計算機在建筑設備自動化系統(tǒng)中的應用

1、計算機在建筑設備自動化系統(tǒng)中的應用 摘 要文章介紹了計算機技術在建筑設備自動化系統(tǒng)（BAS）中的應用，著重對BA系統(tǒng)的組成、計算機通信網(wǎng)絡結構、功能及軟件進行了闡述。在建筑設備自動化系統(tǒng)中，從傳感器、執(zhí)行器、控制器到信息處理、通信網(wǎng)絡、遠程監(jiān)控和物業(yè)管理都離不開計算機。可以說，計算機系統(tǒng)是建筑設備自動化系統(tǒng)的核心和靈魂。 建筑設備自動化系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)結構建筑設備自動化系統(tǒng)是一個綜合集成化管理監(jiān)控系統(tǒng)，它是一種集散型控制系統(tǒng)，是世紀年代后期隨著計算機技術和數(shù)字通信技術相結合而發(fā)展起來的一種先進的控制方法。建筑設備自動化系統(tǒng)利用計算機網(wǎng)絡和接口技術將分散在各子系統(tǒng)中不同區(qū)域不同用途的現(xiàn)場直接數(shù)字

2、控制器（）連接起來，通過聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各子系統(tǒng)與中央監(jiān)控管理級計算機之間及子系統(tǒng)之間相互的信息通信，達到分散控制、集中管理的功能模式。系統(tǒng)組成主要包括：中央操作站、分布式現(xiàn)場控制器、通信網(wǎng)絡和現(xiàn)場就地儀表。其中，通信網(wǎng)絡包括：網(wǎng)絡控制器、連接器、調(diào)制解調(diào)器、通信線路；現(xiàn)場就地儀表包括傳感器、變送器、執(zhí)行機構、調(diào)節(jié)閥、接觸器等。集散型控制系統(tǒng)的特點是：以分布在現(xiàn)場被控設備處的多臺計算機控制裝置完成被控設備的實時監(jiān)控任務，克服了計算機集中控制帶來的諸多不便。既具有可編寫程序、獨立運行監(jiān)控有關設備的能力，又可聯(lián)網(wǎng)并通過中央管理機接受統(tǒng)一控制與優(yōu)化管理，從而實現(xiàn)“集中監(jiān)控，危險分散，系統(tǒng)易于擴展”的原則，提

3、高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。 控制計算機及通信網(wǎng)絡集散型計算機控制系統(tǒng)主要由中央管理計算機、設備的直接控制器與計算機通信網(wǎng)絡三大部分組成。系統(tǒng)對各部分的要求如下。 中央管理計算機中央管理計算機擔負著整個建筑或建筑群設備的監(jiān)控與管理的任務，起著類似人類大腦的指揮作用，所以又稱為上位機或中央機。除要有完善的軟件功能外，更要求硬件必須可靠。每臺都只關系到個別設備的工作，而中央管理計算機則關系著整個系統(tǒng)，并且要求連續(xù)不間斷工作，因此對其可靠性的要求就非常高。顯然，采用單臺計算機一般很難滿足要求。盡管工業(yè)控制機本身的可靠性較高，但其價格昂貴，且發(fā)生故障也會死機。目前，在大多數(shù)智能大樓系統(tǒng)中普遍采用價格

4、低廉的商用微型計算機，其可靠性不僅依賴于計算機本身的設計與制造工藝，而且必須同時設有熱備份機，即利用兩臺及兩臺以上的計算機同時工作。當一臺工作著的中央機故障，備份機能迅速接管指揮權，使系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。商用微型計算機或通用的個人計算機（）價格適當，軟件資源豐富，可利用容錯技術彌補其可靠性差的缺陷，即可達到可靠又經(jīng)濟的兩全要求。 直接數(shù)字控制器直接數(shù)字控制器（），也稱為下位機。它是利用數(shù)字式電子計算機直接測量被控設備特征參數(shù)和過程參數(shù)并達到控制目標的控制裝置。隨著微機技術的發(fā)展，直接數(shù)字控制器不僅在性能上全面超越常規(guī)模擬式測控儀表，而且在價格上也日益具有競爭優(yōu)勢。具有可靠性高、控制能力強、可編

