楼宇设备自动化系统设计

楼宇设备自动化系统概述：

楼宇自动化系统（BAS，Building Automation System）是智能建筑的主要组成部分之一。BAS是由中央管理站，各种DDC及各种传感器、执行器组成的，能够完成多种控制及管理功能的系统网络。它是随着计算机在室内环境控制和管理的应用而发展起来的一种智能化控制管理网络。

智能建筑通过楼宇自动化系统实现建筑物（群）内设备与建筑环境的全面监控与管理，为建筑的使用者营造一个舒适、安全、经济、高效、便捷的工作生活环境，并通过优化设备运行与管理，降低运营费用。楼宇自动化系统涉及建筑的电力、照明、空调、通风、给排水、防灾、安全防范、车库管理等设备与系统，是智能建筑中涉及面最广、设计任务和工程施工量最大的子系统，它的设计水平和工程建设质量对智能建筑功能的实现有直接的影响。

设计对象概述：

行政楼是我们老师办公的地点，也是学校不可缺少的一部分。其中包括老师的办公室、文件储存室、会议室等。一楼有8个 办公室，景观展出；第二层至第六层有15个办公室及文件室，景观展出；第五、六层有13个办公室。每层都有四个卫生间，两部电梯组成。

根据行政楼的需求，我们所做的楼宇自动化系统分为一下几个子系统：

1 、新回风系统

2 、空调制冷系统

3 、热交换系统

4 、给排水系统

5 、供配电系统

6 、照明系统

7 、电梯系统

XX 学院行政楼控制网络图：

在本控制网络中，DDC的控制按照楼层来划分，DDC1位于负一楼控制制冷系统、热交换系统、给水系统、排水系统、供配电系统；DDC2位于一楼控制负一楼回风系统、负一楼照明、一楼新回风系统、一楼照明系统；DDC3位于2楼控制二、三的照明和新回风系统；DDC4位于4楼控制四、五楼得新回风系统、照明系统以及楼层的电梯系统。

楼宇自动化系统设计依据：

- 楼宇设备监控及组态/姚卫丰主编，北京：机械工业出版社

- 智能建筑设计标准（GB50314-2015）

- 民用建筑电气设计规范（GB 51348-2019）

- 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范（GB50736-2012）

- 建筑设计防火规范（GB50014-2014(2018版)）

- 电气装置安装工程施工及验收规范（GB50254-2014）

- 招标方提供的图纸及资料

楼宇自动化系统设计方案

项目一：新回风混合空调系统

新回风混合空调系统主要监控功能

（1）新风温度和湿度的监控——由新风通道的温、湿度传感器实测新风温度。

（2）过滤网的检测——用微压差开关即可监视新风过滤器两侧的压差，以了解过滤器是否需要清洗、更换。

（3）回风温度监控——由回风通道的温度传感器实测温度，通过控制加热器（或表冷器）上的调节阀的开度来调节热水（或冷水）流量，使回风温度控制在设定的范围内。

（4）回风湿度监控——由回风通道的湿度传感器实测回风通道的湿度信号，通过控制加湿器的开闭来使湿度保持在一定范围。

（5）送风机和新风机的监控——用时间程序来控制，并监控其工作状态。

（6）新风/回风比例监控——根据空调区域的CO2的浓度与系统设定浓度的差值得出计算结果，控制新风阀、排风阀、回风阀的开度，使空气质量保持良好。

（7）加热/冷器的阀开度控制——由空调区域的温度传感器与设定温度的差值来控制阀门的开度。

（8）加湿器的监控——由空调区域的湿度传感器与系统设定湿度来控制加湿器的开闭，同时监控其状态。

新回风混合系统硬件配置图：

新回风回合空调系统点数统计：

我们在行政楼的每个楼层都布置了一个新回风混合空调系统，由此我们的了下面的统计表：

说明：×5表示层楼数

各个输出点的控制：

由上图我们可以看出共有7个点需要控制输出，，在模拟输出这一方面，有排风阀（FV-101）、回风阀（FV-102）、新风阀（FV-103）、加热/冷器（TV-101）；在数字输出这一方面，有回风机、加湿阀（MV-101）、送风机。下面我们将一一阐述如何控制这些输出。

