智能建筑中的電氣與控制系統設計與實現

王志浩

摘 要 隨著信息技術的飛速發展和人們應用需求的提升，建筑智能化的應用更加普遍，并且在住宅、體育館、政府建筑等方面提出了更高的要求。從實踐中得知，智能建筑的主體是其智能化控制系統的構建，而作為高新技術的產物，控制系統需要結合電氣技術、電子技術、計算機技術等的輔助，實現對智能建筑各部分的智能化控制。在這里，建筑物當中基于自動化技術支持下的集成系統是控制系統最關鍵的內容，在保障建筑物內部所使用的各種能源、生活環境以及各種設施的安全性方面發揮著極其重要的監督和控制作用，以便為建筑物用戶提供更高質量的服務功能。基于此，本文的研究主要是針對智能建筑中的電氣與控制系統的設計與實現進行分析，探討各子系統的設計，以及最終的集成效果。

關鍵詞 智能建筑 電氣與控制系統 系統設計 集成

中圖分類號：TU85 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）01-0028-04

1 前言

隨著智能家居的深入發展，人們便提出了智能建筑的應用[1]。所謂智能建筑就是在融合應用了現代化智能技術的支持條件下將所建造建筑的內部結構、應用系統、服務項目以及各個方面的管理功能等，依據建筑物用戶的具體需求和要求實現最優化結合，進而為建筑物用戶提供一種高質量、人性化和舒適度極強的建筑服務環境，其本質上是將很多先進的計算機技術集成應用的產物。

智能建筑主要包括設備自動化、通信自動化以及辦公自動化三大部分，分別簡稱為：BAS、CAS和OAS。我們進行智能建筑相關問題的研究，主要是想將上述各個系統之間聯系到一起，都連接到總控制系統中，不同子系統的設備可以隨便接入控制系統，以達到子系統之間信息共享和相互聯動的目的。本次研究想要打造的就是最后一種智能建筑控制系統形式，借助電氣設備與控制系統的設計，實現智能建筑整體的集成管理。

2 智能建筑中的電氣設備自動化系統

2.1 智能建筑的組成

智能建筑自動化系統主要由三個子系統組成，它們分別是：辦公自動化化系統（OAS）、設備自動化系統（BAS）和通信自動化系統（CAS）。BAS中包括照明、空調、給排水、消防、保安和交通系統。具體的設備包括中央控制系統、智能控制器、智能檢測設備以及執行元件等[2]。CAS中包含語音通信、數據通信、可視圖文、電視會議等部分。該系統主要是負責數據傳輸，同時可支持進行圖形、語言、文字等的傳輸。OAS包括局域網、決策支持系統、數據處理、信息管理以及電子信箱部分。該系統主要負責進行智能建筑管理人員的日常辦公、動態信息管理、通知公告等事項。各個功能模塊之間有明確的分工，而且相互連接和依賴，形成該系統的實效性、協調性和統一性。這三個子系統都受系統集成中心（SIC）的控制，且能源都來自電力系統。

2.2 建筑設備自動化系統（BAS）

BAS有廣義和狹義的區別，廣義上即上述所說的內容，針對智能建筑內部的機電設備進行監控。而從狹義上分析，主要包括供配電監測系統、火災報警系統、消防聯動系統、智能化照明系統、安全防范系統等內容。本篇文章討論的是狹義意義上的BAS。

2.3 供配電系統的監測

這是BAS的重要部分，主要用于保證智能建筑的用電穩定性和可靠性。供配電系統的監測一般是選擇人工就地控制，所以設備多數放置在配電柜、配電室、配電箱內。在整個智能建筑中，針對所有用戶進行分析，按照他們的用電需求和設備類型，劃分出不同的負荷等級，然后在此基礎上合理設計出供配電線路[3]。

2.4 智能照明監控系統

照明監控系統是智能建筑物當中用電量較大的系統之一。具體的控制方式比較多樣，其中直接用開關進行控制的方式最為常見。該系統開關的位置和樣式可以隨意更改，但節能效果較差，其定時控制功能主要是依照燈具的點亮規律進行控制起閉，雖有一定節能效果，但靈活性不強，無法適應環境和作息的變化;光電感應控制，是通過對比照度值與設定值控制起閉，也有良好節能效果。

2.5 火災自動報警及消防聯動系統

該系統主要由感煙/感溫/火焰探測器、消防控制系統、消防設備和消防設備電源等組成。系統通過探測器（一般是感煙和感溫）感知是否出現異常，有異常的話反映給報警器給出報警信號，然后系統可以控制電梯回到首層，強制打開所有的排煙閥、排煙口，并啟動防煙風機、排煙風機，停止防煙分區的空氣調節系統等等，實現對火災的應對和控制。

