0 引 言
智能建筑系統(tǒng)是樓宇自控系統(tǒng)(BAS) 、通信自動(dòng)化系統(tǒng)(CAS)和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)(OAS)三者的有機(jī)結(jié)合。樓宇自控系統(tǒng)是一種將建筑物內(nèi)有關(guān)電力、照明、空調(diào)通風(fēng)、給排水、防災(zāi)等電氣設(shè)備進(jìn)行控制和管理的綜合系統(tǒng),是智能建筑的重要組成部分。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展,樓宇自控領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新正以迅猛的勢(shì)頭不斷發(fā)展。樓宇自控系統(tǒng)由獨(dú)立的控制子系統(tǒng)向集中化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的監(jiān)控與管理系統(tǒng)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、過程控制、流程優(yōu)化、運(yùn)行管理和信息化的各項(xiàng)功能。在GB/T50314—2000《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中也指出,智能建筑必須具備智能化系統(tǒng)集成功能,接口應(yīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。也就是說,只有合理選擇專業(yè)化的樓宇自控設(shè)備、系統(tǒng)結(jié)構(gòu),才能真正實(shí)現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)的集成化和信息化。
1 樓宇自控系統(tǒng)
傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物的空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等的控制、操作、監(jiān)視、報(bào)警、記錄、存儲(chǔ)、報(bào)表、管理等功能。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和物業(yè)管理的需求不斷提高,智能建筑樓宇自控系統(tǒng)容納了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、車庫管理系統(tǒng)等,且相互之間具有聯(lián)動(dòng)關(guān)系,功能越來越強(qiáng)大,如圖1所示。
樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則如下:
(1) 分散控制、集中管理。根據(jù)各子系統(tǒng)的設(shè)備分布和控制要求,控制器分散到各子系統(tǒng)的設(shè)備間、樓層或各設(shè)備中,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備分散控制。在智能建筑中設(shè)置中央監(jiān)控室,實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇自控系統(tǒng)的集中科學(xué)管理,為建筑中的用戶提供良好的環(huán)境,為建筑的管理者提供方便的管理手段。
(2) 節(jié)能措施??刂品桨负驮O(shè)備的選用應(yīng)采用節(jié)能技術(shù),充分體現(xiàn)節(jié)能效果,為智能建筑減少能耗,并降低管理成本。
(3) 可靠性和穩(wěn)定性。使樓宇自控系統(tǒng)的安全運(yùn)行有保障。
(4) 適用性。滿足并優(yōu)化各子系統(tǒng)流程的運(yùn)行和管理。
(5) 易操作和易維護(hù)。采用中文信息界面,結(jié)構(gòu)簡單合理,維護(hù)方便。
(6) 兼容性與開放性。系統(tǒng)是軟、硬件一體化的整體,要求具有兼容性和良好的開放性。
(7) 具有較高的性價(jià)比。
2 專業(yè)化體現(xiàn)
(1) 選型的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。在設(shè)備選型時(shí),首先應(yīng)注重系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性,從實(shí)用性和可行性、先進(jìn)性和成熟性、標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化、可管理性和可維護(hù)性等幾個(gè)方面,保證系統(tǒng)滿足智能建筑的規(guī)程規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)要求。在硬件結(jié)構(gòu)、接口技術(shù)、軟件平臺(tái)上采用技術(shù)成熟的產(chǎn)品,且盡可能保持一致。其次要考慮的重要因素是性價(jià)比、靈活性和可擴(kuò)展性、開放性與兼容性,在通信協(xié)議、系統(tǒng)配置、軟件應(yīng)用等方面保證系統(tǒng)的開放性和軟、硬件的及時(shí)升級(jí),以最少的投資獲取最大的效益。理想的設(shè)備選型方法是產(chǎn)品廠家盡可能少,且為遵循同一協(xié)議、同一接口標(biāo)準(zhǔn)、同一軟件平臺(tái)的成熟系統(tǒng)產(chǎn)品。
(2) 網(wǎng)絡(luò)化。樓宇自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)包括設(shè)備層、控制層和管理層。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)具備安全性和開放性。網(wǎng)絡(luò)訪問控制方法應(yīng)具有快速、準(zhǔn)確、可靠和安全的性能。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)要求抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有靈活的可擴(kuò)展性和安全權(quán)限保護(hù)功能。應(yīng)根據(jù)智能建筑的規(guī)模和標(biāo)準(zhǔn),合理構(gòu)建局域網(wǎng)及其與廣域網(wǎng)的連接,并充分利用互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議( TCP / IP)和綜合信息服務(wù)網(wǎng)( ISDN) ,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有多用戶訪問、多控制現(xiàn)場、對(duì)突發(fā)事件快速響應(yīng)、集中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和控制、遠(yuǎn)程瀏覽、遠(yuǎn)程故障診斷與報(bào)警等功能。[nextpage]
