樓宇自控系統(tǒng)在某現(xiàn)代化醫(yī)院的應(yīng)用

文｜北京江森自控有限公司廣州分公司 劉麗娜

1 引言

建筑設(shè)備自動監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System，以下簡稱BAS），也稱樓宇自控系統(tǒng)，其功能是控制建筑內(nèi)部的各種機(jī)電設(shè)備，為建筑創(chuàng)建舒適的人工環(huán)境，方便人們對樓內(nèi)運(yùn)行的機(jī)電設(shè)備的管理，最大限度地節(jié)約和利用能源。只有設(shè)計完整的BAS，才能建成先進(jìn)的智能建筑；而建設(shè)智能建筑目前已成為樓宇建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。BAS的發(fā)展經(jīng)歷了從分散控制到集中控制，再到集散控制的幾個階段。目前正向開放式現(xiàn)場總線系統(tǒng)的方向發(fā)展。

某現(xiàn)代化醫(yī)院綜合大樓是一棟集醫(yī)療、保健、科研、教學(xué)為一體的綜合型醫(yī)療科研建筑，地下兩層，地上28層；涉及多種建筑使用形式，包括首層大堂，地下兩層及地上2～6層的停車場，7～10層的門診及治療中心，11～12層的食堂，13～24層的教學(xué)及臨床研究基地，25～28層的藥學(xué)質(zhì)量管理中心、辦公室等。其內(nèi)部設(shè)備繁多而復(fù)雜，完全靠人工來進(jìn)行調(diào)整往往不能保證設(shè)備運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，容易使一部分機(jī)器滿負(fù)荷運(yùn)行而另一部分機(jī)器運(yùn)行的效率卻非常低，造成一部分機(jī)器過早報廢而另一部分機(jī)器卻未得到充分利用。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)代化醫(yī)院綜合大樓建成后每年因能源管理水平低下而浪費(fèi)的費(fèi)用都是相當(dāng)驚人的。因此，BAS是現(xiàn)代化醫(yī)院的一個非常重要的子系統(tǒng)。

2 BAS總體設(shè)計說明

該現(xiàn)代化醫(yī)院中，BAS的主工作站設(shè)在弱電總控中心，網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)置在各區(qū)域弱電井，對全區(qū)域的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)各區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)控制器接入以太網(wǎng)，建立基于網(wǎng)絡(luò)的集中管理平臺，并通過通用、標(biāo)準(zhǔn)的接口、協(xié)議向上集成到建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BMS）。

網(wǎng)絡(luò)控制器和DDC直接數(shù)字控制器（也稱現(xiàn)場控制器）采用集中供電方式。電源從區(qū)域弱電井室引出，通過弱電管井分配給各樓層用電設(shè)備；DDC直接數(shù)字控制器的電源管線隨控制線同路由敷設(shè)。設(shè)備供電回路電壓為220V AC，對電源電壓為24V AC的設(shè)備需通過變壓器變壓后供電。

該系統(tǒng)在完成相關(guān)設(shè)備自動監(jiān)控的同時，還能滿足機(jī)電設(shè)備本身所固有的控制工藝要求。

該系統(tǒng)具有完善的用戶管理功能，支持通過對用戶操作權(quán)限的設(shè)置，靈活地控制用戶操作的對象以及操作的內(nèi)容。所有的用戶登錄信息及發(fā)生的操作都被自動記錄在日志文件中，日志文件不能被隨意修改。

相關(guān)受控設(shè)備設(shè)有手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。在手動狀態(tài)下，系統(tǒng)只能監(jiān)視其工作狀態(tài)，設(shè)定運(yùn)行參數(shù)，并在操作站上顯示其運(yùn)行狀態(tài)、手動/自動狀態(tài)及故障報警，不能進(jìn)行啟/停的控制。

2.1 BAS的基本功能

該現(xiàn)代化醫(yī)院BAS的基本功能如下：

◆ 自動監(jiān)視并控制各種機(jī)電設(shè)備的啟、停，顯示、打印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)；

◆ 自動檢測、顯示、打印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢、歷史數(shù)據(jù)；

◆ 根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動調(diào)控各種設(shè)備，使之始終運(yùn)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(shí)現(xiàn)對大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制；

