楼宇智能化技术 广东工业大学自动化学院

第五章 楼宇设备自动化技术 第一节 楼宇设备自动化系统(BAS)的功能 第二节 集散控制 第三节 BAS的体系结构

第一节 楼宇设备自动化系统(BAS)的功能

一、 BAS的对象环境 智能化建筑中的建筑机电设备和设施就是楼宇自动化系统的对象和环境, 通常可将建筑机电设备和设施按功能划分为七个子系统 : 1)电力供应系统(高压配电、变电、低压配电、应急发电); 2)照明系统(工作照明、事故照明、艺术照明、障碍灯等特殊照明); 3)环境控制系统(空调及冷热源、通风环境监测与控制、给水、排水、卫生设备、污水处理); 4)消防系统(自动监测与报警、灭火、排烟、联动控制、紧急广播); 5)保安系统(防盗报警、电视监控、出入口控制、电子巡更); 6)交通运输系统(电梯、电动扶梯、停车场、车队); 7)广播系统(背景音乐、事故广播、紧急广播) 。

二、 BAS的功能要求 BAS的整体功能可概括为四个方面： ⒈设备控制自动化 (1)变配电设备及应急发电设备测控 ⒉设备管理自动化 (2)照明设备测控 (3)通风空调设备测控 (4)给排水设备测控 (5)电梯设备测控 (6)停车场管理与控制 ⒊防灾自动化 (1)防火系统 (2)防盗系统 (3)防灾系统 ⒉设备管理自动化 (1)水、电、煤气等使用计量和收费管理。 (2)设备运转状态记录及维护、检修的预告。 (3)定期通知设备维护及开列设备保养工作单。 (4)设备的档案管理。 (5)会议室、停车场等场所使用的预约申请、管理 ⒋能源管理自动化

三、 BAS的软件功能 ⒈系统软件 系统软件包括以下功能: ⑴系统操作管理 。 ⑵交互式系统界面 ⑶报警、故障的提示和打印 ⑷警报的处理 ⑴系统操作管理 。 ⑵交互式系统界面 ⑶报警、故障的提示和打印 ⑷警报的处理 ⑸系统开发环境 ⑹多种控制方式 ⑺系统辅助功能设定 ⒉分站软件 分站软件用于现场控制器。分站软件应包括以下系统功能模块: ⑴采样和数据处理功能 ⑵报警设定 ⑶控制程序 ⑷数学功能 ⑸通信控制

四、 BAS的技术基础 楼宇自动化系统(BAS)将各个控制子系统集成为一个综合系统，其核心技术是集散控制系统 广义的BAS系统组成概念图

第二节 集散控制 一、 集散控制系统的基本概念 二、 集散控制系统的基本组成与系统结构 三、 现场控制站的功能与结构 四、 操作员站的功能与结构 五、 集散控制系统的特点

一、 集散控制系统的基本概念 集散型计算机控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构 多层树状结构

二、 集散控制系统的基本组成与系统结构 集散控制系统是由分散过程控制装置、操作管理装置、通信系统三大部分组成

⒈分散过程控制装置 ⒉操作管理装置 ⒊通信系统 分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置送到执行机构。 ⒉操作管理装置 操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。 ⒊通信系统 分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换,这就是通信系统

⒋集散控制系统结构特征 ⑴递阶控制结构 ⑵分散控制结构 ⑶冗余化结构 1)组织人事的分散 2)地域的分散 3)功能的分散 4)负荷的分散 1)同步运转方式 2)待机运转方式 3)后退运转方式 4)多级操作方式

⒌集散控制系统的典型结构 ⑴模件化控制站+与MAP兼容的宽带、载带局域网+信息综合管理系统

⑵分散过程控制站+局域网+信息管理系统

⑶分散过程控制站+高速数据公路+操作站+上位机 ⑷可编程逻辑控制器PLC+通信系统+操作管理站 ⑸单回路控制器+通信系统+操作管理站 ⑹工业级微机+通信系统+操作管理机

三、 现场控制站的功能与结构 ⒈现场控制站的功能 ⒉现场控制站的结构 在集散控制系统中，各种现场检测仪表(如各种传感器、变送器等)送来的过程信号均由现场控制站进行实时的数据采集、滤波、非线性校正及各种补偿运算、上下限报警及累积量计算等, 在现场控制站还可完成各种闭环反馈控制、批量控制与顺序控制等功能. ⒉现场控制站的结构

⒊用于现场控制站的智能调节器与PLC 除上述标准结构的现场控制站外，DCS越来越多地采用了各种智能数字调节器与可编程序控制器(PLC)