目前,樓宇自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有集中式結(jié)構(gòu)、分級(jí)分布式結(jié)構(gòu)和全分布式結(jié)構(gòu),并向分散式結(jié)構(gòu)發(fā)展。集中式結(jié)構(gòu)為單機(jī)系統(tǒng),適合于小系統(tǒng),多選用單片機(jī)、工控機(jī)等,存在于一些已建成的樓宇中。分級(jí)分布式結(jié)構(gòu)適合于大、中型系統(tǒng),各控制器和操作站通過控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信,分散控制、集中管理,目前應(yīng)用較普遍。全分布式結(jié)構(gòu)即現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)( FCS) ,系統(tǒng)中傳感器、執(zhí)行器均為智能節(jié)點(diǎn),智能節(jié)點(diǎn)能訪問控制器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器,既能進(jìn)行控制,又能管理網(wǎng)絡(luò)通信,具有開放性、互換性、全分散性,是樓宇自控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì),目前應(yīng)用非常普遍。
(3) 數(shù)字化。數(shù)字化是指樓宇自控系統(tǒng)之間以及樓宇自控系統(tǒng)與其他信息系統(tǒng)之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接以及圖像、數(shù)據(jù)等信息的信息交換與共享。在系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)上采用現(xiàn)場總線技術(shù),使傳感器(如樓宇自控系統(tǒng)中廣泛使用的溫度、壓力、流量等物理量傳感器,電流、電壓等電量傳感器,紅外探測器等)與執(zhí)行器也同控制器一樣實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信,閥門等配置數(shù)字式接口技術(shù)。這樣,每個(gè)傳感器或執(zhí)行器就是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的IP地址,能夠直接與控制器、操作站通信。
(4) 集成化。樓宇自控系統(tǒng)只有實(shí)現(xiàn)空調(diào)、變配電、照明、電梯、給排水、火災(zāi)報(bào)警、安防等系統(tǒng)的集成,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控,起到協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的功能、提高能源利用的作用。在系統(tǒng)集成方面可采用多種方法,如利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術(shù)、OPC (OLE for Process Control)技術(shù)等。采用的方法應(yīng)具有較好的兼容性(如現(xiàn)場總線LonWorks) ,建立在Internet技術(shù)的基礎(chǔ)上,可支持不同廠家的產(chǎn)品,并在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮系統(tǒng)的集成。美國Honeywell公司的企業(yè)樓宇集成系統(tǒng)EBI( Enterprise Building Integrator)集成化功能較強(qiáng),利用DDE技術(shù)可將火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、數(shù)字影像系統(tǒng)、人員與資產(chǎn)定位系統(tǒng)等與傳統(tǒng)意義上的樓宇自控系統(tǒng)進(jìn)行集成。
(5) 信息化。樓宇自控系統(tǒng)的信息化一方面體現(xiàn)在中央操作站的信息化管理功能上,另一方面體現(xiàn)在與智能樓宇內(nèi)的辦公自動(dòng)化網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)的信息共享上。操作站選用PC機(jī)、打印機(jī)和樓宇自控軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的管理和優(yōu)化,在網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能建筑管理系統(tǒng)( IBMS)的功能。對(duì)收集到的樓宇內(nèi)部資料進(jìn)行分析,將其整理成相關(guān)的信息,使樓宇自控系統(tǒng)設(shè)備信息與火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的信息相互綜合,實(shí)現(xiàn)相關(guān)的物業(yè)管理,如備品備件管理、維護(hù)管理、能源管理、成本預(yù)算管理、設(shè)備計(jì)劃管理、自動(dòng)抄表管理、費(fèi)用計(jì)算管理、人力調(diào)度管理等。
(6) 設(shè)備專用化。樓宇自控系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì),設(shè)備的專用化體現(xiàn)在功能模塊上,如控制器、網(wǎng)絡(luò)模塊、電源模塊、各類I/O模塊等專用功能模塊。目前,控制分站的專用化是一個(gè)趨勢(shì),如邁科智控有限公司的定風(fēng)量控制器、空調(diào)機(jī)控制器、通風(fēng)控制器、變風(fēng)量控制器等,安裝簡單、維護(hù)方便。
(7) 先進(jìn)性。樓宇自控系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性與成熟性是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行、便于擴(kuò)展與升級(jí)的前提。目前,兩大主流技術(shù)是LonWorks和BACnet。
3 系統(tǒng)集成