3 智能建筑控制系統的關鍵技術

3.1 KNX總線技術

KNX總線技術的應用十分廣泛，總線元件有三種：總線設備、控制設備和執行器。

KNX總線拓補結構：該總線傳輸介質有多種，可以用TP1、PL110、RF、IP等來實現，且各有各的傳輸方式，其中IP傳輸將成為未來主要發展形式。對于KNX總線的拓補結構，最小結構就是線路，i-bus系統中最小的組成結構就是支線，每條支線上面運行的總線元器件的數量不能夠超過64個[4]。在智能控制系統結構當中，主干線是最大的元器件，各個域在耦合器的作用下連接到主干線，一個主干線可以連接的域的最多數量是15個，由此計算得知，整個控制系統最好可以運行14400個元器件。

KNX總線技術尋址方式：這里地址可以分為物理地址和群組地址兩種，物理地址的目的是明確設備在系統當中的具體位置，每個設備都有各自的獨立編碼，其它地址也是如此，其地址編碼是兩個八位位組。群組地址是借助報文的作用實現若干個應用對象的連接，其中一個群組的設備可以相互通訊與控制，而且幾個不同的組地址可以連接到同一個對象。

KNX總線的應用十分廣泛，包括住宅、體育場、娛樂場所、酒店建筑等，且在不同場所都有其相應的應用優勢。

3.2 ABB i-bus系統

該系統是ABB公司在KNX平臺上研發的，主要用于實現對智能化建筑物的現場總線控制功能，在現場總線控制方面的應用最為廣泛。該系統可支持對空調、照明、電動窗、現場設備、電氣設備等各分支控制系統的控制，而且可以實現多種控制方式，比如現場面板控制、單獨控制、分組控制、分散集中控制等形式[5]。

3.3 CAN總線技術

該技術是一種總線技術，屬于通過總線實現控制功能的局域網系統，性能較高且可靠性強，所以應用越來越廣泛。該技術有兩種技術標準，CAN2.0 Part A 和 CAN2.0 Part B。

該技術的特點：沒有主從區別的網絡節點，以多種通信方式為主，且無需節點信息，通信靈活方便;網絡節點存在優先級別，總線按照節點的優先級接收數據信息，這樣可以避免出現數據傳輸沖突;可以利用報文快速達到運用多種方式進行通信的目的;通信過程中的主要數據格式是短幀，并且每一幀的數據信息都是經過檢驗與檢錯過程處理的，以提高數據傳輸的可靠性;當節點遇到較明顯錯誤的時候能夠自動停止數據信息的輸出，這樣可以避免對其他節點的功能發揮造成影響;數據兼容性強，在總線沒有關閉的條件下可以拆除任意節點[6]。

該技術的應用有多個方面，比如對于智能消防報警系統的應用，利用該技術可以將火災探測器、信號節點、消防報警主機等設備連接在一起，同時進行信號傳輸。在智能建筑監控系統中，支持對照明、空調、暖通、給排水、電梯等系統進行集中監控，利用該技術實現通信協議。

3.4 ZigBee技術

ZigBee技術所要實現的主要功能是在低速率狀態和短距離條件下的無線通信。其主要應用領域有醫院各個部門之間的通信、醫療監控系統、交通監測系統以及對智能化家用設備的無線控制等等。在智能化家居應用方面，在使用ZigBee技術的時候，首先要建立好一個ARM型的自動化網絡控制系統，對智能家電實現運行控制，接著是ZigBee路由器的安裝工作，以達到中心網絡控制的功能。

3.5 OPC技術

該技術是一項典型的通信接口，為智能建筑中的所有設備和控制系統建立連接，這樣不同設備均可以介入，對通信方式沒有任何要求。該技術的應用使得智能建筑的集成系統發展得更加開放，可維護性更強。

該技術的標準是建立在COM技術的基層之上的，兩者的結構相同，都屬于Client-Server（C/S）結構。實際參考應用中的有自定義和自動化兩種接口，兩者最大的不同就是編程語言的不同，前者使用的是腳本編程語言，后者使用的是C++編程語言。控制系統利用OPC技術將現場數據信息進行收集以后傳遞給客戶端，之后再由客戶端的應用程序進行數據分析和應用。

