論智能建筑中電氣施工技術問題及對策

摘 要：本文論述了傳統的電氣與智能化在工程實踐中的廣泛應用，并指出現場總線技術和嵌入技術的發展與應用。

關鍵詞：電氣與智能化；總線技術；嵌入技術

1 傳統的電氣與智能化

在傳統的工程項目中，電氣技術主要涉及由電氣設備實現對負載的供配電控制、保護和計量，通常由分立的、物理的機電設備來完成。智能化技術主要涉及實現用戶對使用的控制和管理的需要，通常由儀表、執行器、控制器、計算機、控制網絡和軟件來實現這些功能。電氣設備和智能化系統是由電纜或信號線聯結起來的。

典型的智能控制系統結構一般分設3級：操作管理級、控制級和現場設備級，通過網絡實現系統的通信，如圖1所示。電氣部分在現場設備級與智能控制系統相連接。

操作管理級由計算機、軟件平臺、網絡構成，完成系統的操作、監視、報警、記錄、存儲、報表生成等管理功能和對整個系統的編程功能。常用的設備有工業PC機、PC機等；軟件為專業智能化組態軟件，如Intellution公司的iFIX、Wonderware公司的In Touch、Siemens公司的WinCC、Rockwell的RSView32，遵守標準IEC1131-3，提供操作管理人員介入系統的手段，不受時間、地點的限制；控制網絡目前用得較多的是工業以太網、DH+、Control Net、Device Net、MB+等。

控制級由控制器系統、網絡構成，完成系統對現場信號的采集、處理和控制的功能，常用的有可編程序控制器（PLC）產品，過程控制產品等，如A-B公司的PLC-5、Siemens的S7-400、Schneider的Modicon TSX Quantum等，其基本配置有CPU模塊、網絡通信模塊、I/O模塊、電源模塊、底板等。

現場設備級由各種電氣設備構成，作用是為控制級提供系統的輸入/輸出（I/O）信號、就地控制現場設備、對現場設備的保護等。主要有高低壓變配電設備、電氣設備就地控制裝置等電氣設備和一次儀表、執行器、變頻器等儀表裝置。

（1）電氣的工程實踐內容：

①根據用電設備的用電負荷、負荷特點、用電設備的分布情況和供電情況等，進行高低壓變電和配電系統設計、用電設備的一次電氣設計。

②根據供電的條件、要求和用電設備的要求和特點對高低壓變配電系統進行二次計量、保護和控制的設計。

③根據工藝控制要求、智能控制系統的要求，對用電設備的二次控制回路、現場就地控制裝置等進行設計。

④對電纜敷設進行設計。

⑤施工階段進行電纜的敷設、連接和對電氣設備的安裝調試。

（2）智能化的工程實踐內容：

①根據使用要求、被控電氣設備與工藝流程的相關性、被控電氣設備的可靠性和被控電氣設備的分布情況等，對智能控制系統的結構進行設計。

②確定智能控制系統的信號種類和規模數量，即確定系統的輸入/輸出（I/O）信號，對智能控制系統進行硬件配置設計。

③對高低壓變配電系統的各個現場控制裝置明確需求條件（信號和性能）、明確各個現場測量儀表和一次執行裝置的位置。

④對系統I/O信號的位號編制。

⑤根據工藝要求，進行自控系統控制流程框圖的設計。

⑥對電纜敷設進行設計。

⑦根據設計內容實現智能控制系統軟件配置設計。

⑧施工階段進行電纜的敷設、連接，對各個現場儀表、一次執行裝置和系統硬件設備的安裝調試、軟件編制、系統功能調試等。

電氣和智能化的工程實踐活動是平行進行的，在過程中互提測控條件，在確定本系統內容時，落實和確認對方的條件內容。電氣和智能化在工程實踐中界限清晰，分別由電氣和智能化的工程技術人員依據統一的現場信號標準、統一的控制和管理原則，根據設計和施工標準、規程規范進行，協調完成整個的工程調試和運行活動。

2 現場總線技術的發展

從目前對智能控制系統的分散控制、集中管理的要求和對智能控制系統的網絡化、信息化的要求，使得現場總線技術得到了發展和應用。現場總線是一種用于智能化現場設備和智能化系統之間的全數字、串行、雙向、多站的通信網絡。現場總線技術的應用，通過一根通信電纜將所有現場設備由具有某種通信協議的通信接口連接起來，使在設備層傳遞的不再是I/O信號，而是基于現場總線的數字化通信。把I/O通道分散到實際需要的現場設備附近，使安裝和布線的費用減少到最小，實現了徹底的分散控制，如圖2所示。

從系統的網絡拓撲結構上看，以現場總線為通信媒介，只分為操作管理層和現場設備2個層面。系統廢除了DCS系統的控制站、I/O元件和信號轉換器，將控制站的功能轉移到網絡的智能設備中，從而構成虛擬控制站，通過現場總線儀表就可構成控制回路。由于標準化的現場總線具有開放的通信接口，允許用戶選用不同制造商生產的分散I/O裝置和現場設備，使現場總線的應用日益普遍。目前應用較廣泛的現場總線有FF，Lonworks，FIP，Profibus，CAN，以及用于模擬儀表向數字化儀表過渡的HART協議等。常用的有Siemens的PCS7、羅斯蒙特的DeltaV系統等。

