1、 智能樓宇自動化系統(tǒng)引言樓宇自動化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)(BuildingAutomationSystem簡稱BAS),是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進行監(jiān)測、控制等，以提供一個既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。2樓宇自動化系統(tǒng)的組成與基本功能建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(tǒng)。根據(jù)我國行業(yè)標準，BAS又可分為設(shè)備運行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)，如圖所示。一般情況下，這兩個子系統(tǒng)宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨立設(shè)置，也應與BAS監(jiān)控中心建立通

2、信聯(lián)系以便災情發(fā)生時，能夠按照約定實現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進行一體化的協(xié)調(diào)控制。建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：自動監(jiān)視并控制各種機電設(shè)備的起、停，顯示或打印當前運轉(zhuǎn)狀態(tài)。自動檢測、顯示、打印各種機電設(shè)備的運行參數(shù)及其變化趨勢或歷史數(shù)據(jù)。(3)根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負載變化情況自動調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運行于最佳狀態(tài)。監(jiān)測并及時處理各種意外、突發(fā)事件。實現(xiàn)對大樓內(nèi)各種機電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現(xiàn)能源管理自動化。設(shè)備管理：包括設(shè)備檔案、設(shè)備運行報表和設(shè)備維修管理等。3樓宇自動化控制系統(tǒng)的原理樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計算機控制系統(tǒng)，也稱分

3、布式控制系統(tǒng)(Distributedcontrolsystems簡稱DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場被控設(shè)備處的微型計算機控制裝置(DDC)完成被控設(shè)備的實時檢測和控制任務(wù)，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(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的業(yè)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(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報警、打印與優(yōu)化控制等任務(wù)，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機聯(lián)系困難、無法統(tǒng)一管理的缺點，保證設(shè)備在最佳狀態(tài)下運行。以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關(guān)的幾個概念。3.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)直接數(shù)字控制系統(tǒng)(Direc

4、tDigitalControl簡稱DDC)如圖2所示。計算機通過模擬量輸入通道(AI)和開關(guān)量輸入通道(DI)采集實時數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關(guān)量輸出通道(DO)直接控制生產(chǎn)過程。因此DDC系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。DDC系統(tǒng)中的計算機直接承擔控制任務(wù)，因而要求實時性好、可靠性高和適應性強。311直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成直接數(shù)字控制系統(tǒng)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(shù)字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開關(guān)、放大器、A/D轉(zhuǎn)換

5、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(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。一數(shù)字量輸入通道由開關(guān)觸點、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過程的通/斷狀態(tài)的觸點信號，經(jīng)過光電耦合器和接口電路變換成數(shù)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(wù)，首先通過過程輸入通道采集被控對象的各種參數(shù)信號，再根據(jù)預定的控制規(guī)律(如PID)進行運算，然后向被控對象發(fā)出控制信號，再通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)。過程輸出通道由模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。前者把計算機輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號

6、，再經(jīng)過放大器去驅(qū)動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。這一部分由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。后者把計算機輸出的開關(guān)信號，經(jīng)放大器去驅(qū)動電磁閥和繼電器執(zhí)行器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。312直接數(shù)字控制系統(tǒng)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(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應用最為廣泛的一種基本規(guī)律，將PID控制規(guī)律離散化并在計算機上實現(xiàn)，可以方便地利用已積累的成熟技術(shù)，而且可以在被控對象的數(shù)學模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過在線整定達到滿意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的數(shù)字PID算法，已被工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)普遍采用，成為DDC系

7、統(tǒng)的基本算法。數(shù)字PID控制算法，模擬量調(diào)節(jié)器的理想PID算式為式中e(t)偏差(設(shè)定值與實際輸出值之差)u(t)控制量Kp比例放大系數(shù)Ti一積分時間常數(shù)Td微分時間常數(shù)寫成傳遞函數(shù)形式為了能在計算機上實現(xiàn)，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方程。設(shè)了為采樣周期(與系統(tǒng)時間常數(shù)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(tǒng)時間常數(shù)比較而言)，則被控過程與連續(xù)控制過程越接近，又稱為“準連續(xù)控制”。32分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分