該技術的主要應用領域：OPC技術主要應用于樓宇自動控制系統當中，為系統集成提供平臺，以達到智能化建筑當中管理系統和各項控制系統協作運行、融合發展的目的。

4 智能照明控制系統的設計

照明控制系統是智能建筑比較關鍵的部分，也是應用最普遍的部分。同時智能照明控制系統與其他系統通過OPC服務器進行通信連接、聯動控制和系統化集成。

4.1 照明區域功能的劃分

如果以某企業總部的辦公建筑為例，進行照明控制的區域有辦公區、走廊、電梯、各個辦公室等。而不同區域對于照明的需求是不一樣的，對光照度和燈光效果有不同的要求，而且有時候同一場所在需要進行不同活動時，也會表現出不一樣的照明需求。比如辦公樓的一層大堂、各個辦公室等，需要多種不同的光源來達到各種不同的效果，所以可以設計出不同的燈光環境，然后利用遙控器進行控制和切換。據此，我們利用ABB i-bus智能照明控制系統制定了一套控制方案。

4.2 系統的組成

該系統主要包括智能開關、電源模塊、時間控制器、光電感應器、現場智能控制面板等模塊。主控制室有觸屏的控制面板，其他場所則按需求安裝，智能建筑物的每個區域都安裝有光電感應器組件，可以實時采集現場信息[7]。

4.3 智能建筑系統控制的功能與實現過程

在辦公樓內，使用ABB i-bus 控制系統實現對照明系統的控制，整個智能建筑物當中所有的照明回路共有3000個左右，并且每一個照明回路都可以獨立實現分散控制和集中控制，而且支持遠程監控。整個系統有若干支線，每個支線都有智能控制單元，借助耦合器組件實現建筑物的局域網連接，可以實現辦公樓照明中心的無人看守，智能控制。具體的控制方式，一是可以選擇現場職能面板控制，在公共區域因為照明需求有間歇性，所以采取定時控制方式，并使用分回路進行集中控制[8]。對于辦公區域，要求燈光具有可調節性，所以必須對智能化控制面板進行科學、合理的設計，使其能夠具備對多種光源不同模式的靈活、智能控制，比如工作-休息-會客等控制模式，然后按照需求進行選擇。二是可以選擇中文觸摸屏控制，在每一個控制中心都進行了中文觸控屏的安裝，并且支持多種控制模式，同時還能夠對燈具進行集中監控，保證安全性，同時可以設置操作權限密碼，避免越級操作。三是中央圖形化控制，智能控制系統的i-bus主機設備安裝在建筑物地下一層的控制機房中，可以對智能建筑物中的每一個照明回路實現遠程控制，并能動態監控每個照明回路的開關狀態。四是光照自感應控制，借助光照感應探測器 HS/3.1，通過對環境光照照度的收集，控制燈具回路的開關，保證照度在低于設定值時開啟燈具，反之則關閉。

5 其他智能化控制系統的設計

5.1 智能火災自動控制系統

該系統主要是通過傳感器組件、各種現場總線技術功能等，來達到對智能建筑物中內部和外部環境的安全消防報警功能，可以實現對智能建筑物各個環境的二十四小時安全監控。進行消防聯動，快速處理火災問題，減少損失，提升智能建筑的消防能力[9]。具體應用時模仿人的思維模式，主動探測所負責區域的環境條件，包括溫度的高低、煙霧濃度的大小、火焰趨勢等信號，然后采集這些信息，轉變成電信號，再傳輸到控制主機進行處理。

5.2 安防系統

該系統主要應用的是ZigBee低速短距的無線網絡傳輸技術，能夠結合實際當中的各種需求以及特殊的環境條件，合理選擇、配置合適的探測器，并且還可以根據探測器的報警信息發送出聲光報警信號，前端的傳感器組件將所感應采集到的信號數據通過 ZigBee網絡傳輸技術將數據傳到基站，然后基站將之發給上位機，由上位機對此進行對比，如果與標準設定有差別就發出報警信號。該系統由ZigBee網絡協議、門磁開關、報警主機、PC機以及各種傳感器元件所構成[10]。

5.3 智能消防電源監控系統

該系統主要是監控消防設備，主要由三個部分構成：消防設備電源、通信模塊、監控模塊。每臺消防設備都有自己獨立的編號，有監控主機輪流對消防設備的電源狀態進行檢測并發出檢測信號，此時消防設備電源收到檢測信號后，直接將自身的狀態反饋出去。整個信號傳遞過程是利用以太網RS485接口形式進行的，對于遠距離的消防設備電源的監控，是由監控主機借助GPRS實現實時數據傳送，這個時候如果消防電源監控中心向監控主機發出數據查詢請求，就會由GPRS終端先將數據傳遞給接入服務器，然后轉發給消防電源監控中心。

6 智能化系統的集成

6.1 系統集成概述

建筑集成管理系統（BMS）集成樓宇自控系統、火災自動控制系統、智能照明控制系統以及智能安防系統等子系統，利用整個系統平臺的功能作用的發揮，可以實現各個子系統之間的相互協作與密切聯動工作，如果遇到緊急情況的發生，各子系統之間可及時做出聯動，快速給出反應[11]。考慮不同子系統所對應的控制網絡有所不同，所以必須使用不一樣的OPC服務器應用模式，并安裝不同服務器，最終達到對各個子系統現場設備的數據采集功能，管理層通過組態軟件的功能發揮實現與各個子系統的 OPC 服務器相連，實現整個集成系統的中央控制中心與各個子系統之間的聯動控制，以及各個子系統之間的互聯。