現場總線技術的發展和應用使得電氣系統的高低壓變配電裝置中的綜合保護控制器（Protective Relays）、綜合電量計算器（Metering Devices）、智能空氣斷路器（ACB）、電動機控制中心（MCC）的軟起動器、變頻器的可控硅觸發數字控制器等實現了與控制處理器、通信裝置的一體化結構和功能，這些電氣設備在同一總線通信協議基礎上與現場過程儀表、閥門電動裝置調節控制器、PLC控制器等直接與計算機實現設備間的數據通信，使得測量和控制徹底地分散于現場設備層。

系統從分散控制發展到現場控制，將控制功能分散到現場設備，使控制系統的結構趨于扁平化。

電氣和智能化的工程運行活動是平行并交叉進行的，在過程中互相滲透、交融，合二為一，電氣與控制、電氣設備與儀表徹底一體化。由工程技術人員依據統一的現場信號標準、統一的通信協議、統一的控制和管理原則，根據設計和施工標準、規程規范進行，完成整個工程實踐活動。

3 嵌入技術的發展

隨著嵌入技術的發展和以太網的廣泛應用，基于Ethernet的工業控制系統便應運而生（見圖3）。基于Ethernet的工業控制系統使網絡成為透明的、覆蓋整個企業范圍的應用實體，代表了新一代控制系統的必然趨勢。

Ethernet貫穿整個系統的各個層次，使現場級、控制級、管理級在垂直層面得以方便集成，網絡結構得到實質性的簡化，通過授權IP地址，用戶可在任意Internet終端上實現對被控設備的訪問、控制和組態編程。

利用嵌入技術使Ethernet到達傳感器和執行器，實現現場設備與網絡的連接。具有遠程瀏覽功能，實現對遠程現場設備的狀態監控，并將設備診斷技術與信息技術相結合，用網絡化遠程監控設備在現場設備上建立狀態檢測點，在設備出現異常時，網絡化監測點會通過網絡傳呼機、電子郵件等方式及時向工程師發出報警信息，對異常現象作出響應。

從現場總線技術的發展和對電氣或智能化現場設備性能要求上，未來嵌入式控制裝置在現場設備上的應用將越來越廣泛，而現場總線的通信協議種類必將越來越少，趨于更統一和更標準，現場總線上的全部節點設備為分布式結構。智能化、分布式、扁平化、開放性的基于Ethernet的工業控制系統將是構成生產過程和生產管理系統的主要形式，其快速、高效、可靠、低成本、數據共享和故障點減少的特點在工程實踐中將產生顯著效益。

4 電氣和智能化在工程中的交融性

隨著現場總線技術和嵌入技術的發展，電氣和智能化的工程實踐活動將完全互相滲透、交融，合二為一，并與計算機網絡技術合為一體。軟件技術及其應用，將決定一個系統的性能和效果。

鑒于目前的高低壓變配電系統設備中具有嵌入式控制裝置，用電設備就地控制設備中具有PLC控制器和現場總線技術的應用，電氣和智能化的交融、一體化體現在下述的電氣與智能化工程實踐活動的合二為一。

（1）根據用電設備要求、工藝控制要求進行高低壓變配電系統、負載設備的一次電氣設計。

（2）根據供電方條件、要求和負載要求和特點進行高低壓變配電系統二次計量、保護、控制的控制流程框圖設計。

（3）根據工藝控制要求和智能控制要求，進行配電系統末端的負載的就地控制裝置的控制流程框圖設計。

（4）根據工藝控制要求進行儀表、執行器和操作管理站等系統的控制流程框圖設計。

（5）在操作管理站上通過組態軟件的平臺，按上述電氣、智能化系統的控制流程框圖內容實現電氣和智能化系統的功能。軟件的接口標準協議趨于統一，可以進行在線、離線或遠程狀況下的組態編程。

（6）進行現場設備和網絡系統的安裝、電纜敷設設計。

（7）進行設備、網絡及系統軟件的安裝、調試。

在整個的工程實踐中，簡化了設計流程和施工流程。無需傳統設計時考慮集中的二次信號、計量、保護系統設備和智能化系統之間的預留互聯條件，只要按用電設備要求、工藝控制要求進行高低壓變配電系統、用電設備就地控制裝置的一次電氣設計和儀表系統設計即可；施工過程中在設備安裝、電纜敷設連接后，直接進行調試，減少了兩個專業之間的配合調試，避免了兩部分人員分頭進行的現象。

整個系統電氣與智能化互相嵌入、完全融合，體現在電氣的智能化、智能控制的徹底分散化、網絡的扁平化和開放化。

5 結束語

隨著嵌入式控制裝置和現場總線技術的發展與應用，要求從事電氣與智能化的工程技術人員既具備傳統的電氣專業知識，又具備智能化專業知識，還要具備網絡知識、計算機及軟件知識。在不久的將來，通過互聯網絡，不論是設備供貨商、項目設計人員還是企業生產管理者均可對設備和生產流程進行在線、離線或遠程的技術支持和調試。

參考文獻

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