◆ 進(jìn)行水、電、氣等的計量收費(fèi)，實(shí)現(xiàn)能源管理自動化；

◆ 進(jìn)行設(shè)備管理，包括設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行報表和設(shè)備維修管理等。

2.2 BAS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該現(xiàn)代化醫(yī)院BMS及BAS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)采用集散式分布智能控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以真正實(shí)現(xiàn)集中管理、分散控制。

該系統(tǒng)采用控制層和管理層兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用中央操作站與系統(tǒng)管理軟件（含系統(tǒng)圖形軟件）、網(wǎng)絡(luò)控制器與DDC直接數(shù)字控制器、末端設(shè)備（各類傳感器、變送器及執(zhí)行器）等的三層設(shè)備結(jié)構(gòu)。其中系統(tǒng)管理軟件和網(wǎng)絡(luò)控制器在管理層進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)控制器和DDC直接數(shù)字控制器在控制層通信。

網(wǎng)絡(luò)控制器連接帶有CPU處理器及PID運(yùn)算功能的DDC直接數(shù)字控制器。

2.3 BAS控制中心

BAS控制中心包括BAS服務(wù)器和BAS操作站兩部分。

操作管理軟件平臺采用服務(wù)器/瀏覽器（Server/Browser）模式、基于Web的系統(tǒng)架構(gòu)，任何支持Web標(biāo)準(zhǔn)（包括Internet Explore、Netscape Navigator）的設(shè)備都可以成為一個全功能的操作接口。

打印機(jī)選用高速彩色噴墨打印機(jī)或者激光打印機(jī)，掛在服務(wù)器上或直接掛在網(wǎng)絡(luò)上，可輸出A3和A4幅面的圖形、文字、報表等，采用HP、Canon、EPSON品牌的產(chǎn)品。

不間斷電源（UPS）的容量在滿足工作站等設(shè)備供電需求的基礎(chǔ)上留有30%的冗余。

2.4 末端傳感器及電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)

末端傳感器及電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)盡量選用與BAS同一品牌的產(chǎn)品，以方便安裝、現(xiàn)場協(xié)調(diào)和調(diào)試。

2.5 BAS管理軟件

圖1 BMS及BAS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮膱D形化編程工具或高級編程語言來編制符合實(shí)際要求的應(yīng)用程序。

該系統(tǒng)中的每臺設(shè)備均支持告警和極限報警兩種形式的報警，支持設(shè)置將報警信息發(fā)送到指定工作站。告警時，無論操作者在瀏覽哪些畫面，系統(tǒng)都能在相應(yīng)工作站的監(jiān)視器上顯示報警信息，并以圖形或表格的形式顯示相應(yīng)設(shè)備的工作參數(shù)。全部報警信息均記錄在數(shù)據(jù)庫中，并可支持按權(quán)限查詢或打印。

該系統(tǒng)能夠提供實(shí)時幫助功能。

應(yīng)用軟件支持具有操作權(quán)限的使用者通過瀏覽器對系統(tǒng)進(jìn)行瀏覽和操作，采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；系統(tǒng)遵循各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并采用開放式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)管理軟件采用通用、穩(wěn)定、可靠的操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫軟件；圖形顯示組態(tài)軟件支持整個系統(tǒng)的硬件設(shè)備，具備中文界面，且組態(tài)編程操作容易；應(yīng)用軟件針對具體項(xiàng)目，由組態(tài)軟件生成，包括系統(tǒng)診斷功能軟件、操作演練功能軟件和故障診斷、系統(tǒng)調(diào)試與維護(hù)軟件，其功能可滿足整個系統(tǒng)的自動檢測、控制和管理要求，且為用戶留有后續(xù)維護(hù)管理的手段。

系統(tǒng)管理軟件支持整個系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控。不同類型分站根據(jù)各自控制功能的需要，設(shè)置相應(yīng)權(quán)限的用戶帳號以支持管理的功能，分站要能支持直接通過IE等Web瀏覽器訪問系統(tǒng)，不需要安裝客戶端軟件。系統(tǒng)的服務(wù)器采用微軟Windows 2003或者Windows XP操作系統(tǒng)。系統(tǒng)支持SQL數(shù)據(jù)庫；支持至少5個用戶同時訪問系統(tǒng)，并且用戶不需要安裝客戶端軟件；支持以E-mail、電話傳呼、自動打印、SNMP等方式來管理報警信息、趨勢分析功能。

