建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設計與探討

唐霖 張艷

杭州中聯(lián)筑境建筑設計有限公司 浙江 杭州 310000

引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)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(tǒng)數(shù)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(tǒng)建筑設備系統(tǒng)強電和弱電界面獨立，建筑內(nèi)各子系統(tǒng)各自為政，造成施工復雜，造價高，調(diào)試難度高等問題。建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)能夠簡化設計，方便施工，節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)

建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)是指將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、配電技術(shù)整合為一體，并在同一平臺下實現(xiàn)對建筑內(nèi)各類機電設備監(jiān)控的系統(tǒng)。系統(tǒng)具有建筑設備監(jiān)控、電力監(jiān)控、照明控制、剩余電流檢測、用能計量、建筑環(huán)境檢測、能效管理等功能。

建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)由通信網(wǎng)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(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)平臺，采用分布式、網(wǎng)絡化架構(gòu)，以集中管理、分散控制為原則，將建筑內(nèi)若干智能

一體化控制設備以及現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器等元件通過通信網(wǎng)絡連接在一起統(tǒng)籌運行，實現(xiàn)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(wǎng)絡

通信網(wǎng)絡采用通信管理層和現(xiàn)場控制層兩層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，通信管理層建立在TCP/IP以太網(wǎng)基礎上，以太網(wǎng)承載一體化控制箱（柜）、網(wǎng)關(guān)等設備的接入；現(xiàn)場控制層采用復合總線技術(shù)實現(xiàn)傳感器、控制 模塊與一體化控制箱（柜）的通信。其系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)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(tǒng)數(shù)據(jù)，存儲用戶定義數(shù)據(jù)的應用信息結(jié)構(gòu)，生成報警和事件記錄，并為操作站提供數(shù)據(jù)訪問；操作站通過通信管理層對建筑設備系統(tǒng)進行監(jiān)控，實現(xiàn)整個系統(tǒng)實時監(jiān)測、經(jīng)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(huán)境監(jiān)控、節(jié)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(xiàn)建筑物內(nèi)的照明、空調(diào)、送/排風機、循環(huán)水泵、補水泵，新風、空調(diào)機、空調(diào)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(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測等功能。一體化控制箱（柜）是監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)一管理信息，實現(xiàn)建筑設備的統(tǒng)籌運行。一體化控制箱（柜）采用模塊化組件，在工廠內(nèi)一次制作成型，實現(xiàn)統(tǒng)一的精細化、標準化生產(chǎn)，從源頭上提高了系統(tǒng)的穩(wěn)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(fā)出的控制信號轉(zhuǎn)換為末端執(zhí)行設備的動作信號，并裝飾末端傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換為總線標準信號傳輸?shù)揭惑w化控制箱（柜）。

2 傳統(tǒng)建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)概念的建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)對以下子系統(tǒng)進行設備運行和建筑能耗的監(jiān)測與控制，包括：冷熱源系統(tǒng)、空調(diào)及通風系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯和自動扶梯系統(tǒng)，多個系統(tǒng)相互交叉，而且每個系統(tǒng)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(tǒng)功能要求的監(jiān)控系統(tǒng)。

按照國家標準要求，設計總包單位一般只做了監(jiān)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(tǒng)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(jīng)濟利益最大化為目標的深化設計，監(jiān)控的基本功能根本無法保證。這種左手設計、右手施工的結(jié)果是：設計為結(jié)算，施工為掙錢，圖紙一套實施一套，竣工圖甚至與工程無關(guān)。多專業(yè)的交叉配合以及各自系統(tǒng)的專業(yè)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(xiàn)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(yè)性有了極高要求，使建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)難以良好地運轉(zhuǎn)起來。

20多年來，我國修建了數(shù)以萬計的高樓大廈，許多大樓的BA系統(tǒng)運行情況并不理想，根據(jù)抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，設備監(jiān)控系統(tǒng)能起到基本監(jiān)控功能的比例不到25%，能進一步實現(xiàn)節(jié)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(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢

建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)對建筑內(nèi)機電設備的供電、控制、監(jiān)測的整體一化設計和施工，從根源上確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效提高施工效率和工程質(zhì)量。其優(yōu)勢總體來說有以下3點。