（1）送风机和回风机控制

这两个风机的我们采用了时间程序控制,根据行政楼老师上下班的时间，我们编了以下时间程序：

周一到周五，我们设计风机从早上8:00开，17:30关。

周六到周日以及节假日我们设计整天都关闭。

风机除了用时间程序控制，还需要用开关逻辑控制，下面是风机的开关逻辑回风机。

回风机开启(HFJQD)的条件是：回风机处于自动（HFJSZD）、无故障(HFJGZ)、系统供电群控（XTGDQK）处于开的状态。

送风机

送风机开启(SFJQD)的条件是：送风机处于自动（SFJSZD）、无故障（SFJGZ）、系统供电群控（XTGDQK）处于开的状态。

（2）新风阀（FV-103）、回风阀（FV-102）、排风阀（FV-101）控制

新风阀（FV-103）、回风阀（FV-102）、排风阀（FV-101）这3个风阀的开启条件首先要满足回风机和送风机处于开的状态，所以我们编了以下开关逻辑：

新风阀（FV-103）、回风阀（FV-102）、排风阀（FV-101）这3个风阀的开度有以下等式关系：

FV-103 开度+ FV-102开度= FV-101开度+ FV-102开度=100

所以可以得出：

FV-103 开度= FV-101开度

根据这个关系式和空气质量（CO2）我们编如下控制策略：

对控制策略的说明：首先我们采集了CO2浓度（AE101）输入到PID控制器，再与设定值30做比较，得出结果直接输出到FV-102，对于FV-101和FV-103得控制，我们先做了减号运算，再通过数据传递图标将计算值输出到FV-101和FV-103。

（3）加冷/热器（TV-101）控制

TV-101 开启的条件是：送风机处于开启状态（SFJZT）、送风机处于自动状态（SFJSZD）、回风机处于开启状态、回风机处于自动状态（HFJSZD）过滤网不堵塞(PdA101)。为此，我们编了以下程序：

TV-101 的开度与季节、房间实际温度和设定温度有关，为此我们建立了三个伪点XTWD(夏天温度，伪模拟点)、DTWD(冬天温度、伪模拟点)、SEASON(季节)，对于夏天，是房间实际温度越高，阀开度也越大，对于冬天，房间温度越低，阀开度也越大。根据这些条件，我们编辑了如下控制策略：

对控制策略的说明：

对于夏天温度的控制，首先我们采集了空调区域的温度（TE-104）输入到PID控制器中，再将伪模拟点（XTWD）输入到PID控制器，得出计算结果后做减法运算，然后将计算结果输入到选通开关中；

对于冬天温度的控制，我们同样采集了空调区域的温度（TE-104）输入到另外一个PID控制器中，然后将计算结果直接输入到选通开关中；

这样，选通开关就储存了两个值，我们通过季节伪数字点（SEASON）就可以控制冬天和夏天的回路，将不同的值输出到加热/冷器（TV101），控制其开度。

（4）加湿器（MV-101）控制

对于加湿器，是当空调区域的湿度低于10%~30%，我们就打开加湿器，为此，我们编了以下开关逻辑：

对于开关逻辑的说明：在开关逻辑的第一列，当湿度低于10%，送风机和回风机处于开的状态，加湿器也开，为保持他在10%~30%这个区域加湿器一直是开的，我们增加了一列，在这一列，我们增加了加湿器的状态(JSQZT)来控制。

项目二：制冷系统

制冷系统主要监控功能

（1）冷水机组的连锁控制。楼宇设备自动化系统在对某个制冷机组下达启动命令时，其相关设备的动作时间顺序应为：

◇1对应冷却水、冷冻水管路上的阀门立即开启。

◇2冷却塔风机、冷却水水泵、冷冻水水泵的启动延迟2~3min执行。

◇3制冷主机启动延迟3~4min。

在对某个制冷机组下达停止命令时，其相关设备的动作的执行时间与开启顺序恰好相反。

（2）冷冻水供/回水温度监测。供水总管上的温度传感器T1检测冷冻水供水温度和回水总管上的温度传感器T2检测冷冻水回水温度，检测的信号送入DDC。

（3）冷冻水供水水流量监控。通过供水总管上的流量传感器F检测冷冻水流量，送入DDC（AI）中。

（4）冷水机组开启台数控制。把上述三种信号送入DDC中，计算出实际的空调冷负荷，再根据实际冷负荷及压差旁通阀V的开度自动调整冷水机组投入台数，以期达到最佳节能效果。

