智能建筑设备系统集成的设计研究

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

摘要：本文介绍了智能楼宇设备系统的组成，总结了智能建筑设备系统集成的设计方案、组成和实现。介绍了系统采用标准开放的交互操作系统，控制并集成空调、冷冻站、换热站、照明、给排水、消防、高低压配电、车库、巡更门禁等智能楼宇系统的方法。

　　关键词：智能 楼宇 设备 控制 系统 集成

　　1、前言

　　智能建筑属大系统工程范畴，一般来说，大系统的特点在于：多目标、高维数、关联性、分散性、不确定性和主动性。其中不确定性包括随机性、模糊性与发展性等；主动性则表现在因人参与后导致系统特征的变化。智能楼宇是采用系统集成方法将计算机技术、通信技术、信息技术与建筑艺术有机结合在一起，通过对建筑设备的自动监控、对建筑内信息资源的管理和对使用者的信息服务，以及将设备监控技术、资源管理和信息服务与建筑要求优化组合，建立一个投资合理、适应信息社会需要并且具有安全、高效、舒适、便利与灵活特点的建筑物。

　　2、系统总体设计思想

　　系统集成大体上可以归纳为两个方面的内容：设备的集成和信息的集成。所谓设备集成是指通过相似或兼容的技术实现不同系统在同一技术平台上实现，从而达到减少设备投入，简化施工，减少维护的目的，比如综合布线、LONWORKS现场总线、BACnet等技术均可实现多个系统共用一个通讯平台。所谓信息集成是指不同系统之间往往需要交换信息，或需要综合多个系统提供的信息做出判断，这就要求不同系统之间的信息能够共享。尽管学术界提出"一体化集成"的说法，但在工程实践中，由于技术条件和成本的限制，一般还是根据具体情况实施多种集成方案，以合理满足用户的需求。

　　2.1系统组成

　　整个控制系统由就地计算机控制系统、中央操作站和现场显示触摸屏三个部分构成，其中就地计算机控制系统称为下位机，中央操作站称和现场显示触摸屏为上位机。下位机采用直接数字控制器（DDC），上位机采用基于Windows2000Pro操作系统。就地计算机控制系统和中央操作站一起组成了完善的DCS集散控制系统。整个系统包括12个子系统，分别是：中央空调、冷站、换热站、给水系统、排水系统、照明、高压配电、低压配电、消防、巡更安防、车库通风、可燃气体防护。

　　2.1.1就地计算机控制系统

　　就地计算机控制系统控制现场设备，同时完成对各种接入传感器的数据采集，然后通过通讯口向上位机传输所采集的模拟量、设备运行状态等重要运行数据。另外，当设备运行出现异常时，DDC负责记录报警信息，包括报警对象、报警时间、报警点的值、恢复正常的时间等，并向上位机传送报警信息。概括的说，就地计算机是整个控制系统中真正对设备直接控制的关键部分。

　　2.1.2中央操作站

　　中央操作站通过专门的工业通讯网络与就地计算机一起构成完整的集散控制系统（DCS），一方面，它接收来自DDC发送的实时数据，利用自身的计算处理能力，对采集来的数据进行统计处理，形成完善的历史曲线、报警记录等统计数据，并提供诸如报表打印等一系列管理功能；另一方面，通过上位机可以完成所有下位机系统的远程参数整定（RemoteSetting）、控制功能选择、设备远程操作（RemoteOperate）等工作，起到一个总管理者的作用。

　　中央操作站用完全图形化的界面直观地显示各下位机全部运行参数，如图1所示，在此基础上加以处理、记录。本系统软件建立在可靠的Windows2000Pro中文平台上，且内核完全中文化，非常易于学习使用。

　　在中央操作站可对现场控制器（DDC）进行远程监控，它们之间利用符合工业标准的现场总线网络系统进行数据交换，具有高速、可靠、可扩充性好的特点。

　　2.1.3数据交换的实现

　　在中央操作站和DDC通讯时，使用主从方式，中央操作站作为Master发送指令给DDC，DDC作为Slave处于被动状态，被传送的一组数据成为“帧”。触摸屏发送的帧的结构，如表1所示。