5、寫程序等優(yōu)點，智能大樓中各類設備均已普遍使用。在的系統(tǒng)設計和使用中，主要掌握的輸入和輸出的連接。根據(jù)信號形式的不同，的輸入和輸出有如下四種。2.2.1 模擬量輸入（Analogy Input 縮寫為AI）模擬量輸入的物理量有溫度、濕度、壓力、流量等，這些物理量由相應的傳感器測得，經(jīng)過變送器轉變?yōu)殡娦盘査腿氲哪M輸入口（）。此電信號可以是電流信號（一般為），也可以是電壓信號（）或（）。電信號送入模擬量輸入通道后，經(jīng)過內(nèi)部模數(shù)轉換器將其變?yōu)閿?shù)字量，再由計算機進行分析處理。2.2.2 開關量輸入（Digital Input 縮寫為DI）對于以開關狀態(tài)為輸出的傳感器，如水流開關、風速開關、壓差開關等，

6、可以直接接在的通道上，除了測量開關狀態(tài)外，通道還可以直接對脈沖信號進行測量，測量脈沖頻率、測量其高電平或低電平的脈沖寬度或對脈沖個數(shù)進行計數(shù)。2.2.3 模擬量輸出（Analogy Output 縮寫為AO）的模擬量輸出信號是或間的電壓或、間的電流。其輸出電壓或電流的大小由計算機內(nèi)數(shù)字量大小決定。由于計算機內(nèi)部處理的信號都是數(shù)字信號，所以這種連續(xù)變化的模擬量信號是通過內(nèi)部數(shù)字模擬轉換器（）產(chǎn)生的。通常，模擬量輸出信號用來控制風閥、水閥等執(zhí)行器動作。2.2.4 開關量輸出（Digtal Output 縮寫為DO）開關量輸出亦稱數(shù)字量輸出，它可由計算機輸出高電平或低電平，通過驅動電路可帶動繼電器或

7、其他開關元件動作，也可驅動指示燈顯示狀態(tài)。信號可用來控制開關、交流接觸器、變頻器以及可控硅等執(zhí)行元件動作。 系統(tǒng)的計算機通信網(wǎng)絡智能建筑的計算機通信系統(tǒng)多采用兩級或多級網(wǎng)絡結構。計算機網(wǎng)絡設計的標準與方案很多，技術性能的提高往往帶來造價上升。因此，確定網(wǎng)絡方案應以性能價格比高為準則，即在滿足技術性能指標要求的前提下盡量降低成本。對于系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的確定，我們從以下幾方面進行分析。大型或較大型系統(tǒng)的分站，必須將分站設置在其所屬受控對象系統(tǒng)附近，使之成為現(xiàn)場工作站。分站中以一臺微處理機為核心，實現(xiàn)全部監(jiān)控功能。分站與中央站之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時分站之間也應能實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)通信。對于統(tǒng)一管理的建筑群或特

8、大建筑物，當其設備數(shù)量極多而配置又極為分散時，宜采用多個微型中心站并通過網(wǎng)橋（或網(wǎng)關）進行互聯(lián)，組成多域網(wǎng)。中型系統(tǒng)和設備分散的較小型系統(tǒng)宜采用分級分布式監(jiān)控系統(tǒng)。但當受到投資、使用、維護水平的限制時，也可采用集中式結構，即中央站采用計算機監(jiān)控，分站不設。分站采用功能模件式結構，以完成數(shù)據(jù)的采集、轉換與傳遞功能為主，而由中央站對所屬設備進行啟停控制和參數(shù)調(diào)節(jié)。小型系統(tǒng)和布置比較集中的較小型系統(tǒng)宜采用集中式結構，即僅設一臺微型計算機對現(xiàn)場的多種裝置實現(xiàn)控制，組成單機多回路系統(tǒng)。一般來說，現(xiàn)場直接數(shù)字控制器（）與網(wǎng)絡控制器之間構成第一級網(wǎng)，均采用標準工業(yè)串行通信制式，且使用價格低廉的雙絞屏蔽線作為