3.1 管理通信網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)多采用專用網(wǎng)絡自行布線的控制總線拓撲結(jié)構(gòu)，控制設備和軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統(tǒng)維護和升級帶來不便。建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用的TCP/IP以太網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)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(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)，其集線器的應用可不考慮網(wǎng)絡的擴展，集線器技術(shù)確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性，是目前所實現(xiàn)的最成功的網(wǎng)絡，已經(jīng)成為網(wǎng)絡上進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖聦崢藴?。相比控制總線網(wǎng)絡，TCP/IP以太網(wǎng)作為管理通信網(wǎng)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(shù)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(xiàn)機電設備的供電、保護、計量，并監(jiān)控設備的各種狀態(tài)。同時對箱（柜）本身的主要電氣元件狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，為后期電力負荷控制提供了硬件基礎。與傳統(tǒng)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(diào)試完成，一改過去由多個施工單位在現(xiàn)場通過協(xié)調(diào)配合，將配電設備、控制設備、節(jié)能控制元件、計量設備、通信設備等多種設備進行裝配、調(diào)試的復雜的現(xiàn)場施工方法，其設備本身的質(zhì)量和穩(wěn)定性得到了極大保證，也為監(jiān)控系統(tǒng)整體的可靠性夯實了基礎；其次，標準化的箱柜結(jié)構(gòu)，也為加快現(xiàn)場施工進度和后期運營維護提供了極大便利。

3.3 現(xiàn)場復合總線技術(shù)

傳統(tǒng)的BA系統(tǒng)一般采用工業(yè)總線技術(shù)，工業(yè)總線技術(shù)僅僅解決了總線節(jié)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?，F(xiàn)場復合總線技術(shù)能夠同時解決了通信和供電問題，能減少控制系統(tǒng)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(tǒng)的整體性能方面具有一般工業(yè)總線所不具備的突出優(yōu)勢。

3.4 主動負荷控制調(diào)度技術(shù)

主動負荷控制是電力行業(yè)經(jīng)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(tǒng)的設備和系統(tǒng)難以很好地實現(xiàn)該功能，這項手段僅實施于缺電區(qū)域的人工調(diào)峰控制，隨著城市對電力的依賴的增強，這項技術(shù)很難被實際所采用。由于實現(xiàn)起來太困難，且沒有標準的可遵循的控制系統(tǒng)，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(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)電力負荷的主動控制高度。在配電側(cè)，設置在配電室的DAS系統(tǒng)會主動發(fā)布配電系統(tǒng)的負荷狀態(tài)，在用電側(cè)，每個一體化控制柜能夠偵聽這一狀態(tài)，并根據(jù)自身的狀態(tài)進行主動調(diào)整負荷。我們將設備對電力的需求設為0～5共6個級別，數(shù)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(diào)節(jié)時，根據(jù)總負荷率自動調(diào)整設備自身（微觀）的這個數(shù)字級別即可實現(xiàn)宏觀需要的主動符合控制功能。智能一體化控制設備內(nèi)部都內(nèi)置了該項功能和算法，只需要控制程序調(diào)用該項功能即可[3]。

4 建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)的展望

除了上述的優(yōu)點外，根據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)還可進一步擴展。

目前建筑電氣系統(tǒng)中包含電氣火災監(jiān)控系統(tǒng)、消防電源監(jiān)控系統(tǒng)、防雷監(jiān)控系統(tǒng)等各種子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互獨立，各成網(wǎng)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(tǒng)設備本身各種電參量狀態(tài)的監(jiān)控，是針對傳統(tǒng)配電箱（柜）無法自行提供實時電氣數(shù)據(jù)而額外施加的監(jiān)控措施。一體化控制箱（柜）本身均可提供這些系統(tǒng)所需的實時電氣數(shù)據(jù)，通過加強通信管理網(wǎng)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(tǒng)均可以集成在建筑設備一體化監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，化零為整，在設計上簡化了建筑電氣系統(tǒng)構(gòu)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(jié)省了造價。

傳統(tǒng)的運維往往都是在電氣系統(tǒng)出現(xiàn)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(jīng)濟損失。一體化箱柜構(gòu)成的供配電系統(tǒng)，實現(xiàn)了電氣設備的物聯(lián)網(wǎng)，電氣設備的使用情況和狀態(tài)都能得到有效記錄?；谄綍r采集的各項運行數(shù)據(jù)，我們可以實現(xiàn)運營維護的主動化。對于故障點，監(jiān)控系統(tǒng)可以迅速準確的定位，減少排查的工作量。再進一步，監(jiān)控系統(tǒng)還可對主要電氣元器件的運行數(shù)據(jù)分析，主動預測電氣元器件的使用壽命，在其完全失效或發(fā)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(tǒng)的可靠性，一舉數(shù)得[4]。

5 結(jié)束語

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