智能建筑設(shè)備系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)研究

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摘要：本文介紹了智能樓宇設(shè)備系統(tǒng)的組成，總結(jié)了智能建筑設(shè)備系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)方案、組成和實(shí)現(xiàn)。介紹了系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)開放的交互操作系統(tǒng)，控制并集成空調(diào)、冷凍站、換熱站、照明、給排水、消防、高低壓配電、車庫、巡更門禁等智能樓宇系統(tǒng)的方法。

　　關(guān)鍵詞：智能 樓宇 設(shè)備 控制 系統(tǒng) 集成

　　1、前言

　　智能建筑屬大系統(tǒng)工程范疇，一般來說，大系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：多目標(biāo)、高維數(shù)、關(guān)聯(lián)性、分散性、不確定性和主動(dòng)性。其中不確定性包括隨機(jī)性、模糊性與發(fā)展性等；主動(dòng)性則表現(xiàn)在因人參與后導(dǎo)致系統(tǒng)特征的變化。智能樓宇是采用系統(tǒng)集成方法將計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)與建筑藝術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，通過對建筑設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控、對建筑內(nèi)信息資源的管理和對使用者的信息服務(wù)，以及將設(shè)備監(jiān)控技術(shù)、資源管理和信息服務(wù)與建筑要求優(yōu)化組合，建立一個(gè)投資合理、適應(yīng)信息社會(huì)需要并且具有安全、高效、舒適、便利與靈活特點(diǎn)的建筑物。

　　2、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想

　　系統(tǒng)集成大體上可以歸納為兩個(gè)方面的內(nèi)容：設(shè)備的集成和信息的集成。所謂設(shè)備集成是指通過相似或兼容的技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)在同一技術(shù)平臺上實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到減少設(shè)備投入，簡化施工，減少維護(hù)的目的，比如綜合布線、LONWORKS現(xiàn)場總線、BACnet等技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)通訊平臺。所謂信息集成是指不同系統(tǒng)之間往往需要交換信息，或需要綜合多個(gè)系統(tǒng)提供的信息做出判斷，這就要求不同系統(tǒng)之間的信息能夠共享。盡管學(xué)術(shù)界提出"一體化集成"的說法，但在工程實(shí)踐中，由于技術(shù)條件和成本的限制，一般還是根據(jù)具體情況實(shí)施多種集成方案，以合理滿足用戶的需求。

　　2.1系統(tǒng)組成

　　整個(gè)控制系統(tǒng)由就地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、中央操作站和現(xiàn)場顯示觸摸屏三個(gè)部分構(gòu)成，其中就地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)稱為下位機(jī)，中央操作站稱和現(xiàn)場顯示觸摸屏為上位機(jī)。下位機(jī)采用直接數(shù)字控制器（DDC），上位機(jī)采用基于Windows2000Pro操作系統(tǒng)。就地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和中央操作站一起組成了完善的DCS集散控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)包括12個(gè)子系統(tǒng)，分別是：中央空調(diào)、冷站、換熱站、給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明、高壓配電、低壓配電、消防、巡更安防、車庫通風(fēng)、可燃?xì)怏w防護(hù)。

　　2.1.1就地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

　　就地計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制現(xiàn)場設(shè)備，同時(shí)完成對各種接入傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后通過通訊口向上位機(jī)傳輸所采集的模擬量、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等重要運(yùn)行數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)異常時(shí)，DDC負(fù)責(zé)記錄報(bào)警信息，包括報(bào)警對象、報(bào)警時(shí)間、報(bào)警點(diǎn)的值、恢復(fù)正常的時(shí)間等，并向上位機(jī)傳送報(bào)警信息。概括的說，就地計(jì)算機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)中真正對設(shè)備直接控制的關(guān)鍵部分。

　　2.1.2中央操作站

　　中央操作站通過專門的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)與就地計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成完整的集散控制系統(tǒng)（DCS），一方面，它接收來自DDC發(fā)送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用自身的計(jì)算處理能力，對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，形成完善的歷史曲線、報(bào)警記錄等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并提供諸如報(bào)表打印等一系列管理功能；另一方面，通過上位機(jī)可以完成所有下位機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程參數(shù)整定（RemoteSetting）、控制功能選擇、設(shè)備遠(yuǎn)程操作（RemoteOperate）等工作，起到一個(gè)總管理者的作用。

　　中央操作站用完全圖形化的界面直觀地顯示各下位機(jī)全部運(yùn)行參數(shù)，如圖1所示，在此基礎(chǔ)上加以處理、記錄。本系統(tǒng)軟件建立在可靠的Windows2000Pro中文平臺上，且內(nèi)核完全中文化，非常易于學(xué)習(xí)使用。

