5.1 楼宇自动控制系统

楼宇自动控制系统把大楼设备的监控管理融合为一体，如图5-2所示。

系统采用先进的传感器数据采样技术、自动控制技术、计算机技术和网络通信技术等多学科相结合构成的一整套自动控制系统，控制对象是楼内各类机电设备和相关设施。

5.1.1 集散型BAS系统

BAS的特点是适宜采用图5-3所示的集散型控制方式。系统由传感器、执行装置、DDC直接数字控制系统（简称下位机）、中央集中管理服务器（简称上位机）和数据传输通信网络五部分组成。

1.直接数字控制系统

直接数字控制系统（Direct Digital Con-trol，DDC）是指在计算机参与的闭环控制过程中，由分散在被监控设备附近的DDC数字控制机输出的数字量直接控制调节阀门等执行机构。DDC数字控制机直接对被监控设备进行数据采集、数据处理、监测控制，并与中央集中监控管理服务器相结合，实施分层控制，大大加

图5-2 BAS系统把大楼设备的监控管理融合为一体

RU—通信接口 SCU—通信接口

图5-3 集散型控制系统的基本组成

强了各子系统的独立性和可靠性，减少了中央管理服务器的工作量。

图5-4是DDC控制系统框图。DDC数字控制机实际上是一台计算机，它具有可靠性高、控制功能强、可编写程序，既能独立监控设备，又可联网接受中央管理服务器实行统一控制和集中管理。

分布在被监控设备附近的DDC直接数字控制器独立运行，完成对被控设备特征参数的采集和过程参数的测量，并对控制对象进行闭环控制，不受网络或其他控制器故障的影响。每台DDC留有10%～15%采集点的扩充余量。

（1）DDC直接数字控制器主要功能。

1）对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集。

图5-4 DDC控制系统框图

2）对采集的数据进行调整和处理（滤波、放大、转换）。

3）对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态。

4）对现场设备的运行状态进行检查对比，对异常状态进行报警。

5）根据现场采集的数据执行预定的控制算法，获得控制数据。

6）通过预定的控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、PID比例积分控制、比例积分/微分控制以及其他类型的控制功能。

7）向第三层的数据控制和执行设备输出控制和执行命令。

8）通过数据网关或网络控制器连接第一层的设备，与上级中央管理服务器进行数据交换，发出请求和接收各种控制命令。

（2）DDC控制器软硬件功能模块。

1）采用32位微处理器编程。

2）具有不同类型点对点的终端模块。

3）电源模块。

4）通信模块。

5）具有可脱离中央控制主机独立运行或联网运行能力。

6）可配置不同的输入/输出模块。

①模拟信号输入、数字信号输入和脉冲信号输入。

②模拟信号输出和数字信号输出。

7）用LED屏显示数据输入，输出点的实时状态变化。

8）当外电断电时，DDC的后备电池可保证RAM中的数据保存60天。

9）当外电重新供应时，DDC自动恢复正常工作。

10）存储的数据非正常丢失时，通过现场数据接口和网络，可将数据重新写入DDC控制器。

11）操作程序与应用程序均采用PPCL高级语言。

12）中央管理计算机和便携机均可编写、修改应用程序。

13）市电及后备电池同时丢失时，仍能保存应用程序。

14）工作环境：温度：0～50℃，相对湿度RH：10%～90%。

（3）DDC控制器分类。DDC控制器分为MBC模块式楼宇控制器、UC单元式控制器和DPU数字控制器三类。

1）模块式楼宇控制器。模块式楼宇控制器（Module Building Controller，MBC）不仅可以独立完成DDC现场控制，同时为整个楼宇系统提供强大、完善的网络管理和通信功能，管理各种各样的楼宇弱电子系统。

模块式楼宇控制器的网络接口扩展了对楼宇内其他系统的数据收集、报告、报警管理、图形命令等功能，因此与楼宇内各子系统间（包括防火、安保、暖通空调（HVAC）、照明、电力和其他弱电子系统）可建立良好的通信联系。各类BAS系统仅需要一台MBC模块式楼宇控制器就能容纳多个网络接口模块来管理各种各样的弱电子系统。MBC模块式楼宇控制器具有以下特点：

①最多可处理288个不同的输入/输出点类型。

②具有节能管理、报警及历史数据软件。

③可与工作站联网及提供3条局部区域网。

④具有2个与计算机、工作站、电话连接的RS-232C网络接口。

2）UC单元式控制器。单元式控制器（Unitary Controller，UC）为空调设备的温度控制和能量分配功能提供直接数字控制，是BAS系统中使用最多的现场DDC。单元式控制器可作为独立应用的控制器工作，也可在局域网上扩展。时间表、设置点和其他工作参数可通过使用任选小键盘（Keypad）显示或单元控制器接口软件来认定或改变。可直接安装在HVAC暖通机电设备上或附近的墙壁上。