（5）压差旁通控制。由压差传感器检测冷水供、回水总管之间的压差，送入DDC(AI)，与压差预先设定值比较后，直接输入DDC送出相应信号（AO），调节位于供水总管之间的旁通阀的开度，实现进水与回水之间的旁通，一保持供，回水压差恒定。

（6）水流检测、水泵控制、冷冻水泵、冷却水泵启动后，通过水流开关检测水流状态，其信号送入DDC中，给句水流水流状态有直接数字控制器发出信号，通过电动阀调节水流。

（7）冷却水温度检测

（8）水箱补水控制。通过液位传感器LT检测水箱水位，直接数字控制器根据水位信号，控制进水电磁阀的开、闭，使水位保持在允许范围。

制冷系统硬件配置图：

制冷系统点数统计

根据在本系统的要求，需要两台冷水机组以及它的相关附属设备，我们得出了如下统计表：

各个输出点的控制

由上述可知，制冷系统共有1个模拟输出点：PdV101，18个数字输出点需要控制：1#冷冻泵、2#冷冻泵、LV101、FV101、FV201、1#冷水机组、2#冷水机组、FV102、FV202、1#冷却泵、2#冷却泵、FV103、FV104、FV203、FV204、1#冷却塔风机、2#冷却塔风机，下面我们将一一阐述如何控制这些点。

（1）各种设备启动与停止顺序控制

按照监控要求，我们最先要开启的是冷却水、冷冻水管路的所有阀门，这里，我们选择用时间程序来控制它们，根据行政楼的上班时间要求，我们编了如下时间程序：

我们将时间程序应用到每个阀门上，得到下面的开关逻辑：

开关逻辑说明：当时间程序为开启时间，FV101立即开启。当时间程序到了关闭时间，它将延迟9分钟关FV102、FV103、FV104的开关逻辑与FV101一样，这里将不再赘述。

接着，需要开启冷却塔风机和冷却水泵，下面是冷却塔风机的开关逻辑：

对开关逻辑的说明：在这个开关逻辑里，我们采集了4个阀门的状态，当阀门全部打开且时间程序为开的时候，风机将延迟3分钟开。当时间程序为关闭时间，它将延迟6分钟关。

冷却水泵的开关逻辑与风机一样，这里将不再赘述。

接下来，需要开启冷冻水水泵，请看下面开关逻辑：

对开关逻辑的说明：在这个开关逻辑里，我们采集了冷却塔风机和冷却水泵的状态，当这两者都为开的状态时，冷冻泵将3分钟后打开。当时间程序为关闭时间，它将延迟3分钟关。

最后，开启的是冷水机组，我们编了入下开关逻辑：

对开关逻辑的说明：在这个开关逻辑里，我们不仅采集了冷冻泵的状态，为确保系统安全运行，我们还采集了水流开关的状态，当这些状态都满足时，冷水机组将在3分钟之后开启。当时间程序到了关闭时间，冷水机组立即关闭。

不同的时间段，用户对冷气的需求是不一致的，用一台冷水机组有时可能会使系统超负荷运行，所以我们在这个系统中多增加了一台冷水机组。关于这台冷水机组的控制，将在下面做详细说明。

（2）备用设备的控制

我们查找了相关资料，得知冷水机组投入使用的台数与空调冷负荷有关，空调冷负荷的计算公式如下：Q=1000mC（T2-T1）

Q ：空调冷负荷

m ：流量，单位kg/s

C ：水的比热容=14.18KJ/kg *℃

T2 ：回水温度

T1 ：供水温度

根据上面的公式，我们编辑了如下控制策略：

对控制策略的说明：我们用数学编辑器（MAT）编出了空调冷负荷的计算公式，将结果通过数据传递图标（IDT）输入到一个模拟伪点（lengfuhe），该伪点将在开关逻辑中用到。

根据上面的计算结果，我们假定当空调冷负荷超过了31350KJ就启动备用设备。于是就有了下面的开关逻辑，在该开关逻辑中，所有的设备启停顺序与前面设备是一样的，但是在启动的条件里面有一些变化，下面我们将做详细说明。

各备用设备的启停顺序

首先我们开启的还是整个管道上的阀门，于是有了如下开关逻辑：

对开关逻辑的解释：当冷负荷超过了31350KJ，且是在第一台冷水机组开的状态，FV201的阀门立即打开，当1#冷水机组关或者是冷负荷小于31350KJ，FV201立即9分钟后关闭。同理，FV202、FV203、FV204是以样的开关逻辑，这里不再赘述。

