智能建筑中楼宇自动化系统的理论分析？

1简介

楼宇自动化系统(BuildingAutomationSystem)，也称为楼宇自动化系统(BAS)，是智能建筑不可或缺的一部分。它的任务是监测和控制建筑物内的能源使用、环境、交通和安全设施，从而提供一个安全、可靠、节能和舒适的工作或生活环境。

2楼宇自动化系统的组成和基本功能

建筑设备自动化系统通常包括暖通、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安防等子系统。根据我国行业标准，BAS可分为设备运行管理及监控子系统和消防及安全防范子系统，如图所示。一般来说，BAS应该同时考虑这两个子系统。如果消防安全防范子系统独立设置，还应与BAS监控中心建立通信，以便在灾难发生时，按照协议移交操作权，进行综合协调控制。

楼宇设备自动化系统的基本功能可以概括如下:

(1)自动监视和控制各种机电设备的启停，显示或打印当前运行状态。

(2)自动检测、显示和打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。

(3)根据外界条件、环境因素和负荷变化自动调整各种设备，使其始终运行在最佳状态。

(4)及时监控和处理各种事故和紧急情况。

(5)实现建筑内各种机电设备的统一管理和协调控制。

(6)能源管理:水、电、气计量收费，实现能源管理自动化。

(7)设备管理:包括设备档案、设备运行报告、设备维护管理。

3建筑自动化控制系统的原理

楼宇控制系统是基于现代控制理论的分布式计算机控制系统，也称为分布式控制系统(简称DCS)。其特点是“集中管理，分散控制”，即由分布在被控设备现场的微机控制装置(DDC)完成对被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装在中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和强大的数字通讯功能，可以完成集中操作、显示、报警、打印和优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、统一管理的缺点，保证设备以最佳状态运行。

下面介绍与分布式控制系统相关的几个概念。

3.l直接数字控制系统(DDC)

直接数字控制系统(简称DDC)如图2所示。计算机通过模拟输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规则进行计算，最后发出控制信号，通过模拟输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此，DDC系统是闭环控制系统，是计算机在工业生产中最常见的应用方式。

DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因此要求实时性好、可靠性高、适应性强。

3.1.1直接数字控制系统的组成

直接数字控制系统主要由三部分组成:过程输入通道、过程控制计算机和过程输出通道。

过程输入通道由模拟输入和数字输入组成。模拟输入通道由变送器、采样开关、放大器、A/D转换器和接口电路组成。其中，变送器的作用是将非电信号转换成标准电信号，可将温度、压力、流量转换成0-10mA或4-20mA的直流信号，通过A/D转换器实现。数字输入通道由开关触点、光电耦合器和接口电路组成。反映生产过程开/关状态的触点信号通过光电耦合器和接口电路转换成数字信号，送入计算机。

过程控制计算机直接承担操作和控制任务。它首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，然后按照预定的控制规律(如PID)进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。

过程输出通道由模拟输出和数字输出组成。前者将计算机输出的数字控制信号转换成模拟电压或电流信号，然后通过放大器驱动调节阀等执行机构，控制生产过程。该部分由接口电路、D/A转换器、放大器和执行器组成。后者由计算机通过放大器输出的开关信号驱动电磁阀和继电器执行机构，放大器由接口电器、光电耦合器、放大器和执行机构组成。

3.1.2直接数字控制系统的基本算法

根据偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最广的基本规律。将PID控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用积累的成熟技术，在被控对象的数学模型或参数不明确的情况下，可以通过在线整定达到满意的效果。因此，将模拟调节规律离散化的数字PID算法已被工业过程计算机控制系统广泛采用，并成为DDC系统的基本算法。

数字PID控制算法，模拟调节器的理想PID公式是

其中e(t)-偏差(设定值和实际输出值之间的差值)

u(t)-控制量

KP-比例放大系数

Ti积分时间常数

TD-微分时间常数

以传递函数的形式书写

为了在计算机上实现，必须将连续形式的微分方程转化为离散形式的差分方程。设它为采样周期(T与系统时间常数相比足够小)，K为采样序号(k = 0，1，2，...)，而乘积可以用矩形法计算，用微分代替微分。