3 BAS總體控制說明

現(xiàn)代化醫(yī)院綜合大樓內(nèi)所有的機(jī)電設(shè)備，可根據(jù)具體功能的不同，劃分進(jìn)三個監(jiān)控對象類別，即“又監(jiān)又控”、“只監(jiān)不控”、通過第三方系統(tǒng)的集成接口監(jiān)測或監(jiān)控。

3.1 “又監(jiān)又控”的監(jiān)控對象

“又監(jiān)又控”的監(jiān)控對象如表1所示。

表1 “又監(jiān)又控”的監(jiān)控對象表

3.2 “只監(jiān)不控”的監(jiān)控對象

“只監(jiān)不控”的監(jiān)控對象如表2所示。

3.3 通過接口集成的第三方監(jiān)控對象

通過接口集成第三方監(jiān)控對象的意義如下：

表2 “只監(jiān)不控”的監(jiān)控對象表

◆ 實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的集中管理；

◆ 提供開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，共享信息資源；

◆ 實(shí)現(xiàn)跨子系統(tǒng)的聯(lián)動控制；

◆ 提高工作效率，降低運(yùn)行成本。

此類監(jiān)控對象具體包括的第三方子系統(tǒng)（可選）如下：

◆ 低壓變配電系統(tǒng)；

◆ 發(fā)電機(jī)組；

◆ 分體空調(diào)系統(tǒng)；

◆ 生活熱水鍋爐系統(tǒng)；

◆ 安防系統(tǒng)（包括閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、防盜報警系統(tǒng)、門禁一卡通系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、停車場管理系統(tǒng)等）；

◆ 多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)；

◆ 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)。

4 BAS工作界面劃分

BAS與其他專業(yè)的接口如表3所示。

表3 BAS與其他專業(yè)的接口表

其中，“無源干觸點(diǎn)”是指在有關(guān)的設(shè)備電控箱內(nèi)預(yù)留監(jiān)控內(nèi)容對應(yīng)的無源干觸點(diǎn)；“接受24V AC控制信號輸入”是指在有關(guān)電控箱內(nèi)設(shè)置一個24V AC的繼電器，使BAS可以通過驅(qū)動該繼電器實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。各個接點(diǎn)專為BAS系統(tǒng)預(yù)留接口，而非讓BAS與消防等合用一個接口；接線處做成端子接線排的形式，以便BAS監(jiān)控線纜能準(zhǔn)確接入。

需要向BAS進(jìn)行集成的第三方子系統(tǒng)，盡可能地保證其數(shù)據(jù)格式通過BACnet/IP或BACnet MS/TP協(xié)議給出，并提供詳細(xì)的元素列表（即代碼表）、數(shù)據(jù)庫格式及訪問方式。硬件接口為RJ45、RS485或RS232等。

DDC直接控制（如對水泵的控制）以電控箱或控制柜為工作界面；通過集成方式對第三方子系統(tǒng)進(jìn)行的監(jiān)測以通信接口為工作界面。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如風(fēng)柜的風(fēng)閥驅(qū)動器、冷水電動比例二通閥、電動蝶閥等既可以納入空調(diào)專業(yè)，也可以納入BA專業(yè)；其具體的扭矩和口徑需要計算。

5 現(xiàn)代化醫(yī)療類建筑對BAS的特殊要求

現(xiàn)代化醫(yī)院作為一種功能特殊的建筑，對BAS的應(yīng)用有著特殊的要求。

該現(xiàn)代化醫(yī)院為大型綜合性三甲醫(yī)院，輻射性比較強(qiáng)，功能特殊，對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)提出了更高的要求。在醫(yī)院各區(qū)域或空調(diào)回風(fēng)管設(shè)置CO2或空氣質(zhì)量傳感器，可方便地及時了解醫(yī)院內(nèi)的空氣質(zhì)量，并據(jù)此控制空調(diào)的新風(fēng)比例。