　　传送帧的格式表1：

@　 LenL　 LenH　 NodeNum　 CodeNum　 Data…　 ChkSum　 $　 起始符数据长度节点号命令码传送的数据校验和终止符　

　　本协议每一个数据都是以无符号的8位数据传送，每次只能传送0~255之间的数，如果大于255就要将其分解传送，先传送低位，再传送高位，传送结束后再还原；如果是字符，则传送字符的ASCII码的值。其中，‘@’作为通讯的起始符，表示传送一组数据的开始；LenL表示传送数据长度的低8位，LenH是高8位。NodeNum是节点号，当中央操作站和多个DDC相联时，用来标识DDC；CodeNum表示命令码，用来判断是向DDC读或写数据；Data是要传送的数据；ChkSum是校验和，计算方法是从NodeNum开始累加到ChkSum前一个字节为止，在累加过程中，如果溢出将溢出部分丢弃。‘$’是通讯的终止符，表示传送一组数据结束。

　　其中，ChkSum（校验和）是为了提高通讯的可靠性而设置的，它被安排在终止符的前面，以检查传送的数据是否正确。每次接收到一帧，计算校验和，若与帧中的校验和不相等，就认为本次帧传送错误，数据舍弃不用。

　　2.1.4通信方式

　　数据在通信线路上传输有方向性，按照数据在某一时间传输的方向，线路通信方式可以分为单工通信、半双工和全双工通信方式。系统采用485总线通信，因此线路通信方式为半双工方式。传输速率是指单位时间内传输的信息量，它是衡量系统传输的主要指标。调制速率是脉冲信号在经过调制后的传输速率。信号在调制过程中，单位时间内调制信号波形变化次数，也就是单位时间内能调制的调制次数，其单位是波特（Baud）。调制速率和数据信号速率在传输的调制信号是二态串行传输时，两者的速率在数值上是相同的，否则就不一样。

　　3、设计功能详述

　　3.1各系统的构成及功用

　　整个系统分为12个子系统，分别是：中央空调、冷站、换热站、给水系统、排水系统、照明、高压配电、低压配电、火灾自动报警及消防联动控制系统、巡更安防、车库通风。各系统的构成及功用如表2所示。

　　各系统的构成及功用表2：

系统名称　 监视对象　 控制内容　 中央空调智能系统　 空调机组的送风机、回风机和相应的电动调节阀（包括加热、加湿、制冷和风门执行器）　 1. 根据房间的平均温湿度与设定的温湿度对比后根据以PID算法为基础控制模型计算后自动控制电动调节制冷阀、加热阀与加湿阀的开度。
2. 联动控制3. 保护控制　 冷冻站智能系统　 1.（冷）交换器、换热水泵
2. 换热水泵的运行状态和故障、蒸汽压力与流量、蒸汽供汽/凝水温度、热水进水/出水温度、一次/二次冷水进水/出水温度、蒸汽/冷水调节阀温度、换热泵的电流信号等。　 根据要求启停冷水机组、冷却泵、冷冻泵、电动蝶阀、冷却塔风扇；冷水机组台数控制、冷冻水压差控制、冷却水温控制、定压水罐压力控制、补水箱液位控制　 换热站智能系统　 对楼内空调机组、冷水机组、排烟风机、照明、变配电、新风机组及大厅喷泉水幕系统等实施自动化节能控制及设备运行状态监视　 1.冬季模式下，通过调节模拟热水出水温度的旋钮来控制蒸汽调节阀的开度（PI调节）
2.夏季模式下，通过调节模拟二次侧冷水出水温度的旋钮来控制一次侧冷水调节阀的开度（PI调节）　 生活给水排水智能系统　 1. 生活泵、加压泵、变频器、中区/高区水箱水位、蓄水池
2. 排水泵、排污泵、积水坑/污水坑水位　 1.水位控制生活泵的启停、根据加压泵总管出口压力自动调节变频器的变化、控制大楼的蓄水池自动启停水泵
2. 积水坑/污水坑水位高于启泵水位时自动启动排水泵、排污泵，水位低于停泵水位时自动停排水泵、排污泵；积水坑/污水坑水位高于报警水位时，启动备用泵　 照明智能系统　 1. 大厅、车库、东西区走道的照明、办公、障碍照明、建筑物立面照明　 1. 根据照度控制或者由个人自行远程集中控制
2. 实现以周为单位预设定实现定时控制　 高低压配电智能系统　 1. 高低压配电柜、变压器
2. 电压、电流、功率因数、变压器、有/无功功率、断路器的状态　 1.变压器温度超限报警
2.断路器动作报警
3.自动计算有功功率、无功功率　 车库通风智能系统　 1. 送风机、排风机的运行状态、二氧化碳的浓度、车位的状态　 1.据测得二氧化碳的浓度与系统设定值比较，启停送风机与排风机
2.自动判断车位的有无　 巡更安防智能系统　 1. 更点、微波移动检测器、线缆周界检测器、玻璃破碎检测器
2. 按照预先的设定线路检测各个巡更点的状态　 1. 指定巡更路线和每巡更段完成的最长时间来检测巡更人员的工作状态，对他们的巡更情况进行监督、记录，并能对意外情况报警和及时的处理。
2. 巡更超时报警、巡更暂停报警、各个检测点报警　 建筑消防智能系统　 1.温感器、感烟器、消防水泵、喷淋泵、定压泵、火灾广播、疏散照明、正压风机、排烟风机　 1. 准确探测产生火灾的警情并及时报警
2. 在确认火灾发生后，可实施人工或自动灭火及阻隔火灾的控制　