四、 操作员站的功能与结构 ⒈中心计算机站的功能 集散型控制系统的中心计算机站提供了集中监示、对现场直接操作、系统生成以及诊断等功能。它是几个部分的统称，其主要部分是操作员站和工程师站。 ⒉操作员站的功能 ⑴操作员站的显示管理功能 ⑵操作员站的打印功能 ⑶组态功能 ⒊操作员站的组成 操作员站有以下几个组成部分：处理机系统、显示设备、操作键盘、打印设备、存储设备以及一个支撑和固定这些设备的操作台。

五、 集散控制系统的特点 ⒈分级递阶控制 ⒉分散控制 ⒊自治性 ⒋协调性 ⒌友好性 ⒍适应性、灵活性和可扩充性 ⒎开放系统 ⒏可靠性

第三节 BAS的体系结构 一、 BAS体系结构的优选 二、 集散型BAS的体系结构 三、集散型BAS的几种方案 四、BAS的发展趋势

一、 BAS体系结构的优选 对于楼宇自动化（BAS）这一个规模庞大、功能综合、因素众多的大系 统，要解决的不仅是各子系统的局部优化问题，而且是一个整体综合优 化问题。若采用集中式计算控制，则所有现场信号都集中于同一地方， 由一台计算机进行集中控制。这种控制方式虽然结构简单，但功能有 限，且可靠性不高，故不能适应现代楼宇管理的需要。与集中式控制相 反的就是集散控制，集散控制以分布在现场被控设备附近的多台计算机 控制装置，完成被控设备的实时监测、保护与控制任务，克服了集中式 计算机控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性； 以安装于集中控制室并具有很强的数字通信、CRT显示、打印输出与丰 富控制管理软件功能的管理计算机，完成集中操作、显示、报警、打印 与优化控制功能，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难与无法统一 管理的缺点。管理计算机与现场控制计算机的数据传递由通信网络完 成。集散控制充分体现了集中操作管理、分散控制的思想。因此集散控 制系统是目前BAS广泛采用的体系结构。

二、 集散型BAS的体系结构 集散型楼宇自动化系统的体系结构，如图所示,其基本特征是功能层次化

三、集散型BAS的几种方案 1.按楼宇设备功能组织的集散型BAS系统

2.按楼宇建筑层面组织的集散型BAS系统

⒊混合型的集散型BAS系统 这是兼有上述二种结构特点的混合型,即某些子系统(如供电、给排水、消防、电梯)采用按整座楼宇设备功能组织的集中控制方式,另外一些子系统(如灯光照明、空调、等等)则按楼宇建筑层面组织的分区控制方式。这是一种灵活的结构系统,它兼有上述两种方案的特点,可以根据实际的需求而调整。

四、BAS的发展趋势 1.现场总线简介 20世纪90年代以来，随着网络技术的进步，现场中的第一级传感器执行器和第二级分站合并成为一级，即所谓测控合一的单层分布式控制网络，成为控制技术发展的主流方向。这就是现场总线控制系统Fieldbus Control System。 现场总线控制系统充分反映了控制网络的主要特点：控制现场高度分散；控制规模可大可小；控制节点成本低廉而功能单一，绝对稳定而不易失效；传输介质多种多样；共存于同一网络；数据通信安全可靠；控制信息短而精确；信息传递方式以控制为目的，分成不同方式实现，如单纯发出信息、发出信息要求反馈确认、接受信息要求发出信息出示密码等多种方式,以确保控制准确无误。 在楼宇自动化领域，LonWorks现场总线技术得到世界上本行业大多数制造商的承认，其通信协议LonTalk被美国标准化学会批准的BACnet（楼宇自动控制的网络）所采纳，作为物理数据链路层5种基本通信方式之一，写在ABSI/ASHRAE135-1995中。

