楼宇自控系统整体解决方案研究

自从引入微处理器技术以来,楼宇自控技术的发展已走过了20多年的历程。楼宇自控设备从没有通信功能的独立控制器发展成为具有通信功能的网络控制器,楼宇自控系统(BMS)从最初只有楼宇设备自动化系统(BAS)扩展到包含通信自动化系统(CAS)、办公自动化系统(OAS)、防火自动化系统(FAS)和安全保卫自动化系统(SAS)。随着智能建筑的进一步发展,不仅要求楼宇自控系统本身高效、集成,而且还要求与其他系统(如物业

管理系统)高效集成,称为建筑集成管理系统(IBMS)。因此,楼宇自控系统的集成直接关系到智能建筑集成系统的成败。

从楼宇自控系统的结构形式上讲,不外乎以下三种:(1)集散系统(DCS)结构:该结构是由中央站和分站两类节点组成的分布式系统,具有管理层和自动化层两层结构。它以DDC控制器为基本单元,控制器与现场的传感器和执行器采用电气连接,信号标准为0-10V或4-20mA,其优点是数据传输速度快,不受通信传输延时和不确定性的影响。对于信号点分布比较集中、控制策略较复杂的系统,采用这种结构形式实现较为合适。(2)现场总线系统(FCS)结构:该结构是以单个的传感器和执行器为通信节点,信号点可发散分布,不受距离限制,其测量和控制精度不受距离影响,可实现全数字、双向、多站的数字通信,同时,在可维修性、互换性和开放性等方面都比DCS系统有较大的提高,典型代表有:LonWorks,BACnet,CANBus和以太网。(3)集散系统和现场总线综合结构:该结构分为三层,管理层采用某种网络协议进行通信,这种开放性使得管理信息集成更加容易;自动化层采用基于控制总线楼宇自动化系统数据通信协议的DDC分站控制器,该层具有以DCS为基础的经验,各种控制功能、应用软件比较完善,易于处理DDC分站之间的控制协调;现场层采用基于现场总线的I/O模块或现场DDC控制器,在该层上控制功能相对简单,因此既能充分发挥现场总线的优点,又能避免复杂控制算法实现困难等问题。

伴随着楼宇智能化进程突飞猛进的发展,过去许多原本属于工业控制范畴的理念和技术已成功应用于楼宇自控,并结合具体现况衍生出具有鲜明自身特点的产品。许多国际化的大公司纷纷涉足于这一领域并提出了完善的解决方案,比较著名的有英国卓灵(TREND)、美国埃施朗(Echelon)、英维思(Invensys)、海湾集团(GST)、霍尼韦尔(HoneyWell)、德国西门子(SIEMENS)、美国江森(JohnsonControls)、加拿大Delta等,在国内有浙大中控。这些公司的解决方案和产品形式各异,采用的技术和标准也不尽相同,用户可根据自身需求、成本等因素综合考虑。下面,本文就西门子S600顶峰系统、江森Metasys楼控系统和浙大中控的OptiSYS PCS-300分散式可编程楼宇控制系统做简单的介绍,为工程技术人员提供一些设计参考。

一、S600顶峰系统

S600顶峰系统由西门子楼宇科技公司推出,该系统是以Insight图形工作站为核心,与设置在各监控现场的各类型DDC子站组成的大型集散式楼宇自动化控制系统。采用多层网络结构:管理级网络(MLN)、楼宇级网络(BLN)、楼层级网络(FLN)。其“开放式”网络结构及软硬件兼容的特点便于与新技术结合,方便系统扩容与保护用户初期的投资。主要监控设备包括:(1)中央空调(冷冻机房、新风及空调机、主要的供风和排风机、空调系统分区开/关监控、中央空调计费系统);(2)给/排水设备;(3)公共照明系统分区、分层开/关监控;(4)变配电系统监控—高压及配电监控—通过电力变送器对整个楼宇供电情况进行监控;(5)自动扶梯和电梯监控;(6)消防系统报警监控;(7)锅炉机房及热水供应监控系统;(8)防盗系统。

1.Insight图形工作站系统特点:具有操纵者安全密码、图形化系统显示和操作、报警演示和警报管理、趋势数据的搜集、设备运转的时间表式控制、控制点的集中索引、系统数据库编辑和储存、6级密码保护、操作命令记录报告、面向Mi-crosoftExcel的趋势数据界面等。

2.模块化楼宇控制器(M BC)和远程楼字控制器(RBC):MBC和RBC都是一种高性能的模块化直接数字控制(DDC)管理的现场控制台。现场控制台在不依靠较高层处理器的情况下,可以独立工作或联网以完成复杂的控制、监视和能源管理功能。MBC和RBC对分散的楼层网络(FLN)装置和其他楼宇系统(如制冷机、锅炉、消防/人身安全设施、保安设施和照明设备)进行中央监视和控制台在楼宇级网络上实现通信,区别在于RBC提供拨号功能以实现远程控制。

