智能建筑中的樓宇自動化設計及其應用

李延朋 LI Yan-peng；李炳坤 LI Bing-kun；張鑫偉 ZHANG Xin-wei；李欣然 LI Xin-ran；李凱 LI Kai；劉陽 LIU Yang；唐亮亮 TANG Liang-liang；王光輝 WANG Guang-hui

（中國建筑第五工程局有限公司，鄭州 450000）

0 引言

相比傳統建筑，智能建筑更能滿足當今人們對居住環境的需求，并且其在各種功能設計上也引入了更多智慧化的技術。1984年美國建成了第一幢智能建筑，而我國直至上世紀末才開始建設，但我國在此方面發展迅猛，未來智能建筑仍有巨大的市場。樓宇自動化是一種通過計算機指令控制整個建筑中所有功能系統的控制系統，其可以對建筑中的水、電、照明等設備進行管理，使其可以自動化的完成相應的工作，進而提高建筑管理水平，減少運營成本，為住戶提供更好的生活環境。

1 智能建筑中的樓宇自動化設計

1.1 設計原理

作為提高建筑智能化的關鍵，樓宇自動化的設計原理應當科學、合理，使樓宇內各種設備在均能正常運轉的同時，盡可能的降低運營費用，實現建筑內部設備與建筑的全面監控與管理。樓宇自動化包括涉及建筑內水、電、照明、暖氣供應，以及建筑管理的電梯、安保等系統，樓宇自動化的設計原理是通過將各個子系統集成為一個涵蓋樓宇所有電氣設備的完整系統，通過現代化的監控技術獲取自系統運行的信息，了解其即將發生或者已經發生的安全隱患問題，并在總系統中針對其問題發出警報，使控制室能向現場設備或有關工作人員發出控制指令，使意外發生時能盡快疏散建筑人員，進而保證住戶生命財產安全[1]。此外，樓宇自動化設計在進行機電設備一體化管理的同時，也應通過對子系統的監控減少設備故障的產生，同時優化設備運行的方案，例如，在空調與通風監控系統中，建筑空調在運行時會消耗大量的能源，但在樓宇自動化管理下，系統可根據建筑內部的實際情況，結合國家相關建筑節能環保要求，給出合理的系統運行方案，從而減少電力、水力等資源的消耗，進一步降低運營成本。

1.2 設計思路

在樓宇的自動化設計中，為保證總系統可以全面控制所有的子系統，實現對樓宇所有電氣設備的管理與控制，可利用以太網實現總系統與各子系統的結合，使整個系統形成一個被網絡連接的整體，從而使總系統可以對各子系統進行控制和管理。樓宇自動化系統總體設計思路如圖1所示，由圖可知，設計中通過以太網交換機連接總控臺工作站和樓宇各子系統控制器，并使用傳感器和執行器傳輸信息。利用以太網可將各系統聯系到一起，并基于此進行整體的聯動管理，從而簡化控制過程，使管理人員能輕松、便捷的獲取到所需的樓宇信息[2]。在圖1系統實際使用的過程中，用戶可通過系統的電腦端或手機端獲取樓宇自動控制系統的運行信息，并可以利用系統包含的監控功能，將采集到的信息進行保存和分析，從而使總系統在分析子系統情況時有所依據。這種自動化的系統優勢在于比人工管理響應更快，更有利于建筑的安全運行。

圖1 樓宇自動化系統總體設計思路

1.3 結構設計

樓宇自動化的結構設計應滿足以下要求：第一，建立中央站實現各系統的分類管理；第二，通過中央站實施監控運行狀態，并給出控制指令；第三，保證監控信息的實時訪問與處理；第四，保證整個系統在運行的過程中，可以隨時融入新的功能系統，或移除舊的功能系統。基于此，在樓宇自動化的結構設計中（如圖2所示），根據樓宇中各系統的功能，將其分為三部分，分別是管理層、監控層、現場層，使各模塊間彼此協作，從而完成系統各部分的管控，使整個系統的運行自動化、智能化[3]。其中，管理層為結構頂層，負責處理系統運行中所有問題，主要設備為總控臺計算機，并可通過總控臺的設備對各子系統發布指令要求；監控層為結構中層，負責監控各子系統設備的運行情況，主要設備為BAS監控計算機，可利用控制器發送警報；現場層為結構底層，負責各子系統對應的功能管控，主要設備為各種現場裝置。

圖2 樓宇自動化系統結構設計

2 智能建筑中的樓宇自動化應用

2.1 建筑概況

以某智能建筑的樓宇自動化設計為例，該設計使用IFIX組態軟件，利用其中包含的各種技術，使樓宇自動化設計更為科學、合理，并基于此建立更加安全、可靠的樓宇自動控制體系，使其能為智能建筑及其住戶服務。該智能建筑（簡稱Z建筑）的具體信息如下：該建筑地上共30層，地下共2層，地上部分用于餐飲、娛樂、辦公，地下部分為停車場；建筑所需的樓宇自動化設計內容包括空調系統、給排水系統、照明系統、安防系統、電梯系統，各系統由總控臺進行統一的控制和管理。