⒉通过BACnet路由器实现异种楼宇自动化系统的联接

⒊控制网络与管理信息网络的联接 BACnet控制网络与局域网的互联

第四节 智能化楼宇的BAS系统设计 一、 BAS系统的检测技术与设备 二、 典型执行机构 三、 典型BA系统设计

一、 BAS系统的检测技术与设备 ⒈电量检测技术与设备 (1)直流电压、电流的测量 (2)正弦交流电压、电流的测量

⒉ 温度、湿度的检测技术与设备 楼宇自动化中温度检测器的结构 热电阻测量电路原理图

⒊ 压力、液位的自动检测 常用的压力的自动检测装置原理如下图 电容式差压传感器结构原理

⒋流量、容积的自动检测 流量计原理图

二、 典型执行机构 执行器一般由执行机构、调节机构两部分组成。其中执行机构是执行器的推动部分，按照控制器输送的信号大小产生推力或位移，调节机构是执行器的调节部分。我们常见的是调节阀，它接受执行机构的操纵改变阀芯与阀座间的流通面积，达到调节工艺介质的流量。 执行机构使用的能源种类可分为气动、电动、液动三种。在智能楼宇中常用电动执行器。

a)直行程电动执行器 b)角行程电动执行器 ⒈电动执行器 a)直行程电动执行器 b)角行程电动执行器 电动执行机构的组成一般采用随动系统的方案，如图所示:

⒉ 电磁阀 电磁阀是常用电动执行器之一，多用于两位控制 电磁阀结构原理 先导式电磁阀结构原理

⒊ 电动阀 电动调节阀是以电动机为动力元件，将控制器输出信号转换为阀门的开度，它是一种连续动作的执行器。 电动执行机构根据配用的调节机构不同，输出方式有直行程、角行程和多转式三种类型，分别同直线移动的调节阀，旋转的蝶阀，多转的感应调节器等配合工作。 电动阀结构原理

调节阀的流量特性是指流过阀门的相对流量值与阀门的相对开度值之间的关系： 式中， 是调节阀在某一开度时的流量 与阀全开时的流量 之比，称为相对流量,l/L是调节阀在某一开度时阀杆行程l与全开时的行程L之比，称为相对开度。 当调节阀前后压差不变的情况下(△P=常数)，得到的相对流量与相对开度的关系，称为理想流量特性，当调节阀前后压差变化的情况下，阀的相对开度与相对流量的关系，称为工作流量特性。工作流量特性可以用计算的方法求得。 目前国内生产的调节阀，有直线、等百分比(对数)和快开(抛物线)三种特性 。

⑴直线流量特性 它是指调节阀的相对开度与相对流量成直线关系。即： 式中,C是常数，经积分，并代边界条件，当l=0, (指阀在全闭时，仍有一定的泄漏量）；当l=L, ，得出： 式中R是调节阀所能控制的最大流量与最小流量之比，又称可调比。

⑵等百分比流量特性 它是指单位行程变化所引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比关系，即： 将此式积分，并代入相同的边界条界可得： 从数学关系式可看出呈指数关系，故等百分比流量特性又称对数特性。

⑶快开流量特性 这种阀的特性是在阀行程比较小时，流量比较大，随着行程的增大，流量很快就达最大(呈饱和)，故称快开特性。这种特性曲线的斜率随行程而减小，当行程达最大时，曲线斜率趋向于0，几乎与横轴平行，因此可以假定当l=L时斜率为O，是一个单调递减函数，即可表示: 将此式积分，并代入相同的边界条界可得： 快开特性的阀芯形状为平板式。这种阀门的有效行程应在D/4(D为阀的通径)以内，当行程再增大，阀的流通面积就不再增大，便不能起调节作用了。此阀适用于迅速开闭。

三种流量特性曲线如图所示。

流量特性的选择 一般从以下几方面考虑： 1)对于双位调节和程序控制的应用，一般是选快开特性。 2)根据调节对象的特性的原则:一般凡是具有自平衡能力的调节对象都可选择等百分比流量特性的调节阀，不具有自平衡能力的调节对象则选择直线流量特性的调节阀。 3)根据管路系统中调节阀全开时压差与系统总压差的比值原则，当压差比大于0.7时，可选用直线特性的调节阀；当压差比在0.7～0.4之间时，可选用快开(抛物线)特性的调节阀，当压差比在0.4～0.1之间时,选用等百分比(对数)特性调节阀。 4)根据可调范围的原则:一般要求调节范围大的，选用等百分比特性的调节阀具有较强的适应性。 上述几方面在具体的控制系统中还应根据情况考虑，首先应满足压差比的原则。同时在分析控制系统的特性时，应考虑调节阀的非线性因素（等百分比、快开特性调节阀）。

⒋ 风门 风门用来精确控制风的流量,其结构原理如图所示。 风门由若干叶片组成，当叶片转动时改变流道的等效截面积，即改变了风门的阻力系数，其流过的风量也就相应地改变，从而达到了调节风流量的目的。

三、 典型BA系统设计 系统由四个主要部分组成：1)中央控制站 2)通信网络及DDC 3)现场支承硬件 4)控制软件 BAS系统结构