智能建筑中的楼宇自动化系统理论浅析

智能建筑中的楼宇自动化系统理论浅析
2005-7-26

摘要：本文详细介绍了楼宇自动化系统的组成、基本功能、原理、核心的软硬件技术、发展历史，并对相关产品做了简要介绍，使读者对该系统有一个全面的认识，也为相关专业设计人员的方案设计提供了理论上的参考依据。
关键词：楼宇自动化系统 基本功能 原理核心 软硬件技术



1 引言
楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统(BuildingAutomationSystem简称BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。

2 楼宇自动化系统的组成与基本功能
建筑设备自动化系统通常包括暖通空调、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安全防范等子系统。根据我国行业标准，BAS又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统，如图所示。一般情况下，这两个子系统宜一同纳入BAS考虑，如将消防与安全防范子系统独立设置，也应与BAS监控中心建立通信联系以便灾情发生时，能够按照约定实现操作权转移，进行一体化的协调控制。
建筑设备自动化系统的基本功能可以归纳如下：
(1)自动监视并控制各种机电设备的起、停，显示或打印当前运转状态。
(2)自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。
(3)根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使之始终运行于最佳状态。
(4)监测并及时处理各种意外、突发事件。
(5)实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制。
(6)能源管理：水、电、气等的计量收费、实现能源管理自动化。
(7)设备管理：包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。

3 楼宇自动化控制系统的原理
楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统(Distributedcontrol systems简称DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置(DDC)完成被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。
以下介绍与分布控制系统相关的几个概念。
3.l 直接数字控制系统(DDC)
直接数字控制系统(Direct Digital Control简称DDC)如图2所示。计算机通过模拟量输入通道(AI)和开关量输入通道(DI)采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道(AO)和开关量输出通道(DO)直接控制生产过程。因此DDC系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。
DDC系统中的计算机直接承担控制任务，因而要求实时性好、可靠性高和适应性强。
3．1．1 直接数字控制系统的组成
直接数字控制系统主要由过程输入通道、过程控制计算机、过程输出通道三部分组成。
过程输入通道由模拟量输入和数字量输入两部分组成。模拟量输入通道由变送器、采样开关、放大器、A／D转换器和接口电路组成。其中变送器的作用是将非电量信号变换成标准电信号，可将温度、压力、流量变换成0-10mA或4-20mA的直流电信号，它是通过A／D转换器来实现的。—数字量输入通道由开关触点、光电耦合器和接口电路组成，反映生产过程的通／断状态的触点信号，经过光电耦合器和接口电路变换成数字信号送给计算机。
过程控制计算机直接承担运算和控制任务，首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，再根据预定的控制规律(如PID)进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。
过程输出通道由模拟量输出和数字量输出两部分组成。前者把计算机输出的数字控制信号转换成模拟电压或电流信号，再经过放大器去驱动调节阀等执行器实现对生产过程的控制。这一部分由接口电路、D／A转换器，放大器和执行器组成。后者把计算机输出的开关信号，经放大器去驱动电磁阀和继电器执行器，它由接口电器、光电耦合器、放大器和执行器组成。
3．1．2 直接数字控制系统的基本算法
按照偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本规律，将PID控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用已积累的成熟技术，而且可以在被控对象的数学模型或参数不很清楚的情况下，经过在线整定达到满意的效果。因此，将模拟调节规律离散化的数字PID算法，已被工业过程计算机控