接着需要开启的是对应的冷却塔风机和冷却水泵，我们有如下开关逻辑：

对开关逻辑的解释：对检测到相应阀门为开启状态，且冷负荷大于31350KJ，将延迟3分钟开启2#冷却泵。一旦冷负荷低于31350KJ，将在6分钟后关闭。同理，可得到2#冷却塔风机的开关逻辑，这里不再赘述。

接下来需要开启的是冷冻泵，我们编了如下开关逻辑：

对开关逻辑的解释：当2#风机和冷却泵的状态为开时，且冷负荷超过了31350KJ，将在3分钟后开启2#冷冻泵，一旦冷负荷低于31350KJ，将延迟3分钟关闭。

最后，需要开启的是2#冷水机组，有以下开关逻辑：

对开关逻辑的解释：为确保系统正常运行，开启冷水机组，不仅需要采集冷冻泵的状态，还需要水流开关FS201、FS202检测到有水经过，1#冷水机组处于开的状态。当冷负荷低于31350KJ或者1#冷水机组处于关的状态是，2#冷水机组立即关闭。

（3）压差旁通阀PdV101的控制

为了均衡集水器和风水器的压差，我们需要对压差旁通阀控制，控制要求是，当压差越大时，阀开度也越大，与是有了下面的控制策略：

对控制策略的解释：首先通过一个压力差传感器将压力差值传送到PID控制模块中，再与系统设置值做比较，得出结果传送到减号运算符号中进行运算（在减号运算中，用100减去PID控制模块运算的值，就达到了压差越大，阀开度越大的要求），最后将运算结果传递到PdV101中，就可以自动控制阀开度了。

（4）   膨胀水箱补水阀（LV101）的控制

对于膨胀水箱的控制，我们首先需要通过一个液位传感器（LT101）来了解它的水位情况，再给出控制要求,在这里我们用开关逻辑来控制LV101的开闭。

对开关逻辑的解释：当水位在低于20时泵启动，为了使泵在20~80之间处于启动状态，我们增加了一列来控制，在这一列中，只要是泵处于开启状态且水位低于80，泵将保持启动状态，当水箱液位高于80，泵就停止运行。

热交换系统

热交换系统主要监控功能

（1）热量计量系统。流量传感器、供水温度传感器与回水温度传感器构成热量计算系统。

（2）压力监测。用压力传感器来监测外网压力状况，及时吧信号送入到DDC中，再输出相应信号，去控制热交换器上一次热水、蒸汽电动调节阀的阀门开度，调节一次侧热水/蒸汽流量,,使二次热水出口温度控制在设定范围内，从而保证空调采暖温度。

热交换系统硬件配置图

热交换系统点数统计

各个输出点的控制

从上述可知，有两个模拟输出点需要控制，分别是电动调节阀TV01，TV02，在这里，我们让TV02作为一个备用阀，即当热水量不足时，就打开这个阀。下面我将详细阐述如何控制这连个阀。

（1） TV01的控制

对控制策略的说明：将循环管道的温度采集后，输入到PID控制模块中，再与模拟点设置值做比较，得出结果，控制TV01阀门的开度。

（2） 备用泵的控制

关于备用泵的控制，我们首先要采集回水和供水温度，得出这者得温度差之后，将结果输入到以个伪模拟点中储存起来，我再到开关逻辑中建一个伪数字点，通过这个伪数字点来控制备用阀门的开闭。具体程序如下。

对控制策略的解释：该控制策略是将回水温度和供水温度做减号计算，然后将结果传送到以个伪模拟点中。该伪模拟点（wenchazhi）将在下面的开关逻辑中用到。

对开关逻辑的解释：在这个控制策略中，2#PUMP是一个伪数字点，当温差值超过5，TV01的阀开度大于90时，这个伪数字点将被打开。

对开关逻辑的解释：只有在伪数字点的在开的转态，阀门才能按照控制策略来调节。否则开度为0。

对控制策略的说明：这个控制策略的控制方式在TV01中已经详细讲述。但要实现这个控制策略必须满足上述的开关逻辑，因为在CARE软件中，有一个开关逻辑优先的原则。

给水系统 ：

给水系统的主要监控功能

水泵起/停自动监控。各水箱及蓄水池内设一个液位传感器，当测得水箱水位低于下限水位时，液位传感器把信号送入DDC中，然后DDC控制器输出信号，自动启动水泵，当水箱水位高于上限水位时，则自动停止水泵，水泵为一备一用，当一台水泵出现故障，信号送入到DDC中，系统自动报警，且另一台水泵收到DDC的命令后，自动投入运行，并自动显示启/停状态。