3）DPU数字控制器。DPU数字控制单元是一种现场扩展控制器，为现场控制器（包括MBC模块化楼宇控制器、RBC远程楼宇控制器、PXC模块化可编程序控制器、FLN楼层控制器和PXM点扩展模块等）提供额外的数字监控点容量。

DPU为远程数字监控点提供监视，例如低温探测器、热源探测器、流量开关。DPU还用于对多台机电设备的运转情况进行监视，以及对多级电加热进行步进控制。DPU的容量：12位数字输入点和12位数字输出点。

2.传感器

自动化控制首先要求对现场监控对象进行数据采集，如温度、湿度、压力、流量和二氧化碳含量等物理量的变化值。

传感器是指把被测物理量的变化转换为电信号的装置。变送器是将由传感器输出的电信号经过校验和处理变换成标准的（电流、电压）电信号。在楼宇自动化系统中，通常用来检测空调系统的冷热水温度、压力、流量，送风系统的温度、空气质量，供电系统的电压、电流、功率、功率因数等。采集后的信号经由变送器处理后输入给DDC直接数字控制器，由DDC的输出驱动执行装置（各种电动控制阀和开关等），实现系统自动控制。表5-4是传感器的典型输出特性，图5-5是各种传感器和控制阀门。

表5-4 传感器的典型输出特性

各部分的功能如下：

1）温度传感器：测试范围为0～100℃。

2）湿度传感器：测试范围为0%～100%RH。

3）压力传感器：测试冷冻水和冷却水水压。

4）风速传感器：测量空调风机的风速。

5）压差传感器：测量压差。

6）空气质量传感器：监测混合气体的质量。

7）流量传感器：测量水管流量。

8）变配电变送器。

图5-5 各种传感器和控制阀门

3.阀门和驱动器

阀门是楼宇自动化控制的一种执行装置，包括风阀、水阀和各种可控开关等。

电动执行器和风门执行器是用来驱动水阀和风阀的电气驱动装置，可以用开关量或模拟量控制，对阀门的开度实行调节，各阀门之间还可以实行联锁控制。

压差开关、水流开关、防霜冻开关、风阀执行器、阀门驱动器、变频器等广泛用于空调系统的制冷站、供热站的水阀控制，以及空气处理机和新风机组的风阀控制。

4.中央监控管理计算机系统

中央计算机监控管理系统，由计算机工作站、网络接口、彩色大屏幕显示器、打印机等组成，是BAS的集中监控管理中心，可以直接和以太网相连。整个大厦内受监控的机电设备都在这里进行集中管理和运行状态显示。

计算机工作站内安装中/英文Insight工作软件，可实现人机对话、动态显示图形，为用户提供一个非常好的、简单易学的界面。操作者无需专业软件知识，即可通过“鼠标”和键盘操作管理整个控制系统。系统可连接一台或一台以上工作站作为副控台，作为辅助控制和备份之用。