其中e (k)是从第k次采样获得的偏差值。

e(k-1)-从第(k-1)次采样获得的偏差值。

u(k)-第k个时刻的控制量。

上式中采样周期t越小(与系统时间常数相比)，被控过程越接近连续控制过程，也称“准连续控制”。

3.2分布式控制系统的体系结构

分布式控制系统(DCS)出现于20世纪70年代中期，发展迅速。它集计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术于一体，能对现场分散的设备进行控制，方便集中管理和操作。与以往的控制系统相比，既避免了单台计算机集中控制的不足，又克服了常规仪器人机交互困难的缺点。

分散控制系统中的许多微型计算机取代了集中控制系统中的单台计算机，从结构上分散了危险，提高了可靠性。其基本结构和功能如图3所示，其中现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机和管理计算机通过数据通信网络有机结合，形成一个分层分布式控制系统。

3.2.1分散控制系统数据通信网络

数据通信网络是分布式控制系统的骨干。整个集散控制系统的结构本质上是一个网络结构。现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机都是这个网络上的“节点”，都包含CPU和网络接口。它们都有自己特定的网络地址(节点号)，可以通过网络发送和接收数据。网络中所有节点地位平等，资源共享，互不依赖，形成统一指挥。也使得危险分散的功能结构和网络架构区域具有很大的灵活性和扩展性，可以满足分布式控制系统的扩展和升级需要，非常灵活方便。

(1)控制网络的特点分散控制系统的通信网络不同于一般的计算机网络。与一般的通信网络相比，它有以下特殊要求:①可靠性和安全性高，传输的信息绝对准确可靠。因此，通常采用冗余技术、备份措施和自诊断功能。例如，控制站采用双CPU板和双I/O板。②实时性好。③对环境的适应能力强。

(2)网络拓扑结构:总线网络和环网是工程机械自动化系统中常用的网络。在这两种结构中，任意两个节点都可以通过网络直接通信，所有节点都处于平等的地位。

(3)网络通信协议构成了建筑设备自动化系统，必须有一种大家都能接受和遵守的工作语言来实现它们之间的对话，这就是数据通信协议标准。

楼宇自动化控制网络BACnet协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成，或相当于OSI的第一、二、三、七层协议。

其中ARCnet是令牌总线网络，数据传输速率为2.5-20 bit/s，具有良好的实时性。Ms/TP是一种主/从令牌传递数据链路层技术，它允许使用EIA-485硬件。BACnet实现了不同厂家自动控制系统之间的通信技术，即从一个“孤岛”到另一个“孤岛”的相互连接技术。

3.2.2现场总线技术的应用——分散控制系统的进一步分散

现场总线概述(1)现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字双向传输和多分支通信网络。不同的现场总线遵循不同的协议、接口标准，有各自的特点。现场总线技术具有以下特点:①用数字信号代替4-20mA模拟信号，大大提高了信号转换的准确性和可靠性，因此现场总线具有很高的性价比。②现场总线将设备现场的智能仪表(智能传感器和智能执行器)连接成网络，将控制、报警和趋势分析的功能分散到现场仪表，进一步分散了控制结构，导致控制系统架构的变化。(3)符合同一现场总线标准的不同厂家的仪器和设备可以联网实现互操作，不同标准也可以通过网关或路由器互联。现场总线控制系统是一个开放的系统。

(2)LonWorks技术

LonWorks是一种完全分布式的本地操作网络(LON)技术。LonWorks网络节点由神经元芯片、收发器、固件和I/O接口电路组成。该智能节点以Neuronchip为核心，由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，使节点不仅管理网络通信，还具有控制功能。神经元芯片框图。

固件附在芯片上，实现LonTalk通信协议和所有任务调度。LonTalk协议遵循ISO提出的开放互连参考模型OSI，具有完整的七层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行嵌入式冲突/检测避免算法，控制物理/电气连接。