　　在中央操作站可對現(xiàn)場控制器（DDC）進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，它們之間利用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具有高速、可靠、可擴(kuò)充性好的特點(diǎn)。

　　2.1.3數(shù)據(jù)交換的實(shí)現(xiàn)

　　在中央操作站和DDC通訊時(shí)，使用主從方式，中央操作站作為Master發(fā)送指令給DDC，DDC作為Slave處于被動(dòng)狀態(tài)，被傳送的一組數(shù)據(jù)成為“幀”。觸摸屏發(fā)送的幀的結(jié)構(gòu)，如表1所示。

　　傳送幀的格式表1：

@　 LenL　 LenH　 NodeNum　 CodeNum　 Data…　 ChkSum　 $　 起始符數(shù)據(jù)長度節(jié)點(diǎn)號命令碼傳送的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和終止符　

　　本協(xié)議每一個(gè)數(shù)據(jù)都是以無符號的8位數(shù)據(jù)傳送，每次只能傳送0~255之間的數(shù)，如果大于255就要將其分解傳送，先傳送低位，再傳送高位，傳送結(jié)束后再還原；如果是字符，則傳送字符的ASCII碼的值。其中，‘@’作為通訊的起始符，表示傳送一組數(shù)據(jù)的開始；LenL表示傳送數(shù)據(jù)長度的低8位，LenH是高8位。NodeNum是節(jié)點(diǎn)號，當(dāng)中央操作站和多個(gè)DDC相聯(lián)時(shí)，用來標(biāo)識DDC；CodeNum表示命令碼，用來判斷是向DDC讀或?qū)憯?shù)據(jù)；Data是要傳送的數(shù)據(jù)；ChkSum是校驗(yàn)和，計(jì)算方法是從NodeNum開始累加到ChkSum前一個(gè)字節(jié)為止，在累加過程中，如果溢出將溢出部分丟棄。‘$’是通訊的終止符，表示傳送一組數(shù)據(jù)結(jié)束。

　　其中，ChkSum（校驗(yàn)和）是為了提高通訊的可靠性而設(shè)置的，它被安排在終止符的前面，以檢查傳送的數(shù)據(jù)是否正確。每次接收到一幀，計(jì)算校驗(yàn)和，若與幀中的校驗(yàn)和不相等，就認(rèn)為本次幀傳送錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)舍棄不用。

　　2.1.4通信方式

　　數(shù)據(jù)在通信線路上傳輸有方向性，按照數(shù)據(jù)在某一時(shí)間傳輸?shù)姆较颍€路通信方式可以分為單工通信、半雙工和全雙工通信方式。系統(tǒng)采用485總線通信，因此線路通信方式為半雙工方式。傳輸速率是指單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒘?，它是衡量系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕笜?biāo)。調(diào)制速率是脈沖信號在經(jīng)過調(diào)制后的傳輸速率。信號在調(diào)制過程中，單位時(shí)間內(nèi)調(diào)制信號波形變化次數(shù)，也就是單位時(shí)間內(nèi)能調(diào)制的調(diào)制次數(shù)，其單位是波特（Baud）。調(diào)制速率和數(shù)據(jù)信號速率在傳輸?shù)恼{(diào)制信號是二態(tài)串行傳輸時(shí)，兩者的速率在數(shù)值上是相同的，否則就不一樣。

　　3、設(shè)計(jì)功能詳述

　　3.1各系統(tǒng)的構(gòu)成及功用

　　整個(gè)系統(tǒng)分為12個(gè)子系統(tǒng)，分別是：中央空調(diào)、冷站、換熱站、給水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、照明、高壓配電、低壓配電、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、巡更安防、車庫通風(fēng)。各系統(tǒng)的構(gòu)成及功用如表2所示。

