智能建筑中的樓宇自動化系統理論淺析

唐　勇

摘 要：樓宇自動化系統也叫建筑設備自動化系統（BuildingAutomationSystme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。

關鍵詞：樓宇自動化；控制系統

1 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，BSA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。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：

自動監視并控制各種機電設備的起、停，普示或打印當前運轉狀態。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。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。監測并及時處理各種意外、突發事件。實現對大樓內各種機電設備的統一管理、協調控制。能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現能源管理自動化。

2 樓宇自運輸隊經控制系統的原理

樓控系統采用的是基于現代控制理化的集散型計算機控制系統，也稱為布式控制系統（Distributedcontrol systems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（DCS）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。

2.1 直接數字控制系統（DDC）

直接數字控制系統（Direct Digital Control簡稱DDC）。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就用方式。DDC系統中的計算機直接承擔控制任務，因而要求實時性好、可靠性高的適應性強。

2.1.1 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安息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。-數字量輸入通道由開關觸點、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。

2.1.2 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，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字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。

2.2 分布式控制系統的體系結構

分布式控制系統（Distributed Control Systems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，即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的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。

2.2.1 分布式控制系統的數據通信網張

數據通信網絡和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”都含水有CPU和網張接口，它們都有自己特定的網絡地點（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，即能共享資源，又不相互依賴，形成即有統一指揮，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。

2.2.2 現場總線技術的應用--分布式控制系統的進一步分散化

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。

LonWorks是一種完全分布式控制的局部操作網（Local Operating Network-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（Neuron chip）是這種智能節點的核心，它由媒體訪問媒體防問控制處理器、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，又有控制功能。

芯片附有固件，該固件實再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，分配節點地點，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協議固芯片的ROM中，使得LonWorks的微型節點無需中心結構的宛全分布式控制模式，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，并且提供與上述多媒體相適應的收發器，這使得同一網絡中的信號可以在不 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。

LonWorks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。

分布式控制系統的進一步分菜化。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工控制系統的基礎上，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原有的分布式控制系統，使用BADnet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。BACnet和LonWark現場總線使用LonTalk協議，把控制功能進一步分散現場級儀表，標準LAN與現場總線之間的路由器相聯。這樣BACnet和LonWark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。