神经元芯片不仅具有控制功能，还具有媒体访问控制处理器和网络处理器。LonTalk协议固化在芯片的ROM中，使LonWorks的微节点不需要中心结构的全分布式控制模式，控制功能分散到现场级仪表。

LonWorks网络可以使用双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线等多种通信介质，并提供适合上述介质的收发器，使得同一网络中的信号可以在不同介质之间传输，因此可以按需组网，不同介质之间可以通过路由器连接。

LonMark是一种行业标准，以防止许多制造商对LonWorks技术进行不同含义的解读，并确保不同的产品可以轻松集成，形成真正开放的系统。

(3)分散控制系统的进一步分散化

传统的集散控制系统仍然是现场控制站级的集中式结构，而现在的集散控制系统是在原有的集散控制系统和采用LonWorks现场总线的建筑设备自动化系统的基础上发展起来的新系统。标准局域网是原有的分布式控制系统，使用BACnet协议，以方便多个供应商的不同子系统之间的通信信息交换，将具有控制功能的孤岛连接成一个整体。新增的LonWorks现场总线采用LonTalk协议，将控制功能进一步分散到现场级仪表，标准局域网与现场总线之间的路由器相连。这样BACnet和LonMark优势互补，互为依托，形成了一个完全去中心化，真正开放的建筑设备自动化系统。

4楼宇自动化系统设备的发展历史及相关产品介绍

楼宇设备自动化系统到目前为止已经经历了四代产品:

第一代:CCMS中央监控系统(70年代的产品)

BAS已经从一个仪表系统发展成为一个计算机系统。中心站由计算机键盘和CRT组成，记录仪器由打印机代替。分散在建筑物周围的信息采集站DGP(与传感器和执行器相连)通过总线与中心站相连，形成一个中央监控自动化系统。DGP子站的功能只是上传现场设备信息和发布中心站的控制命令。一台中央计算机控制着整个系统。中心站收集各分站的信息，做出决策，完成对所有设备的控制。中心站根据采集的信息和能源计量数据完成节能控制和调节。

第二代:DCS分散控制系统(80年代产品)

随着微处理器技术的发展和成本的降低，DGP变电站安装了CPU并发展成为直接数字控制器DDC。DDC分站配有微处理器芯片，可独立完成所有控制工作，具有完善的控制和显示功能，节能管理，可连接打印机，安装人机界面。BAS由四个层次组成，即现场、分站、中心站和管理系统。分布式系统的主要特点是只有两种联系方式，中心站完成监控，子站完成控制，子站完全自治，与中心站无关，保证了系统的可靠性。

第三代:开放分布式系统(90年代的产品)

随着现场总线技术的发展，DDC分站与传感器、执行器的输入输出模块相连，采用LON现场总线，形成从内部到设备现场的分布式输入输出现场网络层，使系统配置更加灵活。由于LonWorks技术的开放性，变电站具有一定的开放性。BAS控制网络形成了三层结构，即管理层(中心站)、自动化层(DDC分站)和现场网络层(LON)。

第四代:网络集成系统(21世纪产品)

随着Intranet的建立，建筑设备自动化系统将不可避免地采用Web技术，力争在企业网络中占据重要地位。BAS中心站嵌入Web服务器，集成Web功能，以网页的形式作为工作模式，使BAS和Intranet成为一个集成的系统。

网络集成系统(EDI)是采用Web技术的楼宇设备自动化系统。它有一套管理软件，包括安全系统，机电设备系统和消防系统。

EBI系统提供了各种完善的开放技术来满足不同层次的需求，实现了从现场层、自动化层到管理层的各个层次的集成。EBI系统完成了管理系统和控制系统的集成。网络集成系统的结构图如图7所示。

目前规模较大、影响较大的建筑设备供应公司有霍尼韦尔公司、约翰逊公司、KMC公司和德国西门子公司。

5结束语

楼宇自动化控制技术在中国还是一个新的技术领域。随着更多智能建筑的出现，更多先进的技术将加入到这一领域，使这一技术更加成熟和完善。

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