9、傳輸介質(zhì)；中央管理計算機或網(wǎng)絡控制器之間構成第二級網(wǎng)，由于其通信數(shù)據(jù)量大，要求速度快，故需用更高一級的或等高速通信網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為同軸電纜或光纖；為參與更高的管理級，尚需將上述局域網(wǎng)聯(lián)至更高速的廣域網(wǎng)。 中央監(jiān)控系統(tǒng)的構成與軟件在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡結構是指在局域網(wǎng)上各個節(jié)點（也叫站）之間的互聯(lián)方式。局域網(wǎng)的主要拓撲結構有星形、環(huán)形和總線結構以及環(huán)星形結構等。在集散型控制系統(tǒng)中常采用星形拓撲結構，各個分站通過通信接口與上位機連接。采用星形拓撲結構有利于共享一個中心和各個場點之間的直接通信和數(shù)據(jù)交換，同時具有經(jīng)濟性以及通信速度快、結構可靠性高等優(yōu)點。在中央監(jiān)控系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享，

10、通常以通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關為中心，以星形拓撲結構的局域網(wǎng)絡組成分布式計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關以局域網(wǎng)作為物理傳輸層，可提供基帶通信；通信電纜采用同軸電纜（以上）、電話雙絞線（以上）或雙重電纜。通信接口有：，； ，。通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關的主要功能有：通信登記功能、信息傳送路徑的設定、系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)的備份、網(wǎng)關的熱備份、遠程通信網(wǎng)絡的監(jiān)視和控制、提供智能通信接口，以建立和其他獨立設置的計算機系統(tǒng)或智能微處理器設備之間的通信和數(shù)據(jù)庫交換。中央監(jiān)控系統(tǒng)的軟件有管理軟件和通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關軟件兩大類。管理軟件提供對建筑物內(nèi)各系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的集中和全面的管理；通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)關軟件提供建筑物內(nèi)各計算機終端、智能分站之間

11、共享通信線路及通信路徑的分配信息數(shù)據(jù)資料交換和存儲，以及提供智能通信接口建立與其它獨立設置的計算機系統(tǒng)或網(wǎng)絡進行信息資源交換等。系統(tǒng)軟件采用開放式、標準化和模塊化設計。系統(tǒng)的管理軟件模塊可以根據(jù)系統(tǒng)的集成度來決定其配置，可以簡易、靈活、方便地實現(xiàn)中央管理軟件功能的增減。系統(tǒng)的界面軟件設計是面向那些不懂計算機專業(yè)知識的系統(tǒng)管理和操作人員，實用而操作簡便。系統(tǒng)軟件具有自動糾錯提示功能和設備故障指示功能；系統(tǒng)軟件提供對智能卡系統(tǒng)軟件的支持和與電話、尋呼系統(tǒng)直接通信的能力。系統(tǒng)外圍智能分站的軟件設備不依賴于中央控制軟件，當監(jiān)控中心計算機發(fā)生故障時，各外圍智能分站能夠完全獨立地監(jiān)視和控制所屬區(qū)域的設備。

12、中央管理軟件的功能模塊有：系統(tǒng)操作管理、報警信息顯示和打印、圖形顯示控制器、警報的處理、文本顯示、系統(tǒng)操作指導、巡更管理、系統(tǒng)輔助功能設定、系統(tǒng)工程編制、智能卡系統(tǒng)管理、系統(tǒng)故障自診斷、直接數(shù)字控制模塊、組合控制設定、節(jié)假日期設定、快速信息檢索、系統(tǒng)信息傳送、設備節(jié)能控制、系統(tǒng)遠程通信。 智能分站的功能與監(jiān)控軟件系統(tǒng)中的區(qū)域智能分站的主要任務有：（）進行過程信息數(shù)據(jù)的采集。即對系統(tǒng)監(jiān)控設備中的每個過程量和狀態(tài)信息、過限報警等進行快速采集，使之得到進行數(shù)字控制、階梯控制、中斷控制、開閉環(huán)控制、設備監(jiān)測、狀態(tài)報告等過程所需的信息輸入；（）進行直接數(shù)字控制。根據(jù)控制組態(tài)數(shù)據(jù)庫、控制算法模式來實施實時