　　以上弱电子系统在整栋建筑物内担负着各自不同的功能，各系统的功能既相互关联又相互独立，如何利用现代网络技术和高效可靠的网络操作平台实现相关功能子系统的互连、资源共享及信息交换，是保证本建筑内整个弱电系统能充分发挥其功能的核心问题。

　　3.2集成系统的操作平台

　　本系统采用重庆太和空调自控有限公司开发的大型建筑弱电系统集成软件作为系统集成软件操作平台，是为完成智能建筑领域的控制集成和信息集成而开发设计的系统集成产品，通过系统内嵌的数据平台与应用集成平台，达到所有子系统间高效、可靠的信息交换，从而为智能大厦与智能小区提供灵活的解决方案，解决当前智能建筑系统集成过程中广泛存在的问题。系统内部建有智能建筑各常用弱电子系统的标准控制模板，调试人员可根据工程项目的实际需要，灵活方便的裁剪出满足设计要求的各子系统操作界面，完成对智能建筑功能子系统的集成，使现场调试人员无需编程，便可完成工程组态和调试，最终呈现给用户满意的功能和界面

　　系统主要特点如下：

　　（1）采用Internet时代的B/S三层体系架构；

　　（2）支持局域网和广域网的远程监控和维护；

　　（3）内嵌实时数据库保障子系统间数据交互；

　　（4）灵活的用户权限管理，完善的安全保障机制，提供多级权限管理；

　　（5）综合各个控制子系统的历史和当前状态信息，提供相关报告；

　　（6）系统内优化和联动控制，提供实时的系统间联动功能；

　　（7）支持已开发工程及子系统的直接复用；

　　（8）支持LONWORKS现场总线；

　　（9）能够支持第三方应用系统的集成，同时能够被第三方系统集成。

　　4、系统集成中决策支持系统需要解决的问题

　　集成后的系统往往很庞大，这个庞大的系统的复杂性并不是其组成的各个子系统的复杂程度的简单代数和，往往是各个子系统复杂程度之和的几十倍甚至数百倍，而我们常常面临着这样的大系统中的组织管理、协调、规划、预测和控制等重大决策问题。这些问题的特点表现在层次结构上越来越复杂，空间活动的规模上越来越大，时间尺度上越来越快，后果和影响上越来越广泛和深远。

　　系统的复杂性和因素的模糊性，给系统带来了新的问题，如：

　　4.1知识获取的不完全性

　　由于受认知过程的复杂性和认识水平的制约，此时人们获得的数据往往是不精确的，即有所了解，但不全面；有所掌握，但不肯定；有所估计，但不确切。

　　4.2推理规则的过于经验化

　　此时，决策所需的规则往往是经验式的。规则的前件或后件所包含的概念外延不清晰。用精确数学模型已经不能较好的描述这些大量存在的模糊概念了。

　　4.3约束指标的不确定性

　　决策约束指标可能不是定量的指标，往往是类似如“较大”、“很高”、“非常快”等自然描述语言。

　　5、结束语

　　作为建筑智能化系统集成的应用实例，该系统构建了综合局域网络及现场控制总线网络，通过智能建筑专用软件平台，良好的实现了各相关功能子系统的互连、信息交换及资源共享，并为日常管理提供了先进的智能化管理手段。

　　参考文献：

　　1、胡崇岳主编。智能建筑自动化技术机械工业出版社，1999.6

　　2、徐应声智能建筑系统集成化技术。建筑学宝，1992