建筑設備一體化監控系統的設計與探討

唐霖 張艷

杭州中聯筑境建筑設計有限公司 浙江 杭州 310000

引言

隨著信息技術的發展，建筑電氣的智能化程度越來越高，建筑電氣中各類子系統數量逐年增加，對建筑電氣設計、施工和運維的要求也越來越高。傳統建筑設備系統強電和弱電界面獨立，建筑內各子系統各自為政，造成施工復雜，造價高，調試難度高等問題。建筑設備一體化監控系統能夠簡化設計，方便施工，節約投資，在建筑投入使用后便于運維管理。

1 建筑設備一體化監控系統

建筑設備一體化監控系統是指將計算機技術、網絡技術、現代控制技術、配電技術整合為一體，并在同一平臺下實現對建筑內各類機電設備監控的系統。系統具有建筑設備監控、電力監控、照明控制、剩余電流檢測、用能計量、建筑環境檢測、能效管理等功能。

建筑設備一體化監控系統由通信網絡、服務器及操作站、一體化控制箱（柜）、總線（控制）模塊、傳感器、軟件算法等組成，基于以太網、物聯網控制系統平臺，采用分布式、網絡化架構，以集中管理、分散控制為原則，將建筑內若干智能

一體化控制設備以及現場的傳感器、執行器等元件通過通信網絡連接在一起統籌運行，實現整體設備強弱電管控一體化，并達成各項控制目標。

1.1 通信網絡

通信網絡采用通信管理層和現場控制層兩層網絡結構，通信管理層建立在TCP/IP以太網基礎上，以太網承載一體化控制箱（柜）、網關等設備的接入；現場控制層采用復合總線技術實現傳感器、控制 模塊與一體化控制箱（柜）的通信。其系統網絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲圖

1.2 服務器/操作站

服務器用于接收、處理、存儲系統數據，存儲用戶定義數據的應用信息結構，生成報警和事件記錄，并為操作站提供數據訪問；操作站通過通信管理層對建筑設備系統進行監控，實現整個系統實時監測、經濟運行、能耗管理和運維管理等功能[1]。

1.3 一體化控制箱（柜）

一體化控制箱（柜）是集配電、控制、保護、設備環境監控、節能、計量、安全報警、通信為一體的智能一體化成套控制設備，可實現建筑物內的照明、空調、送/排風機、循環水泵、補水泵，新風、空調機、空調熱泵機組以及室外路燈、景觀照明燈等設備的控制并進行電能數據、狀態監測等功能。一體化控制箱（柜）是監控系統的核心，具有信息接收及處理功能，可對建筑設備就地自動控制，同時可接收服務器和操作站的統一管理信息，實現建筑設備的統籌運行。一體化控制箱（柜）采用模塊化組件，在工廠內一次制作成型，實現統一的精細化、標準化生產，從源頭上提高了系統的穩定性。

1.4 總線（控制）模塊

總線（控制）模塊將一體化控制箱（柜）發出的控制信號轉換為末端執行設備的動作信號，并裝飾末端傳感器的輸出信號轉換為總線標準信號傳輸到一體化控制箱（柜）。

2 傳統建筑設備監控系統現狀

傳統概念的建筑設備監控系統對以下子系統進行設備運行和建筑能耗的監測與控制，包括：冷熱源系統、空調及通風系統、給水排水系統、供配電系統、照明系統、電梯和自動扶梯系統，多個系統相互交叉，而且每個系統單獨設計，單獨實施，最后在工地上將各個部件連接起來，最終形成能夠完成各系統功能要求的監控系統。

按照國家標準要求，設計總包單位一般只做了監控點表和DDC控制箱的主干路由設計，具體的施工圖設計待弱電系統招標、定標之后，由中標施工單位進行。由施工單位進行的深化設計在造價確定、施工單位確定的情況下，一定是以其施工經濟利益最大化為目標的深化設計，監控的基本功能根本無法保證。這種左手設計、右手施工的結果是：設計為結算，施工為掙錢，圖紙一套實施一套，竣工圖甚至與工程無關。多專業的交叉配合以及各自系統的專業性要求，使得工程中很難完全滿足設計方案的要求，工程實施上很難實現無縫、無沖突的融合，后期使用過程中更是對運維人員的專業性有了極高要求，使建筑設備監控系統難以良好地運轉起來。

20多年來，我國修建了數以萬計的高樓大廈，許多大樓的BA系統運行情況并不理想，根據抽樣調查數據顯示，設備監控系統能起到基本監控功能的比例不到25%，能進一步實現節能、達成維護管理方便的更是寥寥無幾[2]。

3 建筑設備一體化監控系統的優勢

建筑設備一體化監控系統針對目前工程實際存在的上述問題，通過標準化和模塊化設計，可以實現對建筑內機電設備的供電、控制、監測的整體一化設計和施工，從根源上確保系統的穩定性，有效提高施工效率和工程質量。其優勢總體來說有以下3點。