　　各系統(tǒng)的構(gòu)成及功用表2：

系統(tǒng)名稱　 監(jiān)視對象　 控制內(nèi)容　 中央空調(diào)智能系統(tǒng)　 空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī)和相應(yīng)的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥（包括加熱、加濕、制冷和風(fēng)門執(zhí)行器）　 1. 根據(jù)房間的平均溫濕度與設(shè)定的溫濕度對比后根據(jù)以PID算法為基礎(chǔ)控制模型計(jì)算后自動(dòng)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)制冷閥、加熱閥與加濕閥的開度。
2. 聯(lián)動(dòng)控制3. 保護(hù)控制　 冷凍站智能系統(tǒng)　 1.（冷）交換器、換熱水泵
2. 換熱水泵的運(yùn)行狀態(tài)和故障、蒸汽壓力與流量、蒸汽供汽/凝水溫度、熱水進(jìn)水/出水溫度、一次/二次冷水進(jìn)水/出水溫度、蒸汽/冷水調(diào)節(jié)閥溫度、換熱泵的電流信號等。　 根據(jù)要求啟停冷水機(jī)組、冷卻泵、冷凍泵、電動(dòng)蝶閥、冷卻塔風(fēng)扇；冷水機(jī)組臺數(shù)控制、冷凍水壓差控制、冷卻水溫控制、定壓水罐壓力控制、補(bǔ)水箱液位控制　 換熱站智能系統(tǒng)　 對樓內(nèi)空調(diào)機(jī)組、冷水機(jī)組、排煙風(fēng)機(jī)、照明、變配電、新風(fēng)機(jī)組及大廳噴泉水幕系統(tǒng)等實(shí)施自動(dòng)化節(jié)能控制及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視　 1.冬季模式下，通過調(diào)節(jié)模擬熱水出水溫度的旋鈕來控制蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度（PI調(diào)節(jié)）
2.夏季模式下，通過調(diào)節(jié)模擬二次側(cè)冷水出水溫度的旋鈕來控制一次側(cè)冷水調(diào)節(jié)閥的開度（PI調(diào)節(jié)）　 生活給水排水智能系統(tǒng)　 1. 生活泵、加壓泵、變頻器、中區(qū)/高區(qū)水箱水位、蓄水池
2. 排水泵、排污泵、積水坑/污水坑水位　 1.水位控制生活泵的啟停、根據(jù)加壓泵總管出口壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的變化、控制大樓的蓄水池自動(dòng)啟停水泵
2. 積水坑/污水坑水位高于啟泵水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)排水泵、排污泵，水位低于停泵水位時(shí)自動(dòng)停排水泵、排污泵；積水坑/污水坑水位高于報(bào)警水位時(shí)，啟動(dòng)備用泵　 照明智能系統(tǒng)　 1. 大廳、車庫、東西區(qū)走道的照明、辦公、障礙照明、建筑物立面照明　 1. 根據(jù)照度控制或者由個(gè)人自行遠(yuǎn)程集中控制
2. 實(shí)現(xiàn)以周為單位預(yù)設(shè)定實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制　 高低壓配電智能系統(tǒng)　 1. 高低壓配電柜、變壓器
2. 電壓、電流、功率因數(shù)、變壓器、有/無功功率、斷路器的狀態(tài)　 1.變壓器溫度超限報(bào)警
2.斷路器動(dòng)作報(bào)警
3.自動(dòng)計(jì)算有功功率、無功功率　 車庫通風(fēng)智能系統(tǒng)　 1. 送風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、二氧化碳的濃度、車位的狀態(tài)　 1.據(jù)測得二氧化碳的濃度與系統(tǒng)設(shè)定值比較，啟停送風(fēng)機(jī)與排風(fēng)機(jī)
2.自動(dòng)判斷車位的有無　 巡更安防智能系統(tǒng)　 1. 更點(diǎn)、微波移動(dòng)檢測器、線纜周界檢測器、玻璃破碎檢測器
2. 按照預(yù)先的設(shè)定線路檢測各個(gè)巡更點(diǎn)的狀態(tài)　 1. 指定巡更路線和每巡更段完成的最長時(shí)間來檢測巡更人員的工作狀態(tài)，對他們的巡更情況進(jìn)行監(jiān)督、記錄，并能對意外情況報(bào)警和及時(shí)的處理。
2. 巡更超時(shí)報(bào)警、巡更暫停報(bào)警、各個(gè)檢測點(diǎn)報(bào)警　 建筑消防智能系統(tǒng)　 1.溫感器、感煙器、消防水泵、噴淋泵、定壓泵、火災(zāi)廣播、疏散照明、正壓風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)　 1. 準(zhǔn)確探測產(chǎn)生火災(zāi)的警情并及時(shí)報(bào)警
2. 在確認(rèn)火災(zāi)發(fā)生后，可實(shí)施人工或自動(dòng)滅火及阻隔火災(zāi)的控制　

　　以上弱電子系統(tǒng)在整棟建筑物內(nèi)擔(dān)負(fù)著各自不同的功能，各系統(tǒng)的功能既相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立，如何利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和高效可靠的網(wǎng)絡(luò)操作平臺實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能子系統(tǒng)的互連、資源共享及信息交換，是保證本建筑內(nèi)整個(gè)弱電系統(tǒng)能充分發(fā)揮其功能的核心問題。