8、布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystems簡稱DCS)20世紀于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來，它將計算機技術(shù)、控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和通信技術(shù)匯集于一體，可對分散在現(xiàn)場的設(shè)備進行控制，又可方便地集中管理、操作，與以往的控制系統(tǒng)相比，既避免了單臺計算機集中控制的不足，又克服了常規(guī)儀表人機交互困難的缺點。分布式控制系統(tǒng)的多臺微型計算機取代了集中控制系統(tǒng)的單臺計算機，從體系結(jié)構(gòu)上分散了危險性，提高了可靠性。其基本結(jié)構(gòu)功能如圖3所示，圖中現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計算機和管理計算機通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)被有機地結(jié)合起來，組成分級分布控制系統(tǒng)。321分布式控制系統(tǒng)

9、的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是分布式控制系統(tǒng)的支柱。整個分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計算機等都是這個網(wǎng)絡(luò)上的“節(jié)點”，都含有CPU和網(wǎng)絡(luò)接口，它們都有自己特定的網(wǎng)絡(luò)地址(節(jié)點號)，可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點處于平等地位，既能共享資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又使危險分散的功能結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)區(qū)具有極大的伸縮性，可擴性很強，可以滿足分布式控制系統(tǒng)擴充與升級的需要，十分靈活、方便?？刂凭W(wǎng)絡(luò)特點分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)不同于通用計算機網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信網(wǎng)絡(luò)比較，它有如下特殊要求：有高可靠性和安全性，要求傳遞的信息絕

10、對準確、可靠，為此常采用冗余技術(shù)、后備措施和自診斷功能。如：控制站采用雙CPU板，雙I/O板等。具有良好的實時性。對環(huán)境適應性強。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)常用的有總線網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種結(jié)構(gòu)中任意兩節(jié)點通信可直接通過網(wǎng)絡(luò)進行，各節(jié)點處于平等地位。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議組成建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)，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(xiàn)相互之間的對話，這就是數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準。用于建筑自動化控制網(wǎng)絡(luò)的BACnet協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應用層組成,或相當于開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)的第一、二、三、七層協(xié)議其中：ARCnet為令牌總線網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5-20bit/s,有良好的實時

11、性。MS/TP是一種主/從令牌傳遞數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，允許使用EIA-485硬件。BACnet實現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠家自控系統(tǒng)之間進行通信的技術(shù)，即從一個“島”到另一個“島”之間進行相互聯(lián)系的技術(shù)。5結(jié)束語樓宇自動化控制技術(shù)在我國還是一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，隨著更多智能建筑的出現(xiàn)，將有更加先進的技術(shù)補充到這一領(lǐng)域中，使這一技術(shù)更加成熟、完善。 IntelligentBuildingTheoryofBuildingAutomationSystemAbstract:Thispaperdescribesthebuildingautomationsystemcomponents,functions,andprinc

12、iplesofsoftwareandhardwaretechnology,history,andrelatedproductsarebrieflyintroducedthereaderofthissystemhasacomprehensiveunderstandingofrelevantprofessionaldesignersfortheprogramdesignedtoprovideatheoreticalframeofreference.Keywords:buildingautomationsystem,thecoreprincipleofthebasicfunctionsofhardw

13、areandsoftwaretechnologies1IntroductiontoBuildingAutomationSystem,alsoknownasbuildingautomationsystem(BuildingAutomationSystemreferredtoasBAS),isanintegralpartofintelligentbuilding,itstaskisthebuildingsenergyuse,environmental,trafficandsafetymonitoring,control,etc.,toprovideasafeandreliable,butalsos

14、aveenergy,andcomfortableworkorlivingenvironment2.buildingautomationsystemcomponentsandbasicfunctionsofbuildingautomationsystemsoftenincludeairconditioning,watersupplyanddrainage,powersupply,lighting,elevators,firesafetyandpreventionandothersubsystems.Accordingtoourindustrystandards,BAScanbedividedin

15、toequipmentoperationmanagementandmonitoringsubsystemandfirepreventionandsafetysubsystems,asshown.Ingeneral,thesetwosubsystemstogetherintoBASconsidershould,ifthefireandsafetyprecautionsZijiTongindependentsetting,controlcentershouldbeestablishedcommunicationwiththeBAScontactYipiandisasterFasheng,canac

16、hievetheagreedoperatingQuanZhuanYiAnZhao,JinXingYiTihuacoordinationandcontro.Buildingautomationsystemsbasicfunctionscanbesummarizedasfollows:(1)automaticmonitoringandcontrolofvariouselectricalandmechanicalequipment,thestop,displayorprintthecurrentoperatingstate.(2)automaticdetection,display,printava