6.2 智能化集成管理系統的網絡結構

該系統采取三級式的網絡結構設計形式，分為設備層、控制層、管理層三個等級。在整個系統當中，其中設備層包括所有子系統當中的全部現場設備部件，主要包括傳感器設備組件、變送器設備組件以及執行機構設備組件等。智能控制系統當中的控制層主要是覆蓋每一個監控現場當中的所有區域智能節點，而智能控制系統當中的管理層，主要由來自中央控制中心的主服務器設備和各個分控中心的分控服務器設備所組成。在智能系統的控制層當中，各個控制器組件之間都是通過網絡以點對點的形式實現通信功能的，在控制層當中所有的協議都必須安裝相對應的現場總線網絡系統，并且所有的現場總線網絡系統都包含垂直網絡系統和水平網絡系統兩個部分，垂直網絡和水平網絡全部都是應用總線式網絡結構設計形式，并通過路由器設備來進行相互連接，從而構成二級網絡系統。

6.3 系統集成方案分析

該系統的OPC服務器，主要包括OPC標準接口功能的實現和硬件設備通信接口的功能實現，所以開發關鍵就是這兩個接口的實現。考慮到智能建筑的各個子系統的設備不一致，而不同的設備都有自己不同的數據信息采集模式及其控制網絡技術形式，因此要想真正實現 OPC 服務器的硬件通信接口功能，必須調用各個子系統的硬件設備所使用的通信協議以及通信協議編寫的I/O DLL，這也是OPC服務器設計的關鍵所在。同時OPC服務器還需要實現對其所讀取的硬件設備的數據進行OPC封裝的功能，然后傳遞數據。

總結來說，智能建筑的設備多樣，而不同設備所連接的的子網系統和所使用的通信協議各不相同，所以系統需要使用OPC服務器和接口標準來實現集中管理平臺與各個子系統之間的數據共享與聯動控制。將子系統列為下層現場設備，平等地進行集成控制，所有設備的實時數據和運行狀態都借助OPC標準接口的功能轉換成統一的格式，方便客戶端調用。這樣一來，各個子系統全部以相同等級的身份利用OPC服務器實現集中管理和系統集成功能，中央管理平臺通過核心的調度軟件實現對各個子系統的統一管理和控制過程。

7 結論

當前智能建筑在我國的發展越來越快速，很多地區都出現智能建筑類似的口號，尤其是對于居住住宅。本次研究主要是論述了智能建筑中的智能電氣設備系統，然后討論了智能化建筑物控制系統各主要設備的重點技術，并分別論述了智能照明控制系統和其他智能化控制系統的設計，最后提出這些系統的集成化應用。未來隨著5G技術的發展，智能建筑的智能化控制系統將進一步發展，實現更多的功能。

參考文獻：

[1] 佚名.建筑智能化[J].北方建筑，2021，06（05）：55.

[2] 郝赫.現代建筑工程中的智能建筑技術應用研究[J].智能建筑與智慧城市，2021（10）：146-147.

[3] 陳輝.智能建筑與電氣自動化的設計研究[J].智能城市，2021，07（18）：25-26.

[4] 黃根，劉小威，李正飛，等.自動化控制技術在建筑智能化中的有效應用[J].磚瓦，2021（08）：98-99.

[5] 梁良.智能建筑電氣設計存在的問題及優化策略[J].智能城市，2021，07（13）：52-53.

[6] 曾遠輝.淺談電氣自動化技術在智能建筑中的應用[J].房地產世界，2021（13）：93-95.

[7] 高建濤，黃開宏，王建立.建筑機電系統優化咨詢及機電一體化系統探討[J].智能建筑電氣技術，2021，15 （03）：69-72.

[8] 薛英杰.基于智能建筑理念的建筑電氣智能化設計研究[J].綠色環保建材，2021（04）：71-72.

[9] 鄭一鑫.建筑智能化系統集成設計和應用[J].新型工業化，2021，11（02）：24-25，29.

[10] 張雷，蔡智明，邱豐.智能建筑電氣控制技術的設計與應用研究[A].中冶建筑研究總院有限公司.2020年工業建筑學術交流會論文集（中冊）[C].中冶建筑研究總院有限公司：工業建筑雜志社，2020：5.

[11] 張志成.電氣工程及其自動化技術在智能建筑中的應用分析與探討[J].商品與質量，2020（18）：120.