　　3.2集成系統(tǒng)的操作平臺

　　本系統(tǒng)采用重慶太和空調(diào)自控有限公司開發(fā)的大型建筑弱電系統(tǒng)集成軟件作為系統(tǒng)集成軟件操作平臺，是為完成智能建筑領(lǐng)域的控制集成和信息集成而開發(fā)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)集成產(chǎn)品，通過系統(tǒng)內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)平臺與應(yīng)用集成平臺，達(dá)到所有子系統(tǒng)間高效、可靠的信息交換，從而為智能大廈與智能小區(qū)提供靈活的解決方案，解決當(dāng)前智能建筑系統(tǒng)集成過程中廣泛存在的問題。系統(tǒng)內(nèi)部建有智能建筑各常用弱電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制模板，調(diào)試人員可根據(jù)工程項(xiàng)目的實(shí)際需要，靈活方便的裁剪出滿足設(shè)計(jì)要求的各子系統(tǒng)操作界面，完成對智能建筑功能子系統(tǒng)的集成，使現(xiàn)場調(diào)試人員無需編程，便可完成工程組態(tài)和調(diào)試，最終呈現(xiàn)給用戶滿意的功能和界面

　　系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：

　　（1）采用Internet時(shí)代的B/S三層體系架構(gòu)；

　?。?）支持局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)；

　　（3）內(nèi)嵌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫保障子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互；

　　（4）靈活的用戶權(quán)限管理，完善的安全保障機(jī)制，提供多級權(quán)限管理；

　　（5）綜合各個(gè)控制子系統(tǒng)的歷史和當(dāng)前狀態(tài)信息，提供相關(guān)報(bào)告；

　?。?）系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)化和聯(lián)動(dòng)控制，提供實(shí)時(shí)的系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)功能；

　?。?）支持已開發(fā)工程及子系統(tǒng)的直接復(fù)用；

　?。?）支持LONWORKS現(xiàn)場總線；

　　（9）能夠支持第三方應(yīng)用系統(tǒng)的集成，同時(shí)能夠被第三方系統(tǒng)集成。

　　4、系統(tǒng)集成中決策支持系統(tǒng)需要解決的問題

　　集成后的系統(tǒng)往往很龐大，這個(gè)龐大的系統(tǒng)的復(fù)雜性并不是其組成的各個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜程度的簡單代數(shù)和，往往是各個(gè)子系統(tǒng)復(fù)雜程度之和的幾十倍甚至數(shù)百倍，而我們常常面臨著這樣的大系統(tǒng)中的組織管理、協(xié)調(diào)、規(guī)劃、預(yù)測和控制等重大決策問題。這些問題的特點(diǎn)表現(xiàn)在層次結(jié)構(gòu)上越來越復(fù)雜，空間活動(dòng)的規(guī)模上越來越大，時(shí)間尺度上越來越快，后果和影響上越來越廣泛和深遠(yuǎn)。

　　系統(tǒng)的復(fù)雜性和因素的模糊性，給系統(tǒng)帶來了新的問題，如：

　　4.1知識獲取的不完全性

　　由于受認(rèn)知過程的復(fù)雜性和認(rèn)識水平的制約，此時(shí)人們獲得的數(shù)據(jù)往往是不精確的，即有所了解，但不全面；有所掌握，但不肯定；有所估計(jì)，但不確切。

　　4.2推理規(guī)則的過于經(jīng)驗(yàn)化

　　此時(shí)，決策所需的規(guī)則往往是經(jīng)驗(yàn)式的。規(guī)則的前件或后件所包含的概念外延不清晰。用精確數(shù)學(xué)模型已經(jīng)不能較好的描述這些大量存在的模糊概念了。

　　4.3約束指標(biāo)的不確定性

　　決策約束指標(biāo)可能不是定量的指標(biāo)，往往是類似如“較大”、“很高”、“非?？?rdquo;等自然描述語言。

　　5、結(jié)束語

　　作為建筑智能化系統(tǒng)集成的應(yīng)用實(shí)例，該系統(tǒng)構(gòu)建了綜合局域網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場控制總線網(wǎng)絡(luò)，通過智能建筑專用軟件平臺，良好的實(shí)現(xiàn)了各相關(guān)功能子系統(tǒng)的互連、信息交換及資源共享，并為日常管理提供了先進(jìn)的智能化管理手段。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1、胡崇岳主編。智能建筑自動(dòng)化技術(shù)機(jī)械工業(yè)出版社，1999.6

　　2、徐應(yīng)聲智能建筑系統(tǒng)集成化技術(shù)。建筑學(xué)寶，1992