17、rietyofelectricalandmechanicalequipmentoperatingparametersandchangesintrendsorhistoricaldata.(3)Accordingtoexternalconditions,environmentalfactors,thechangeautomaticallyadjusttheloadofequipment,sothatisalwaysrunningintopcondition.(4)monitoringandtimelyprocessingofallaccidentemergencies(5)toachieveav

18、arietyofelectricalandmechanicalequipmentonbuildingaunifiedmanagement,coordinationandcontrol.(6)Energymanagement:water,electricity,gasmeteringandcharging,etc.,toachieveenergymanagementautomation.(7)EquipmentManagement:includingdevicefiles,equipmentoperationandequipmentmaintenancemanagementreports.3,t

19、heprincipleofbuildingautomationcontrolsystemBuildingcontrolsystemusedisbasedonmoderncontroltheory,distributedcomputercontrolsystem,alsoknownasdistributedcontrolsystem(DistributedcontrolsystemsreferredtoasDCS).Itischaracterizedbyacentralizedmanagementdecentralizedcontrol,thatischargedwithdistribution

20、ofequipmentinthefieldofficeofthemicro-computercontrol(DDC)tocompletedevicechargedwiththetaskofreal-timedetectionandcontrol,centralizedcontrolofcomputertoovercometherisksofhighlackofcentralizedcontrolandconventionalsingleinstrumentlimitations.Installedinthecentralcontrolroomofthecentralmanagementcomp

21、uterwithCRTdisplay,printoutput,extensivesoftwaremanagementandastrongdigitalcommunicationscapabilitiestocompletethecentralizedoperation,display,alarm,taskssuchasprintingandoptimalcontrol,avoidingChangguiinstrumentcontrolisdistributeddifficultiesaftertheman-machinecontact,nounifiedmanagementshortcomin

22、gs,ensurethatequipmentrunningintopform.Herearedistributedcontrolsystemswithseveralconcepts.3.ldirectdigitalcontrolsystem(DDC)directdigitalcontrolsystem(DirectDigitalControlreferredtoasDDC)showninFigure2.Computerthroughtheanaloginputchannels(AI)anddigitalinputchannels(DI)real-timedatacollection,andth

23、encalculatedaccordingtocertainrules,andfinallythecontrolsignals,andthroughtheanalogoutputchannels(AO)andtheswitchoutputchannel(DO)directcontroloftheproductionprocess.SoDDCsystemisaclosedloopcontrolsystem,acomputerintheindustrialproductionofthemostpopularwayofanapplicationDDCsystemcontrolcomputertoun

24、dertaketasks,whichrequiredreal-time,highreliabilityandadaptability.CompositionofdirectdigitalcontrolsystemDirectdigitalcontrolsystemconsistsoftheprocessinputchannel,processcontrolcomputer,theprocessofoutputchannelsofthreeparts.Processinputchannelsfromtheanaloginputanddigitalinputoftwoparts.Analoginp

25、utchannelsfromthetransmitter,thesamplingswitch,amplifier,A/Dconverterandinterfacecircuit.Oneistheroleofthetransmittersignalwillbeconvertedintothestandardnon-powerelectricalsignal，Canbetemperature,pressure,flowtransformedinto0-10mAor4-20mADCsignal,itisthroughtheA/Dconvertertoachieve.-Digitalinputchan

26、nelsfromtheswitchcontacts,photoelectriccouplerandinterfacecircuit,reflectingtheproductionprocesson/offstateofthecontactsignal,throughtheoptocouplerandtheinterfacecircuittransformationintoadigitalsignalsenttothecomputerDirectcommitmenttotheprocesscontrolcomputeroperationsandcontroltasks,firstofallinp

27、utchannelsthroughtheprocessofcollectingtheparametersoftheobjectandsignals,thenthescheduledcontrollaw(suchasPID)foroperation,andthensendcontrolsignalstothecontrolledobject,thentheoutputchanneldirectcontrolofthecontrolvalveactuatorProcessoutputchannelfromtheanalogoutputanddigitaloutputoftwoparts.Thefo

28、rmercontrolofthecomputeroutputofdigitalsignalsintoanalogvoltageorcurrentsignals,throughtheamplifiertodrivetheactuatorcontrolvalvetoachievecontroloftheproductionprocess.Thispartoftheinterfacecircuit,D/Aconverter,amplifierandactuatorcomponent.Whichthecomputeroutputoftheswitchsignalbyamplifiertodriveso