3.楼层网络控制器(FLNC):FLNC是S600顶峰系统楼宇管理和控制系统不可缺少的一部分。它是一种可编程的楼宇网络设备,作为协调器,可为多达96个楼层网络设备服务,其主要功能是在BLN上通讯将楼层网络设备信息传送到其他BLN设备。FLNC可收集到设备环境的信息,并可执行带有操作员命令和要求的控制程序,也可产生控制管理决议。

4.单元控制器(UC):UC为单独的空气处理设备的温度控制和能源管理功能提供直接数字控制(DDC)技术。单元控制器可作为独立的控制器工作,也可与局域网(LAN)连接来扩展S600顶峰系统。时间表、设置点和其他工作参数可通过使用可选小键盘显示或单元控制器接口软件来设定或改变。

5.终端设备控制器(TEC):TEC是对变风量(VAV)、定风量(CAV)、双风道、风机盘管、通风单元等末端装置提供控制的控制器的统称。典型的终端设备控制器包括:终端盒控制器(TerminalBox Controller)、定风量控制(ConstartVolumeController)、双风道控制器(DualDuctController)等。终端设备控制器可独立或联网工作以完成复杂的HVAC控制、监视和能量分配。

6.数字控制单元(DPU):为了控制和监视高数字点密度的远程点和区域,数字控制单元(DPU)为现场控制器(MBC、RBC.、SCU和FLNC)提供了额外的数字点容量。作为现场控制器的一个扩展,DPU为远程数字点提供监视,例如低温探测器、热源探测器、流量开关、占月计数计和辅助触点等。DPU还用在电机控制中心,在多台电机运转或停转时,对它们的情况进行监视,以及对多级电加热进行步进控制。

7.模块化灯光控制器(MLC):M LC的组成包括:安装在机箱内的灯光控制模块(LCM)、电源单元以及诸如继电器控制模块(RCM)、数字输入模块(DIM)、可编程开关模块(PSM)等灯光网络(LLN)设备。灯光网络在LCM与LLN设备之间的通信采用了LON网络连接技术。该技术的特点是电源和数据共用一对双绞线,用户在电源节点的链接上几乎不受拓扑结构的限制。

二、Metasys楼控系统

江森自控公司总部位于美国威斯康辛州的密尔沃基市,创立于1885年,为财富500强公司。江森自控公司楼控部虽然在整个江森只占有一小部分,但其楼控市场在中国也占有很重要的位置。其Metasys楼控系统是一个“分散式”的建管系统,意思是将“智慧”下放到网络中的所有装置,从操作站、网络控制器到数字控制器。软件功能及数据库也是存放在网络中的每一个装置上,整个系统不存在任何一个“中央”设施,可以完全监察及控制整幢建筑物。Metasys以运行于上位机的动态图形软件-M5和中文管理软件-PMI为人机界面,以NU-NCM 361-8网络控制器为核心,以DX-9121直接数字控制器为控制单元,以温度压力传感器为信息获取途径,以电磁阀和各种开关为执行机构。

1.动态图形软件M 5:采用全新的动态图形界面,可伴有音乐和旁白,更生动地描述现场情况,如配置摄像头,同时可将受控设备的实时图像通过集成系统传到操作站,从而更准确直接地指导操作员应采取的动作。例如有报警信号发生时,窗口自动弹出,并在设备的相对应的区域开始变色或闪烁。通过对动态图形界面进行编程,可以快捷地实现大部分的监控功能。

2.网络控制器NU-NCM 361-8:网络控制器是江森公司M5楼宇控制系统的核心器件,它不仅负35责工作站与下面DDC直接式数字控制器的通讯,还负责全部系统功能,使得M5系统在没有工作站投入运行的情况下也能按预定的程序和时间表自动管理楼宇机电设备。网络控制器内部的程序除固化的操作系统软件外,其他所有的程序都可以用江森的专用软件建立,如DDL语言和JC-BASIC编程工具言语。这样可以使整个Metasys具有最大程度的灵活性,使网络控制器能够应付不同的应用场所。

3.直接数字控制器DX-9121:是一种理想的应用于冷冻机、锅炉、空气调节、照明及相关电气设备控制的控制器,它可以和传统的可编程逻辑控制器PLC一样提供准确的直接的数字式控制。DX-9121在硬件上和软件上均具有很强的灵活性,通过加装输入输出扩展模块,DX-9121可以扩展它的输入输出点,并且还通过面板上的电光二极管显示屏查阅每一个输入输出点的状态。DX-9121的网络通讯采用了LONWORK技术,这是一种无主的点对点通讯技术。它不仅可以获得本身的输入输出点,还可以通过网络从其他的DX-9121上获得参数,这样在实际应用中可以大大扩展了DX-9121的监控范围。DX-9121获得了LONMARK认证。