13、過程量（如開關量、模擬量等）的控制。進行監(jiān)控設備過程變量的自動計算，分析是否由本級處理或向中央管理級傳送，以確定對被控裝置實施調(diào)節(jié)的參量，以及必要時實施報警、診斷報告等措施；（）實施安全性、冗余化方面的措施。一旦發(fā)現(xiàn)計算系統(tǒng)硬件或智能分站模塊板有故障，就立刻實施備用切換，以保證整個系統(tǒng)的安全運行。智能分站監(jiān)控軟件應具備的功能是：采樣點與調(diào)控點的處理、控制命令的執(zhí)行、報警設定、直接數(shù)字控制、階梯控制方式、事件時間響應程序、系統(tǒng)的節(jié)能管理、分散電力需求控制、高級控制模式、循環(huán)控制方式、時間區(qū)控制方式、最佳停止啟動控制方式、數(shù)字與邏輯運算功能、趨勢運行記錄、緊急報警等。 現(xiàn)場總線技術的應用世紀年代后

14、期，現(xiàn)場總線技術迅速發(fā)展，現(xiàn)場總線是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。雖然不同產(chǎn)品系列所遵循的協(xié)議有異，接口標準也不同，但都已在各自領域內(nèi)得到了推廣和應用，形成了各自的工業(yè)習用標準?，F(xiàn)場總線技術基本上具有如下特點：（）以數(shù)字信號取代的模擬信號。過去每一路模擬信號都需要一對信號線的傳輸方法被一對現(xiàn)場總線所代替，節(jié)約了大量的信號電纜，簡化了布線工作，降低了電纜安裝、維護費用，而且傳輸信號的數(shù)字化使得檢錯、糾錯手段得以實現(xiàn)，極大地提高了信號轉換精度和可靠性，因此具有很高的性能價格比；（）現(xiàn)場總線把處于設備現(xiàn)場的智能儀表（智能傳感器、智能執(zhí)行器）連成網(wǎng)絡，使控制、報

15、警、趨勢分析等功能分散到現(xiàn)場儀表，使控制結構進一步分散化，控制系統(tǒng)體系結構多樣化；（）符合同一現(xiàn)場總線標準的不同廠家的儀表裝置可以聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)操作；不同標準通過網(wǎng)關或路由器也可互聯(lián)。所以，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)。在具有集中結構的現(xiàn)場控制站這一層，采用現(xiàn)場總線技術，標準與現(xiàn)場總線之間以路由器相聯(lián)，構成一個完全分散的、真正開放的建筑設備自動化系統(tǒng)，不僅成本低、靈活性好，而且具有實用性和更高的可靠性。系統(tǒng)設計舉例例如某一超高層建筑的系統(tǒng)設計。設計前期首先應根據(jù)各專業(yè)所提供的資料按分區(qū)分類編制監(jiān)控點數(shù)表，以確定各設備層輸入的模擬量、數(shù)字量點數(shù)及輸出的模擬量、數(shù)字量點數(shù)。模擬量包括溫度、壓力、濕度、流量、電流、電壓等參數(shù)。數(shù)字量包括狀態(tài)信號和故障報警信號。而提供數(shù)字量的接點必須是無源接點。根據(jù)輸入輸出模擬量、數(shù)字量點數(shù)，再考慮將來的發(fā)展，留出一些備用發(fā)展點，來確定分站的數(shù)量和位置。如本大樓采用系統(tǒng)。系統(tǒng)是美國（江森）公司產(chǎn)品，它采用工業(yè)標準的高速通訊網(wǎng)絡作為通信主干線，各分站控制器和操作站均與網(wǎng)絡相聯(lián)，其通訊速度為。