29、lenoidvalveandrelayactuator,whichconsistsofelectricalinterfaces,opticalcoupler,amplifierandactuatorcomponent。DirectDigitalControlSysteminaccordancewiththedeviationoftheratioofthebasicalgorithm(P),integral(I)anddifferential(D)control,acontinuoussystemtechnologyismature,themostwidelyusedasabasiclaw,th

30、ePIDcontrolGuilvdiscreteimplementationofandmakecomputer,caneasilybeaccumulatedtousethisproventechnology,butalsotheallegedtargetofthemathematicalmodelorparameterisnotveryclearunderthecircumstances,JingGuo-linetuningofXiaoguosatisfactory.Therefore,thelawregulatingdiscreteanalogdigitalPIDalgorithm,comp

31、utercontrolofindustrialprocesseshavebeenwidelyadoptedsystem,aDDCsystem,thebasicalgorithmDigitalPIDcontrolalgorithm,analogPIDcontrolleridealformulaforthetypeofe(t)-deviation(setvalueandtheactualoutputvalueoftheerror)u(t)-controltheamountofKp-TiascalingfactorIntegraltimeconstantTd-differentialtimecons

32、tanttransferfunctionwrittenintheformofacomputerinordertoachieve,mustbeacontinuousformofdifferentialequationsintodiscreteformofdifferentialequations.Setforthesamplingperiod(comparedwiththesystemtimeconstant,Tissmallenough),kissamplingnumber(k=0,1,2,),canbecalculatedandrectangularplottoreplacethediffe

33、rentialdifferenceTypeine(k)-k-thsamplefromthedeviatione(k-1)-s(k-1)sub-samplefromthedeviationofu(k)-k-timecontroloftrafficonthetypeofThesmallerthesamplingperiodT(comparisonwiththesystemtimeconstant),waschargedwiththeprocessandthecontinuouscontrolprocessapproached,alsoknownasquasi-continuouscontrolTh

34、earchitectureofdistributedcontrolsystemdistributedcontrolsystem(DistributedControlSystemsreferredtoasDCS)20centuryinthemid70sandquicklydeveloped,itwillcomputertechnology,controltechnology,graphicsandcommunicationtechnologiestogetherinone,canspreadoverthesceneoftheequipmentcontrol,butalsoconvenientto

35、centralizedmanagement,operation,andthepast,thecontrolsystem,bothtoavoidLesinglecentralizedcomputercontroloftheinadequacyofOvercomeconventionalhuman-computerinteractiondifficultiestheshortcomingsinstrument.Distributedcontrolsystemofmultiplemicro-computersystemtoreplacethecentralizedcontrolofasingleco

36、mputer,fromthearchitectureoftheriskofdispersion,improvedreliability,.ThebasicstructureandfunctionshowninFigure3,thefigureTTTscenecontrollers,dataacquisitionstation,engineerstation,operatorstation,monitorandmanagecomputerdatacommunicationthroughcomputernetworksareorganicallycombinedtoformthehierarchi

37、caldistributedcontrolsystem3.2.1AdistributedcontrolsystemdatacommunicationsnetworkDatacommunicationnetworkisapillarofthedistributedcontrolsystem.Thestructureofthedistributedcontrolsystem,whichisanetworkstructure,thecontrolstation,dataTacquisitionstation,engineers,operatorstations,monitoringstationis

38、thecomputeronthenetworknode,containtheCPUandnetworkinterface,theyallhavetheirownspecialnetworkaddress(nodes),cansendandreceivedatathroughthenetwork,thenetworkofeachnodeinequalstatus,canshareresourcesandinterdependent,formaunifiedcommand,andhasthefunctionofthedispersedrisk,networkarchitectureareaisof

39、greatflexibility,scalability,cansatisfythedistributedcontrolsystemwiththeneedtoupgrade,theexpansionisflexibleandconvenient(1)controlnetworkcharacteristicsofdistributedcontrolsystemisdifferentfromthegeneralcomputernetworkcommunicationnetwork,andgeneralcommunicationnetwork,itisasfollows:(1)havespecialrequirements,highreliabilityandsafetyrequirementsofinformationtransmission,thereforeabsolutelyaccurate,reliableandoftenU