同時，現(xiàn)代化醫(yī)院內(nèi)人員密集，而且流動性大；由于溫度參數(shù)變化較慢，如果單純以溫度為控制對象，會有滯后現(xiàn)象，即在開始一段時間無法達(dá)到要求。在適當(dāng)?shù)牡胤桨惭bCO2傳感器能很快地反映人流的情況，通過CO2濃度來控制新風(fēng)量、營造更加舒適的環(huán)境，而且有節(jié)能效果。

由于車庫車輛會排放大量的含CO的氣體，在車庫適當(dāng)位置設(shè)置一定的CO傳感器用于控制車庫排風(fēng)機(jī)的啟停，有利于保持車庫內(nèi)空氣的質(zhì)量，同時也能實(shí)現(xiàn)一定的節(jié)能效果。

基于對現(xiàn)代化醫(yī)院建筑的特殊性，及其對人身安全保障重要性的考慮，在醫(yī)院的適當(dāng)位置設(shè)置一定的有害氣體檢測傳感器，不僅可用于控制新風(fēng)量、營造更加舒適的環(huán)境，同時也能為人員安全提供一定的保障。

對于一些重要的辦公場合或病房可以增加一些一體化溫濕度傳感器。

另外，現(xiàn)代化醫(yī)院有著一些與其他建筑不同的特殊功能要求，比如手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）、實(shí)驗(yàn)室等場所有著更高的控制精度要求，而BAS系統(tǒng)很難達(dá)到；因此這部分需要其他更專業(yè)的廠家單獨(dú)設(shè)計，不需要納入BAS之中。

6 BAS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益分析

6.1 降低機(jī)電設(shè)備的能耗，投資回報率較高

在滿足舒適性要求的前提下，BAS能夠通過合理組織設(shè)備運(yùn)行，使現(xiàn)代化醫(yī)院大樓的運(yùn)行費(fèi)用降至最低。BAS通過計算機(jī)控制程序?qū)ΜF(xiàn)代化醫(yī)院全樓的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，統(tǒng)一調(diào)配所有設(shè)備用電量，可以實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷的最優(yōu)控制，有效節(jié)省電能，減少不必要的浪費(fèi)。

6.1.1 中央空調(diào)系統(tǒng)

中央空調(diào)系統(tǒng)是建筑物內(nèi)機(jī)電設(shè)備中能源耗費(fèi)的大戶，其能耗約占總能耗的60%。在BAS系統(tǒng)的控制下，所有空調(diào)機(jī)、新風(fēng)機(jī)甚至風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)都可以在合理的溫度和濕度范圍內(nèi)運(yùn)行，不會出現(xiàn)夏季過冷和冬季過熱之類浪費(fèi)能源的現(xiàn)象。

另外，空氣過濾器堵塞報警可及時提醒相關(guān)人員對空氣過濾器進(jìn)行清洗或更換，表冷器防凍探測可對設(shè)備起到保護(hù)作用......類似的功能均對節(jié)約能源起著直接或間接的作用。

BAS可根據(jù)外部設(shè)備所需要的冷量控制冷凍機(jī)的啟/停臺數(shù)，根據(jù)冷卻回水的溫度控制冷卻塔的啟/停臺數(shù)，不致造成設(shè)備無效運(yùn)轉(zhuǎn)；根據(jù)總供/回水的壓差調(diào)節(jié)供水電動旁通閥，使冷機(jī)工作在效率最佳狀態(tài)，節(jié)約電能。

6.1.2 電力照明系統(tǒng)

通過BAS對現(xiàn)代化醫(yī)院建筑內(nèi)的電力照明系統(tǒng)進(jìn)行時間表（或根據(jù)人員活動情況）控制，可使被控?zé)艟甙磿r（按需）熄滅，避免出現(xiàn)“長明燈”的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，只此一項(xiàng)每年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)BAS造價的15%左右。

6.1.3 給排水系統(tǒng)

在BAS系統(tǒng)的控制下，給排水系統(tǒng)中的水泵可與水箱、水池內(nèi)的水位狀態(tài)聯(lián)動，僅在需要時才投入運(yùn)轉(zhuǎn)，避免不必要的浪費(fèi)；同時保證不跑水，節(jié)約水資源。如此每年節(jié)約的電費(fèi)與水費(fèi)可達(dá)BAS造價的6%左右。