中央计算机管理系统的主要功能有：监控功能、显示功能、控制功能、操作功能、数据管理功能、记录功能、故障自诊断功能、内部互通电话等功能。

（1）监控功能。

1）监控各管理点工作状态，定期更新各管理点数据。

2）设置各管理点警报级别，自动执行警报信息显示和强制画面显示。

3）启动/停止失败监控，对异常启动/停止发出警报。

4）设定监控点计测值的上、下限及超限报警。

5）计测值偏差监控及超差报警。

6）设备连续运转时间的超限监控和报警。

7）设备运转时间积累、启动/停止次数累计统计和维护、保养提示。

（2）显示功能。

1）显示方式：图形、图表、数据、动画、漫游和多窗口等多种显示方式。

2）管理点详情显示：可显示48h内监控点的运行状态趋势图；同一画面上可同时显示8个管理点的数据。

3）设定值、计测值、累计值显示：每隔1min刷新计测值、设定值；每隔30min或1h刷新累计值，分别以趋势图、长条图、累计图、组合图等方式显示。

设定值、计测值、累计值可按每小时（一周间）、每日（2个月间）、每月（2年间）等不同指定条件，以时间数列方式显示。

4）警报一览表显示：可随时检索系统中发生的警报。

5）程序一览表显示：根据程序类型，以一览表方式显示出日历、时间程序、联动程序、趋势图、长条图等各种程序的名称。

6）日报、月报、年报显示。

（3）控制功能。

1）自动定时启动/关闭相关设备。

2）联动程序启动控制：管理点发生情况变化或发生警报等情况，系统根据应急预案，自动启动相关冗余设备的联动程序。

3）火灾意外事故程序控制。

4）停电时，强制驱动备用电源、自备发电机。

5）恢复供电程序控制：电源故障排除后恢复供电电源，控制器无需人为干预，自动完成修复所有监测功能，恢复当前操作、时间和状态同步，自动完成启动方案。

6）降耗节能自动控制。

7）室外新风引入自动控制。

8）公共区域照明自动控制。

9）简易运算控制。

（4）操作功能。

1）系统启动/停止：手动/自动切换操作。

2）程序设定值变更：修改、变更标准值、控制参数、登录管理点、时间顺序等设定值。

3）制定管理点的许可/禁止或暂停执行控制操作。

4）操作密码授权。

5.数据传输网络

BAS系统的数据传输网络是一个典型的计算机局域网，采用TCP/IP协议，高速局域网（以太网）配置，支持100Mbit/s到工作站的传输速率，作为大楼局域网的子网。高速局域网支持多用户通信和多用户对话活动，整个网络上信息共享。系统通过集线器和企业网连接，数据传输网络由大楼综合布线系统构成。

网络结构：BAS的网络结构由第一级高速局域网和二级网络总线（信息总线）组成。

（1）高速局域网。第一级是高速局域网，用于传递控制点的信息及报警信息。它支持一级控制器、工作站和文件服务器。普通PC都可以进入以太网进行数据管理，实现区域性数据联网。

图形工作站通过PtoP（Peer to peer network）同层总线共享网络，可连接多达100台MBC模块式楼宇控制器，速率可达1.44Mbit/s。每台MBC控制器的LAN网可连接多达96台独立式单元控制器或非独立式单元控制（UC、TEC、DPU等），为系统扩展及完成较大型集散系统提供了方便。

（2）二级网络总线（信息总线）。二级网络总线（信息总线）支持区域DDC控制设备，控制楼宇HVAC暖通空调系统和灯光系统。RS-485总线的传输速率是19200bit/s。信息总线提供点对点的通信线路。二级DDC控制器和便携式服务器之间、二级服务器之间可以同时通信，当一级控制器发生故障时不影响与之相连的信息总线。

图5-6是二级总线与高速局域网通过一级网络控制器实现双向通信，传递网络信息。其中设备管理部分是大楼计算机局域网的子网，采用开放式企业级集成软件的集成监控系统，这个系统经过通信网络接口在主工作站上集成为对所有设备统一监控管理的平台（中央计算机监控管理系统）。图中的交换式集线器、Internet服务器和物业管理服务器，属于大楼的网络设备。各类用户计算机设备不属于设备集成管理系统的专门配置。安全防范、消防报警和智能卡等系统主机分别为各分系统的配置。

图5-6 BAS系统的网络架构

5.1.2 BAS系统功能软件

BAS系统中不同设备的软件分别有不同的要求，包括工作站、高速局域网、文档服务器、一级控制器和二级控制器的控制软件等。

1.系统操作软件

BAS是随着计算机在环境控制中的应用而发展起来的一种智能化控制管理系。设计上充分体现了分散控制、集中管理的特点，既能保证每个子系统都能独立控制，又能在中央工作站上做到集中管理，使得整个系统的结构完善、性能可靠。

BAS已从过去的非标准化设计，发展成为标准化、专业化产品，从而使系统的设计安装及扩展更加方便、灵活，系统的运行更加可靠，系统的投资大大降低。

工作站软件包括操作系统和数据库应用软件。操作系统为楼宇自控系统提供了强大的工作平台，通过系统操作软件，操作员可以在楼宇自控系统内进行各项资料的存取及监控。软件由磁盘或CDROM光盘提供。