4.TE-6300系列温度传感器:TE-6300系列传感器经济实用,适用于多种温度测量环境,包括室内、室外、风管、水管及风管平均温度。传感器有多种形式:1KΩ镍薄膜,1KΩ平均值,1KΩ铂薄膜,1KΩ铂等效平均值以及2.2KΩ热敏电阻。所有的传感器都带有所需的安装附件,大大方便订购和安装,从而减少调试的时间及费用。

三、OptiSYS PCS-300楼宇控制系统

浙江浙大中控信息技术有限公司创建于1999年,是浙江中控科技集团有限公司的重要组成部分。公司凭借多年来在公用工程自动化控制领域丰富的整体设计、系统集成和工程实施的基础上,依托中控集团雄厚的自动化技术、信息技术积累,成功设计开发出了基于OptiSYS PCS-300分散式可编程楼宇控制系统。该系统是一套真正的分布式智能楼宇自动化控制系统。

系统采用两层网络结构、两种总线方式,底层采用基于CAN总线的通信方式,上层采用工业以太网传输方式。主要模块有高性能以太网控制器模块、各类智能I/O模块、网络接口卡及相应控制器编程软件、OPC服务器软件组成。现场检测主要是通过各种传感器和测量仪表(如温度、湿度、感光、感烟、水位、液位、流量、电流和电压等)采集现场数据,通过I/O模块经CAN总线传送给以太网控制器。执行器则根据控制器发出的控制指令,完成对不同设备的控制(如各种阀门或风门的开闭与调节等)。网络管理功能由PCS工程师站来完成,包括配置设定的系统参数、选择监控方式、定义和更换节点等。

OPTISYS系统中所有的DDC控制器和中央监控电脑都通过以太网连接,处于平等的地位,和传统的主从通讯方式不同。每个DDC控制器都能够独立工作,不受中央或其他控制器故障的影响,从而大大提高了整个集控管理系统的可靠性,DDC均有CPU处理器进行数据处理,并且系统可对所有的DDC进行巡检,如有DDC软件丢失,中央管理站可自动下载程序,保证了系统的运行可靠。DDC控制器的CPU主控模块和I/O扩展模块之间采用先进的CANBUS或LONWORKS总线,所有的I/O扩展模块都有自己的处理芯片,可以实现远程放置。

在此基础上,又推出的智能建筑信息监控系统AdvBMS(Building Information Management System)。AdvBMS是面向建筑自动化行业、采用子系统集成模式的,集数据采集、网络通信、自动控制和信息管理于一体,是一种可二次开发的监控管理平台软件。AdvBMS系统的整体目标是要对建筑物内所有建筑设备采用现代化技术进行全面有效的监控和管理,确保大厦内所有设备处于高效、节能、最佳运行状态,提供一个安全、舒适、快捷的工作环境。

作为一套先进的综合集成管理软件,AdvBMS具有以下功能:

(1)集成大楼内的楼宇自控系统、消防报警系统、电视监控系统等弱电系统。

(2)具备流程监视、数据浏览、报警记录、实时趋势、历史趋势、分析报表、系统联动等全面功能应用。

(3)强大的实时性,实时数据的滞后时间小于3秒。系统具有操作报警、生成各种生产报表等功能。

(4)按照B/S、C/S模式设计,在内部网络或Internet上均可运行。系统对客户端访问数据的数量没有限制。

(5)彻底解决智能建筑中多种、多套弱电系统的联网、集成、管理问题。

(6)采用实时数据库技术,满足企业多工段、多车间、多过程集成需要。

(7)符合ODBC/SQL工业标准的数据库系统,能够与物业管理信息系统紧密集成。

(8)采用OPC、COM/DCOM、VBA等先进技术和开放结构,方便用户开发应用和嵌入第三方产品。

(9)操作界面友好,易学易用,其数据管理和分析工具能满足物业管理人员的需要。此外,OPTISYS楼控系统可以通过OPC或DDE网关,与国际名牌消

防系统、保安系统、智能卡系统、照明控制系统、冷冻机、锅炉、高低压配电系统直接通讯连网,实现无缝集成。

四、结语

作为智能建筑中最关键的环节,楼宇自动化系统正以前所未有的速度向前发展,各种新技术、新产品和新的解决方案层出不穷,而作为工程技术人员,更应该保持头脑清醒和冷静,根据实际情况做出最佳的选择。