智能建筑的智能化實(shí)質(zhì)就是集成化,即信息資源和任務(wù)的綜合共享與全局一體化的綜合管理,通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)綜合共享。集成化的技術(shù)核心是建立在系統(tǒng)集成、功能集成、網(wǎng)絡(luò)集成和軟件界面集成的多種技術(shù)集成基礎(chǔ)上的新型技術(shù),以信息集成為目標(biāo)。系統(tǒng)集成的目的是建立一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的監(jiān)控管理平臺(tái),提供一整套采集、處理和在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息、資源和管理服務(wù)的共享,具有簡易和方便的操作界面,且具有向上的開放性和向下的包容能力。[nextpage]
樓宇自控系統(tǒng)的集成方式應(yīng)與智能建筑中的辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、通信自動(dòng)化系統(tǒng)一體化考慮。
基于系統(tǒng)集成的目的和智能建筑的現(xiàn)狀,推薦采用區(qū)域網(wǎng)—子系統(tǒng)集成方式。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由IBMS管理層、系統(tǒng)管理層和設(shè)備層組成。系統(tǒng)中硬件采用通信網(wǎng)關(guān),基于TCP / IP協(xié)議、Windows NT操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與各子系統(tǒng)之間的通信連接,是一個(gè)典型的分布式客戶機(jī)/服務(wù)器(C /S)工作模式,如圖2所示。這種集成方式的軟件體系為集成信息管理,信息交換可通過軟件或硬件完成,傳遞的數(shù)據(jù)格式也是自定義的,并可方便地對(duì)智能建筑綜合管理自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)。
4 工程實(shí)例
深圳大學(xué)城是深圳市培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的基地,具備現(xiàn)代建筑內(nèi)樓宇自動(dòng)化技術(shù),目前已有清華、北大、哈工大三校深圳研究生院正式入駐。
3個(gè)校區(qū)的樓宇自控系統(tǒng)是各自獨(dú)立的,功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和選型相同,只是規(guī)模不同。以一個(gè)校區(qū)為例,其樓宇自控系統(tǒng)由火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、給排水控制系統(tǒng)和變配電系統(tǒng)構(gòu)成,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
4. 1 系統(tǒng)功能
深圳大學(xué)城樓宇自控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)具有如下功能:
(1) 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、。具有集中監(jiān)控功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器輸出值的實(shí)時(shí)監(jiān)視,采集、傳輸、顯示和記錄各探測器的環(huán)境參數(shù),實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)警、報(bào)警、報(bào)警聯(lián)動(dòng)的三級(jí)報(bào)警與控制,與消防廣播、警鈴、排煙風(fēng)機(jī)、正壓風(fēng)機(jī)、停止空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)、自動(dòng)噴淋滅火、自動(dòng)氣體滅火實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。廣播、背景音樂在緊急事故(如火災(zāi))時(shí)可自動(dòng)切換到緊急廣播工作狀態(tài)。
(2) 中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控整個(gè)校區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)及其設(shè)備(包括新風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管、新風(fēng)機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、正壓風(fēng)機(jī)和冷凍水進(jìn)水量控制器等) ,并通過對(duì)冷凍水的供/回水溫度和流量的測量,自動(dòng)計(jì)算出空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。
根據(jù)實(shí)際的冷負(fù)荷,通過空調(diào)冷水機(jī)組的群控裝置,來調(diào)整冷水機(jī)組的負(fù)載變量,以達(dá)到最佳的節(jié)能效果。測量并自動(dòng)控制新風(fēng)機(jī)、空氣處理機(jī)過濾網(wǎng)的壓差,維持系統(tǒng)要求的壓差值。對(duì)各種空氣處理機(jī)組中的參數(shù)(如溫度、濕度、壓力、流量、液位、風(fēng)量等)進(jìn)行檢測、控制,對(duì)風(fēng)機(jī)、冷凍機(jī)等設(shè)備以及過濾器的狀態(tài)、風(fēng)機(jī)的狀態(tài)及故障報(bào)警進(jìn)行自動(dòng)控制與監(jiān)測。
(3) 照明監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)大廳、公共走廊、樓梯、地下停車場、會(huì)議室等公共場所實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控,對(duì)教室等其他區(qū)域?qū)崿F(xiàn)就地控制。
(4) 給排水控制系統(tǒng)。利用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒壓供水,為就地控制方式。
(5) 變配電系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV進(jìn)線、380 V出線回路,備用柴油發(fā)電機(jī)的三相電壓、三相電流、功率因數(shù)、頻率的檢測和變壓器的超溫報(bào)警監(jiān)測,為就地監(jiān)控方式。[nextpage]
4. 2 專業(yè)化分析
深圳大學(xué)城樓宇自控系統(tǒng)的集成特點(diǎn)如下:
(1) 選用不同廠家的產(chǎn)品。主要控制器選用進(jìn)口產(chǎn)品,其他設(shè)備選用國產(chǎn)設(shè)備。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)選用了北京西門子公司的CerberusòCT11系統(tǒng),中央空調(diào)與照明監(jiān)控系統(tǒng)選用了Honeywell公司的Excel 500 系列產(chǎn)品,給排水與變配電系統(tǒng)選用的是國產(chǎn)設(shè)備。
(2) 通信協(xié)議不同。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)控制器間的通信總線為C總線(CANbus) ,火災(zāi)顯示盤、火災(zāi)顯示驅(qū)動(dòng)器及輸出模塊與控制器間的通信總線是LonWorks總線,探測器與控制器間的通信總線是D總線(Compobus/D) 。中央空調(diào)與照明監(jiān)控系統(tǒng)中工作站、服務(wù)器與控制器間的通信采用以太網(wǎng),DDC控制器之間的通信協(xié)議為LonWorks。
(3) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)獨(dú)立。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)由1臺(tái)操作站、1臺(tái)控制站構(gòu)成一個(gè)環(huán)形網(wǎng)絡(luò),中央空調(diào)與照明監(jiān)控系統(tǒng)由2 臺(tái)服務(wù)器( 1 主1 備) 、4臺(tái)工作站和DDC控制器構(gòu)成一個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)樓宇自控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分為兩部分,各自獨(dú)立。
(4) 集中監(jiān)控與就地控制結(jié)合。根據(jù)校區(qū)的實(shí)際情況,火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與中央空調(diào)為集中監(jiān)控,照明系統(tǒng)為集中監(jiān)控與就地控制結(jié)合,給排水、變配電系統(tǒng)為就地監(jiān)控方式。
(5) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與樓宇中的其他自動(dòng)化系統(tǒng)脫節(jié)。樓宇自控系統(tǒng)與校區(qū)內(nèi)的樓宇安防系統(tǒng)、樓宇辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、樓宇通信系統(tǒng)四者各自獨(dú)立,沒有實(shí)現(xiàn)資源共享。
(6) 信息化管理程度低。該系統(tǒng)僅實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)中的操作、報(bào)警、歷史趨勢(shì)、歷史記錄、報(bào)表生成等管理功能。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因沒有與校區(qū)內(nèi)辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的信息平臺(tái)鏈接,未實(shí)現(xiàn)信息化管理。
(7) 集成度較低。僅實(shí)現(xiàn)了具有集中監(jiān)控功能的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)、照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備集成、信號(hào)集成,沒有實(shí)現(xiàn)與安防系統(tǒng)、電視監(jiān)控系統(tǒng)、電梯等設(shè)備控制的集成,沒有建立起一個(gè)統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái),沒有實(shí)現(xiàn)真正意義上的集成,即信息集成。
(8) 適用性較強(qiáng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,操作方便, 功能適用。
5 樓宇自控系統(tǒng)存在的主要問題
(1) 系統(tǒng)的開放性差。由于樓宇自控產(chǎn)品廠家較多,不同廠家生產(chǎn)的控制器在相互連接和通信上存在困難, 兼容性不理想, 開放性仍有待改善。
(2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。由于設(shè)計(jì)人員對(duì)樓宇自控系統(tǒng)的內(nèi)容和被控設(shè)備認(rèn)識(shí)不足,與相關(guān)專業(yè)配合不當(dāng),造成了樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理,運(yùn)行效果不佳。
(3) 系統(tǒng)的集成化程度較低。由于樓宇自控產(chǎn)品遵循的通信協(xié)議較多,協(xié)議的開放性又較差,使系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)困難。
(4) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,投資高。往往為了實(shí)現(xiàn)各種樓宇自控功能,須選擇幾個(gè)不同廠家的產(chǎn)品,而為了實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的通信致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造成自控系統(tǒng)的投資比機(jī)電設(shè)備高的現(xiàn)象,使投資商望而卻步。
6 結(jié) 語
樓宇自控系統(tǒng)正向著全分布式結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)發(fā)展,這些分布式控制系統(tǒng)既是獨(dú)立的,又是相互聯(lián)系的、綜合的、統(tǒng)一的,其集成化、智能化也在向更高層次發(fā)展。樓宇自控系統(tǒng)和工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)正在相互融合、共同發(fā)展,工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備和軟件也正在不斷地應(yīng)用到樓宇自控系統(tǒng)中?,F(xiàn)代通信技術(shù)正在改變著樓宇自控系統(tǒng),如移動(dòng)電話與樓宇自控系統(tǒng)互發(fā)指令等。在設(shè)計(jì)、施工和管理樓宇自控系統(tǒng)時(shí),應(yīng)科學(xué)、合理地掌握和體現(xiàn)系統(tǒng)的專業(yè)化和系統(tǒng)集成程度。