Neuronchip)是這種智能節點的核心，它由媒體訪問控制處理器、網絡處理器和應用處理器組成，這就使得節點既能管理網絡通信，又具有控制功能。Neuron芯片方塊圖。

芯片附有固件，該固件實現LonTalk通信協議和所有的任務調度。LonTalk協議遵循世界標準組織ISO提出的開放式互聯參考模型OSI，具有完整的7層協議，管理網絡節點的通信，分配節點地址，運行內含的沖突／檢測回避算法，控制物理／電氣的連接等。

Neuron芯片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪問控制處理器和網絡處理器，LonTalk協議固化在芯片的ROM中，使得LonWorks的微型節點無需中心結構的完全分布式控制模式，將控制功能分散到了現場級儀表。

LonWorks網絡，可以采用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、光纜、無線電、紅外線，并且提供與上述多種媒體相適應的收發器，這使得同一網絡中的信號可以在不同的媒體之間傳輸，因而可以根據需要組網，不同媒體之間以路由器進行連接。

LonMark是為了避免眾多制造商以不同的含義來解釋LonWorks技術，保證不同的產品能夠方便地集成一起，以便構成一個真正開放的系統，而制定的一個行業標準。

(3)分布式控制系統的進一步分散化

傳統的分布式控制系統在現場控制站這一級依然是一個集中式結構，而現在的分布式控制系統是在原有分布式控制系統的基礎上，采用LonWorks現場總線的建筑設備自動化系統發展起來的新系統,標準LAN為原有的分布式控制系統，使用BACnet協議，以利于實現多種供應商的不同類型的子系統之間的通信信息交換，把具有控制功能的各個島連成一個整體。新增的LonWorks現場總線使用LonTalk協議，把控制功能進一步分散到現場級儀表，標準LAN與現場總線之間的路由器相聯。這樣BACnet和LonMark兩項標準互相補充，互為依托，構成一個完全分散的、真正開放的建筑設備自動化系統。

4樓宇自動化系統設備的發展歷史及相關產品簡介

樓宇設備自動化系統到目前為止已經歷了四代產品：

第一代：CCMS中央監控系統(20世紀70年代產品)

BAS從儀表系統發展成計算機系統，采用計算機鍵盤和CRT構成中央站，打印機代替了記錄儀表，散設于建筑物各處的信息采集站DGP(連接著傳感器和執行器等設備)通過總線與中央站連接在一起組成中央監控型自動化系統。DGP分站的功能只是上傳現場設備信息，下達中央站的控制命令。一臺中央計算機操縱著整個系統的工作。中央站采集各分站信息，作出決策，完成全部設備的控制，中央站根據采集的信息和能量計測數據完成節能控制和調節。

第二代：DCS集散控制系統(20世紀80年代產品)

隨著微處理機技術的發展和成本降低，DGP分站安裝了CPU，發展成直接數字控制器DDC。配有微處理機芯片的DDC分站，可以獨立完成所有控制工作，具有完善的控制、顯示功能，進行節能管理，可以連接打印機、安裝人機接口等。BAS由4級組成，分別是現場、分站、中央站、管理系統。集散系統的主要特點是只有中央站和分站兩類接點，中央站完成監視，分站完成控制，分站完全自治，與中央站無關，保證了系統的可靠性。

第三代：開放式集散系統(20世紀90年代產品)

隨著現場總線技術的發展，DDC分站連接傳感器、執行器的輸人輸出模塊，應用LON現場總線，從分內部走向設備現場，形成分布式輸入輸出現場網絡層，從而使系統的配置更加靈活，由于LonWorks技術的開放性，也使分站具有了一定程度的開放規模。BAS控制網絡就形成了3層結構，分別是管理層(中央站)、自動化層(DDC分站)和現場網絡層(LON)。

第四代：網絡集成系統(21世紀產品)

隨著企業網Intranet建立，建筑設備自動化系統必然采用Web技術，并力求在企業網中占據重要位置，BAS中央站嵌入Web服務器，融合Web功能，以網頁形式為工作模式，使BAS與Intranet成為一體系統。

網絡集成系統(EDI)是采用Web技術的建筑設備自動化系統，它有一組包含保安系統、機電設備系統和防火系統的管理軟件。

EBI系統從不同層次的需要出發提供各種完善的開放技術，實現各個層次的集成，從現場層、自動化層到管理層。EBI系統完成了管理系統和控制系統的一體化。網絡集成系統結構圖如圖7所示。

目前，規模和影響較大的樓宇設備供應公司有美國霍尼維爾公司、江森公司、KMC公司、德國西門子公司等。

5結束語

樓宇自動化控制技術在我國還是一個新興的技術領域，隨著更多智能建筑的出現，將有更加先進的技術補充到這一領域中，使這一技術更加成熟、完善。