2.2 IFIX組態軟件簡介

IFIX組態軟件是一種提供網絡功能和分布式數據管理，并且可以支持各種標準通信協議和主流工控設備的軟件，其可以將需要使用的組件拼裝到一起，在不需要重新編寫程序的情況下，使其提供相應的功能，其主要功能有圖形功能、數據點管理、通信功能、管理功能等。同時，IFIX組態軟件具有可靠性好、周期短和效率高的優點，可以適應不同場景和控制系統的應用要求，在使用時可以通過圖形、表格、實時曲線等展示控制系統的數據，并且能根據已設定的程序，進行數據保存、報警管理等工作。

2.3 基于IFIX的樓宇自動化系統設計

2.3.1 設計要求及目標

樓宇自動化系統系統具有監控信號復雜、異構系統存在等特點，結合A建筑的自動化設計需求，為使最終的設計結構具有更好的可移植性、可擴展性和兼容性，設計基于IFIX的樓宇自動化系統。設計要求包括：①用戶可借助IFIX軟件獲取樓宇中各系統的運行狀態；②用戶能夠通過軟件遠程控制樓宇中系統的運行；③系統可自動生成各種報表信息，用于工作人員檢查和分析樓宇自動化系統運行情況。基于系統的設計要求，進一步確定其設計目標，在設計時應遵循“分散控制、集中管理、數據共享”的原則，確定設計目標為針對所有樓宇中的自動化系統，對其進行監測和控制，進一步提高Z建筑的管理水平，從而減少運維成本，進而達到節約資源的目的。

2.3.2 系統設計

本次設計采取三級集散控制系統結構進行控制，利用現場控制級、監控級、管理級實現單個設備的控制任務、監測管理。現場控制級應與各現場裝置連接，并對其進行控制，應包括過程數據采集、直接數字控制、設備監測和系統測試與判斷、安全操作；監控級應監視各裝置的運行狀態，并針對監測到的異常情況進行報警，應通過操作站實現對操作請求的處理；管理級應負責協調與管理整個系統的運行，使系統的監測、處理能在系統中協同運行，維持系統的穩定性。基于此，設計三級系統結構如圖3所示。

圖3 樓宇自動化設計三級系統結構

2.3.3 設計方案

根據已確定的設計要求、設計目標和系統設計架構，確定設計方案，如圖4所示，通過使用合適不同的現場設備，使整個系統更加完善，并利用計算機實現對其控制和管理。

圖4 系統設計方案

2.3.4 樓宇自動化系統設計

①空調系統。空調系統在樓宇系統中是能耗相對比較大的系統之一，樓宇系統中的大量自動化設備，也使得系統的負荷遠超傳統建筑。基于此，首先進行系統負荷分析，通過建筑內空氣參數調查，可知休閑娛樂區、辦公區、機房等區域的冬夏兩季溫度和濕度均存在差異，根據不同區域的溫濕度特征，確定空調系統的電力測量接線方式如圖5所示。

圖5 空調系統的電力測量接線方式

②給排水系統。給排水系統主要監控主備泵的啟停控制、水泵的故障報警、水泵運行情況、水箱水位監測等，系統通過監控所獲得的數據信息，對設備進行控制和預警。由于系統和設備長期運行可能出現問題，在發生異常或故障時，系統會發出警報信號，使工作人員能盡快處理故障問題。同時，考慮到消防問題，當火災發生時系統可自動啟動消防泵。

③照明系統。照明系統主要負責Z建筑的照明和指示燈的運作，在照明系統的設計中，由于室內照明主要由住戶或使用者控制，因此，主要管理的照明設備為公共照明設備和指示燈，系統利用傳感器等分析當前室內外的光照情況，通過系統管理實現公共照明設備的自動開關和光照度調節，并保持指示燈常亮。

④電梯系統。由于Z建筑樓層較高，必須配置電梯系統，建筑內包含多臺電梯，但在某些時間段，電梯會處于待機狀態。基于此，為實現節能的目標，設計電梯系統與安防系統聯網運行，并設計電梯系統電力測量接線如圖6所示。通過將兩個系統聯網，利用安防系統的監控功能對電梯進行檢測，當電梯長時間無人靠近或使用時，切斷其工作電路，當有人靠近時，使電梯進入待機狀態。

圖6 電梯系統電力測量接線圖

⑤安防系統。安防系統主要作用是使建筑維持一個安全穩定的狀態，本次設計的主要內容是閉路電視監控系統。根據已設計的架構圖，將各種監控設備安裝至相應的位置，使其對Z建筑進行全方位的監控。

2.3.5 系統運行效果

在所有設計完畢后，進行安裝和施工工作，經過幾個月的試運行后，該樓宇自動化系統的運行效果能達到預期的要求和目標，系統可將各子系統結合形成一個整體，并實現統一的管理和監視，各平臺能保持一個穩定的狀態運行，在測試異常狀態時，也能及時作出響應，在第一時間進行設備的自動管理，同時給管理人員發送警報信息。

3 結語

智能建筑是未來建筑發展的趨勢，并且已經取代了一些傳統建筑，為進一步推廣智能建筑的覆蓋，應加強此方面的研究。根據本文中的案例，首先應保證智能建筑中樓宇自動化設計符合建筑自身需求，科學合理的確定設計思路和設計方案，同時明確技術的核心內容，保證硬件方面可以支持系統運行，并設計合適的軟件系統，從而實現智能建筑中樓宇自動化系統的設計與應用，進而為住戶提供更優質的服務。