6.2 營造能夠自動調(diào)節(jié)的舒適環(huán)境

BAS可根據(jù)季節(jié)、人員和空氣流動情況的變化，將現(xiàn)代化醫(yī)院各區(qū)域的室內(nèi)溫、濕度控制在設(shè)計要求值上，同時參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如美國暖通空調(diào)和制冷工程協(xié)會ASHRAE舒適標(biāo)準(zhǔn)、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO 7730的熱舒適指標(biāo)PMV、國標(biāo)GB/T 5701-2008中的舒適溫度指標(biāo)等），使樓內(nèi)人員感覺舒適。在人們環(huán)保意識不斷提升、對空氣品質(zhì)的要求日益提高、追求舒適性的情況下，BAS的應(yīng)用可使現(xiàn)代化醫(yī)院建筑與其他一般醫(yī)院建筑相比更具競爭力。

6.3 預(yù)防突發(fā)事故發(fā)生，保護(hù)設(shè)備的投資

BAS可隨時檢查設(shè)備的實(shí)際負(fù)載和額定負(fù)載，當(dāng)設(shè)備過載時立即將其卸載，同時向中央控制室發(fā)出報警信號。

BAS還可監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)其中某臺設(shè)備運(yùn)行異常，立即報警，通知檢修人員前去檢查和維修；當(dāng)一組設(shè)備中的某臺設(shè)備故障時，自動切換到備用設(shè)備。

當(dāng)發(fā)生臨時停電的情況時，BAS可在恢復(fù)供電后自動執(zhí)行順序啟動程序，保證設(shè)備順利投運(yùn)，避免啟動失敗對設(shè)備造成損害。

6.4 延長設(shè)備使用壽命、降低管理及操作成本

在現(xiàn)代化醫(yī)院建筑內(nèi)配置BAS之后，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)始終處于BAS的監(jiān)視之下。BAS可提供設(shè)備運(yùn)行的完整記錄，同時可以定期打印出維護(hù)、保養(yǎng)的通知單，這樣可以保證維護(hù)人員不超前、不誤時地進(jìn)行設(shè)備保養(yǎng)，因此可以使設(shè)備的運(yùn)行壽命加長，從而降低建筑的運(yùn)行費(fèi)用。

BAS還可自動記錄設(shè)備的累計運(yùn)行時間，在當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行時間累計值達(dá)到規(guī)定的維修時間時，自動切換到備用設(shè)備，同時報告中央控制室，以均勻各臺設(shè)備的運(yùn)行時間，延長設(shè)備使用壽命。

6.5 統(tǒng)一管理

BAS支持在統(tǒng)一的界面上完成一切操作，因而能極大地方便機(jī)電設(shè)備的操作與維修，減少管理和維護(hù)人員的數(shù)量以及其勞動強(qiáng)度，可基本上實(shí)現(xiàn)“無人職守”。每年因此節(jié)省的維護(hù)費(fèi)用可達(dá)BAS造價的5%～8%左右。

7 結(jié)束語

目前BAS的硬件和軟件都已采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化的設(shè)計，系統(tǒng)的配置通用性強(qiáng)，系統(tǒng)組態(tài)靈活，控制功能完善，數(shù)據(jù)處理方便，人機(jī)界面友好，系統(tǒng)安裝、調(diào)試和維修簡單化，運(yùn)行可靠、安全、節(jié)省能源、節(jié)省人力。

該現(xiàn)代化醫(yī)院大樓BAS設(shè)計的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對建筑內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備信息的分析、歸類、處理、判斷，采用集散型控制系統(tǒng)和最優(yōu)化的控制手段對各系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，使各子系統(tǒng)設(shè)備始終處于有條不紊、協(xié)同一致的高效、有序運(yùn)行狀態(tài)；在創(chuàng)造出一個高效、舒適、安全的工作環(huán)境的同時，降低各系統(tǒng)造價，盡量節(jié)約能源和日常管理的各項(xiàng)費(fèi)用，保證系統(tǒng)充分運(yùn)行，使投資能得到良好的回報。