3.1 管理通信網絡

傳統的建筑設備監控系統多采用專用網絡自行布線的控制總線拓撲結構，控制設備和軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統維護和升級帶來不便。建筑設備一體化監控系統采用的TCP/IP以太網技術經過數十年的發展，具有高傳輸速率，高傳輸安全性和可靠性，幾乎不需考慮網絡的拓撲結構，其集線器的應用可不考慮網絡的擴展，集線器技術確保了數據傳輸的確定性，是目前所實現的最成功的網絡，已經成為網絡上進行數據傳輸的事實標準。相比控制總線網絡，TCP/IP以太網作為管理通信網絡是至今最理想的選擇。

3.2 一體化控制箱（柜）的標準化和模塊化

一體化控制箱（柜）配置有標準電氣接口和數字通信接口，可以獨立運行控制算法，其控制程序具有可編輯性，可以實現機電設備的供電、保護、計量，并監控設備的各種狀態。同時對箱（柜）本身的主要電氣元件狀態數據進行監控，為后期電力負荷控制提供了硬件基礎。與傳統非標箱柜相比，一體化箱（柜）采用標準化設計制造，由一體化設備廠家在工廠裝配調試完成，一改過去由多個施工單位在現場通過協調配合，將配電設備、控制設備、節能控制元件、計量設備、通信設備等多種設備進行裝配、調試的復雜的現場施工方法，其設備本身的質量和穩定性得到了極大保證，也為監控系統整體的可靠性夯實了基礎；其次，標準化的箱柜結構，也為加快現場施工進度和后期運營維護提供了極大便利。

3.3 現場復合總線技術

傳統的BA系統一般采用工業總線技術，工業總線技術僅僅解決了總線節點設備間的通信問題，總線所帶設備及其所連接負載設備的供電問題則需要另行考慮，對設計和施工而言均加大了工作量，增加了投資。現場復合總線技術能夠同時解決了通信和供電問題，能減少控制系統的配管、配線工程量，并能有效地解決工程中抗共模干擾問題，在工程設計、施工、運維和控制系統的整體性能方面具有一般工業總線所不具備的突出優勢。

3.4 主動負荷控制調度技術

主動負荷控制是電力行業經典和古老的手段，是用于解決峰谷平衡的理想手段。由于傳統的設備和系統難以很好地實現該功能，這項手段僅實施于缺電區域的人工調峰控制，隨著城市對電力的依賴的增強，這項技術很難被實際所采用。由于實現起來太困難，且沒有標準的可遵循的控制系統，城市的電力供應只能以大馬拉小車的唯一供應方式運行，多余的電力在采用人為辦法給浪費消耗掉，因此很多地方設置抽水蓄能、地下蓄熱等工程都是為了這一目的。

建筑設備一體化監控系統可以實現電力負荷的主動控制高度。在配電側，設置在配電室的DAS系統會主動發布配電系統的負荷狀態，在用電側，每個一體化控制柜能夠偵聽這一狀態，并根據自身的狀態進行主動調整負荷。我們將設備對電力的需求設為0～5共6個級別，數字越大，代表用電需求越強烈，以此來作為評判對能源的需求強度。在調節時，根據總負荷率自動調整設備自身（微觀）的這個數字級別即可實現宏觀需要的主動符合控制功能。智能一體化控制設備內部都內置了該項功能和算法，只需要控制程序調用該項功能即可[3]。

4 建筑設備一體化監控系統的展望

除了上述的優點外，根據平時項目設計過程中的一些體會，筆者認為建筑設備一體化監控系統還可進一步擴展。

目前建筑電氣系統中包含電氣火災監控系統、消防電源監控系統、防雷監控系統等各種子系統，各子系統相互獨立，各成網絡，復雜了設計，增加了造價。而究其原理，實際上是對供配電系統設備本身各種電參量狀態的監控，是針對傳統配電箱（柜）無法自行提供實時電氣數據而額外施加的監控措施。一體化控制箱（柜）本身均可提供這些系統所需的實時電氣數據，通過加強通信管理網絡和一體化控制箱（柜）的消防可靠性，保證火災時的性能需求，這些子系統均可以集成在建筑設備一體化監控系統內，化零為整，在設計上簡化了建筑電氣系統構成，在施工上更簡便，在后期維護上更方便，對工程本身而言也節省了造價。

傳統的運維往往都是在電氣系統出現異常狀況后，再組織人員進行排查，確定故障點，然后停電進行維修更換工作，費時費力，意外的停電事故或者電氣事故還可能對用戶造成經濟損失。一體化箱柜構成的供配電系統，實現了電氣設備的物聯網，電氣設備的使用情況和狀態都能得到有效記錄。基于平時采集的各項運行數據，我們可以實現運營維護的主動化。對于故障點，監控系統可以迅速準確的定位，減少排查的工作量。再進一步，監控系統還可對主要電氣元器件的運行數據分析，主動預測電氣元器件的使用壽命，在其完全失效或發生故障前，提前進行更換。這即能減輕運營維護的工作量，又能預防電氣設備失效導致的電氣災害，還可提高供配電系統的可靠性，一舉數得[4]。

5 結束語

節能減排和低碳運營已經成為當社會自覺和強制的意識形態，建筑設備的智能化和綠色化也成為新的發展趨勢。建筑設備一體化監控系統是實現智能建筑不可或缺的技術手段，作為我國下一代的建筑電氣系統形態有著廣闊的應用前景和良好的社會經濟效益，將成為智慧城市和未來建筑電氣系統設計的核心內容之一。