（1）指令输入及菜单选择方式。操作员除了可以通过常规键盘进行操作外，亦可通过鼠标进行操作，包括启停、更改设定点、选择菜单等各项操作。

（2）图形及文字显示。操作员可以决定在操作站以图形或文字方式显示楼宇自控系统内每一个监控点。

（3）多种数据同时“窗口”显示。操作系统可以在同一时间内以“窗口”式的方法显示多方面的资料，以便容易对不同运行状态进行分析，真正做到了实时和多任务。

（4）多级密码保护。多级密码为业主及各管理层次人员提供更有效的保护工具，防止非授权人员非法操作，提高系统的安全性。

同一密码系统可同时应用在所有的操作装置上，如中央管理工作站、手提检测器等。当增减或改变密码系统时，所有操作装置同一时间自动配合，不需要在个别操作装置做出更改。

密码系统最少分为下列五级，系统内最少有五十个密码，足够供相关人员使用。

第一级：资料显示及取存权限。

第二级：第一级+操作员改变程序的权限。

第三级：第二级+更改资料库的权限。

第四级：第三级+重新设定资料库的权限

第五级：第四级+更改密码系统的权限。

操作人员离开前如果忘记取消网络登录，系统提供1min至1h的可调延续时间，到达设定的延续时间，将自动取消网络登录，使系统继续受密码保护。

（5）操作员指令。操作系统容许操作员至少需要执行下列各项指令：

1）有关设施的起动或停止。

2）调整设定监控点参数。

3）增加、取消或修正时间控制程序。

4）执行或停止各项计算机程序。

5）接通或停止监控点的报警状态。

6）执行或停止监控点运行时间累积记录。

7）执行或停止监控点的动向趋势记录。

8）超越控制有关微积分控制回路的设定点。

9）临时性的超越控制表。

10）设立假期表。

11）修正系统内的日期、时间。

12）加入或更改模拟量输入点的报警上下限数值。

13）加入或更改模拟量输入点的危险上下限提示数值。

14）检察报警及提示危险上下限数值。

15）执行或停止每个电表的最大用电量控制。

16）执行或停止每个负荷的“工作次序”。

（6）记录及摘要。楼宇自控系统内的活动可通过手动或自动制作成一份记录表，然后打印或在显示屏上显示，或存放硬盘。操作员可以轻易获得下列各种记录表。

1）监控点总表。

2）正在报警的监控点。

3）正在与系统网络停止联系的监控点。

4）正在被超越监控的监控点状态。

5）正在被停止的活动监控点。

6）正在被锁上的监控点。

7）被指定需要跟进的项目。

8）一星期启停活动表。

9）上下限数值及静区。

10）系统同时可以提供以下摘要。

①有关监控点。

②互相关联点的组别。

③操作员自行选择的组别：在任何情况下，操作员并不需要提供有关硬件的地址码。

（7）彩色动态图形显示。为更快确认系统内的报警和更容易分析系统运行状态，系统提供彩色动态图形显示，包括楼层的平面图及机电装置的系统状态示意图。

1）操作系统容许操作员通过菜单选择、文字指令或图像的方法到达不同系统的图形示意图或平面图。

2）动态显示实时数值及变化状态：温度、湿度、流量、状态等图形，操作员不需介入作出任何动作程序。

3）操作站以“窗口”式运作，可同时显示多幅图形，以便分析或将报警的图形显示出来。

4）容许操作员增加、取消或修改彩色动态图形显示软件。

5）系统架构及界定：所有温度及装置的控制策略及节能程序可以由用户决定，在作出

界定或修正程序时，不影响楼宇自控系统的正常运作。

2.DDC控制器软件

DDC控制器软件是指一级控制器和二级控制器内的操作系统。包括区域控制系统的运行、通信和特殊控制功能。

一级控制器由局域网网络控制器、远程主控制器和以局域网为基础的设备控制器组成。操作系统驻留在ROM存储器里，所有应用软件驻留在有后备电源的RAM里，应用软件的大小由RAM容量限制。系统对应用程序的类型不受限制。

二级控制器用于HVAC暖通空调单元和灯光控制，编程与一级控制器相同，系统会自动对控制器程序进行编译。

每一个DDC控制器都有并行通信功能，保持所有的控制程序同时执行，每个程序可以访问所有输入输出设备的处理器，任何一个程序都可以共享其他程序运行的结果，保证公共数据的共享。

用户通信包括访问、进入程序、打印等，一旦编程结束，控制器就能以独立工作方式管理设备。不同控制器之间可以共享控制点，使用相同的编程方法。

工作站、便携式服务器或连接在一级控制网络或远程主控器上的终端和终端软件，它们都可接收数字量、模拟量和开关量。在模拟和数字输入和输出范围内，软件把这些不同格式的信号自动转换成线性或非线性的设备控制信号。

二级控制器内有过载开关软件，可以检测过载开关状态、记录当前模拟和数字输出的过载值。

3.历史记录

每个控制器能够记录从开始到365天内任何时间的各种变化（包括输入、输出、数学计算、标志等），记录的内容包括系统参数的瞬时值、平均值、最大值和最小值，可以设置为自动或手动操作。

4.报警

区域终端、工作站或远程计算机设备，可显示每个控制点的一个或多个报警或报告信息。