给水系统硬件配置图

给水系统点数统计

各个输出点的控制

由上述可知，该系统有两台泵需要启停，这两台泵一备一用，它具有手动和自动和状态，当处于自动状态时，它能实现备用自投功能，具体如何实现，请看下面的开关逻辑：

（1）1#泵的开关逻辑（主用泵）

对开关逻辑的说明：1#泵启用的条件是，水箱液位低于20，1#泵于自动且无故障状态，为了使水位不会超过溢流水位，我们设置当液位80的时候泵就停止运行。当1#泵发生故障时，2#泵怎么实现备用自投呢，请看下面开关逻辑：

对开关逻辑的说明：对于备用泵的控制，我们只需要将主用泵的故障状态采集，当主用泵故障，自动启动备用泵，否则不启用。其余编程与主用泵一样，这里不再赘述。

排水泵主要监控功能

水箱中设置一个液位传感器，由它将液位信息传递给DDC，实现排水自动控制。当排水池的水位超过启泵水位，液位吧这个信号送入DDC，DDC再把启泵信号送给工作泵，工作泵启动，实现排水功能；当集水坑中水位低于停泵水位时，液位传感器吧信号送入DDC，DDC再把信号送至工作泵，工作泵立即停止运行，排水过程结束。当集水坑液位超过启泵水位而工作泵没有启动，说明工作泵出故障了，我们把故障信号采集过来，由DDC控制备用泵启动。

排水系统硬件配置图

排水系统点数统计

各个输出点的控制

由上述可知，该系统有两台泵需要启停，这两台泵一备一用，它具有手动和自动和状态，当处于自动状态时，它能实现备用自投功能，具体如何实现，请看下面的开关逻辑：

（1）1#排水泵的控制

对开关逻辑的说明：在第一列中，当液位超过了80，且泵处于自动、无故障状态时，泵就启动了，在第二列中，当泵处于开的状态、自动、无故障，且水位大于20时，泵就保持开启状态，当水位低于20，泵就停止。当泵发生故障了，排水系统如何工作呢？请看下面开关逻辑：

（2）2#排水泵的控制

对开关逻辑的说明：在这个开关逻辑中，我们只是在两列中加入了一号泵的故障状态，其余设置与1#泵类似，这里不再赘述。

低压配电系统

低压配电系统主要监控功能

供配电系统是为建筑提供能源的最主要的系统，对电能起着接受、变换和分配的作用。为确保用电设备的正常运行，必须保证供电的可靠性。

设备的检测内容有：

①变压器的温度（AI）

②低压配电的功率因数、电流、电压（AI）

③变压器二次侧主开关的分和状态及故障状态检测（DI）

④各主要开关的分和状态及故障状态检测（DI）

低压配电系统监控原理图：

低压配电系统软件监控原理图

点数统计

照明系统 ：

智能照明系统不仅要求能为人们的学习、工作和生活提供良好的视觉条件，而且能够利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境。其具有良好的节能效果、延长光源的寿命、改善工作环境，提高工作效率、实现多种照明效果、管理维护方便、较高的经济回报等优点。

照明系统控制原理图

照明系统软件监控图

根据行政楼的具体结构我们把照明分成两种情况：（1）第一层至第四层（2）第五、六层

（1）时间程序

室内照明用时间程序来编写，如图所示：

建立了三个程序，分别用于平时，周六、日及节假日。用于控制办公室照明，走廊厕所的照明。

（2）节假日分布程序

（3）室外景观照明开关逻辑

对开关逻辑的解释：当照度小于30时开启，大于60时关闭。

（4）调试过程

照明系统点数表

电梯系统 ：

电梯是高层建筑内唯一安全、迅速、舒适和方便的运输交通工具。在我们行政楼的电梯主要用于客梯。控制系统的控制有两部分，一部分是对拖动系统的控制，目前由于计算机发展迅速交流电机拖动取代了结构复杂、成本高、维护困难的直流电动机；第二部分是是对运行状态的控制、检测、保护与综合管理。

电梯系统监控原理图

电梯系统软件监控图

电梯系统点数表

本文来源于互联网，作者：深圳职业技术学院，周学武，李瑞，李裕来。暖通南社整理编辑于2020年8月11日。