樓宇自動化系統(tǒng)的基本概念

第二單元智能建筑的

計算機控制基礎(chǔ)應(yīng)知：自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；樓宇常用傳感器和執(zhí)行器的工作原理和使用；樓宇控制系統(tǒng)（BAS）的結(jié)構(gòu)和組成；控制網(wǎng)絡(luò)概念，BACnet、LonWorks總線協(xié)議的基本概念和優(yōu)缺點。應(yīng)會：能夠正確選擇傳感器和執(zhí)行器；掌握PID參數(shù)對控制動態(tài)響應(yīng)的影響。FASOAS5ABASSASCAS復習硬件部分計算機系統(tǒng)的組成軟件部分一計算機控制系統(tǒng)組成計算機被控對象過程通道組成人-機聯(lián)系設(shè)備和控制操作臺1硬件部分1硬件部分圖1-2計算機控制系統(tǒng)的組成

微處理器（CPU）存儲器ROM

RAM

系統(tǒng)總線

1.1計算機組成計算機的主要任務(wù)按照預(yù)先編制好的程序進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、邏輯判斷、控制量計算、報警等。同時，通過接口電路向系統(tǒng)的各個部分發(fā)出各種控制命令，指揮整個計算機控制系統(tǒng)有條不紊地工作1.2過程通道定義：是計算機與被控對象之間交換數(shù)據(jù)信息的橋梁，是計算機控制系統(tǒng)按特殊要求設(shè)置的部分。傳輸信號的形式可分為按信號的傳輸方向模擬量通道開關(guān)量通道輸入通道輸出通道AI

過程通道AnalogInputsDI

AO

DO

Analog

OutputsDigitalOutputsDigitalInputs用來將被控對象的模擬量被控參數(shù)（被測參數(shù)），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送至計算機，檢測元件（傳感器）包括變送器多路采樣器模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器模擬量輸入通道（AnalogInputs，AI）用來將計算機輸出的數(shù)字信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變換為模擬量后，去控制各種執(zhí)行機構(gòu)動作。執(zhí)行機構(gòu)是氣動或液動元件，還需經(jīng)過電-氣、電-液轉(zhuǎn)換裝置，將電信號轉(zhuǎn)化為氣體驅(qū)動和液體驅(qū)動信號。每個模擬量輸出回路輸出的信號在時間上是離散的，而執(zhí)行機構(gòu)要求是連續(xù)的模擬量，所以通過輸出保持器將輸出信號保持后，再去控制執(zhí)行機構(gòu)。模擬量輸出通道（AnalogOutputs，AO）用于將現(xiàn)場的各種限位開關(guān)或各種繼電器的狀態(tài)輸入計算機。各種開關(guān)量輸入信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換、光電隔離并消除抖動后，被存入寄存器中，每一路開關(guān)的狀態(tài)，相應(yīng)地由寄存器中的一位二進制數(shù)字0、1表示，計算機的CPU可周期性地讀取輸入回路每一個寄存器的狀態(tài)來獲取系統(tǒng)中各個輸入開關(guān)的狀態(tài)。開關(guān)量輸入通道（DigitalInputs，DI）用來控制系統(tǒng)中的各種繼電器、接觸器、電磁閥門、指示燈、聲光報警器等只有開、關(guān)兩種狀態(tài)的設(shè)備。開關(guān)量輸出通道鎖存來自于計算機CPU輸出的二進制開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，這些二進制數(shù)據(jù)每一位的0、1值，分別對應(yīng)一路輸出的開、關(guān)或通、斷狀態(tài)，計算機輸出的每一位數(shù)據(jù)經(jīng)過光電隔離后，可通過OC門（集電極開路電路，具有較較強的驅(qū)動能力）、小型繼電器、雙向晶閘管、固態(tài)繼電器等驅(qū)動元件的輸出去控制交直流設(shè)備。開關(guān)量輸出通道（DigitalOutputs，DO）TEXTTEXTTEXTTEXT用來對被控參數(shù)的瞬時值進行檢測，即將連續(xù)變化的非電物理量轉(zhuǎn)換成模擬量（電壓、電流、電阻值等）用來將傳感器得來的電信號經(jīng)過放大、變換等環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的直流電流（0~10mA，4~20mA），或直流電壓（0~5V，0~10V，1~5V等）稱為多路模擬開關(guān)，用來對多路模擬量信號進行分時切換，將時間上連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量信號將時間上離散的模擬量信號轉(zhuǎn)化為時間上離散的數(shù)字信號，并送入計算機中檢測元件變送器多路采樣器A/D轉(zhuǎn)換器接口是計算機與過程通道之間的中介部分，計算機控制系統(tǒng)通常使用的接口為數(shù)字接口，并行接口分為串行接口脈沖序列接口。1.3接口部分控制操作臺

功能：控制操作臺是人與計算機控制系統(tǒng)聯(lián)系的必要設(shè)備，在控制操作臺上隨時顯示紀記錄系統(tǒng)的當前運行狀態(tài)和被控對象的參數(shù)，使操作人員及時地了解生產(chǎn)過程的狀態(tài)，進行必要的干預(yù)，修改有關(guān)參數(shù)或緊急處理某些事件。操作臺包括以下設(shè)備：1）CRT顯示器或LED數(shù)碼管顯示器、打印機、記錄儀等輸出設(shè)備；2）鍵盤、功能控制按鈕和扳鍵（作用開關(guān)）等輸入裝置；3）計算機外存器，如硬盤、磁盤機、磁帶機等，用來暫存系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序；4）狀態(tài)指示和報警指示的指示燈和聲報警器。2軟件部分計算機軟件有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是計算機操作運行的基本條件之一，它是計算機控制系統(tǒng)信息的指揮者和協(xié)調(diào)者，并具有數(shù)據(jù)處理、硬盤管理等功能，支持包括程序設(shè)計語言、編譯程序、診斷程序等軟件。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件是用戶根據(jù)自己的需要，執(zhí)行編制的控制程序、控制算法程序及一些服務(wù)程序；控制軟件包括對系統(tǒng)進行直接檢測、控制的前沿程序，包括人-機聯(lián)系、對外圍設(shè)備管理的服務(wù)性程序，還有保證系統(tǒng)可靠運行的自檢程序等。二計算機控制系統(tǒng)分類計算機控制系統(tǒng)分為以下幾種類型：1、操作指導控制系統(tǒng)2、直接數(shù)字控制系統(tǒng)3、集散控制系統(tǒng)4、現(xiàn)場總線與分布控制系統(tǒng)

1操作指導控制系統(tǒng)操作指導控制系統(tǒng)也稱為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，如圖1-3所示。主要對現(xiàn)場隨時產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、流量等）進行巡回檢測、收集、記錄、統(tǒng)計、運算、分析、判斷和處理，最后由顯示器或打印機列出處理結(jié)果，供操作人員掌握和分析生產(chǎn)情況，若遇到某個參數(shù)超過限定值，操作人員可進行處理但是計算機并不直接控制生產(chǎn)過程。圖1-3數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)2直接數(shù)字控制系統(tǒng)直接數(shù)字控制（DirectDigitalControl，DDC）系統(tǒng)使用一臺計算機對一個或多個參數(shù)進行檢測，并將監(jiān)測結(jié)果與給定值比較，然后按照事先規(guī)定的控制規(guī)律進行計算，并將控制量通過接口直接去控制執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進行控制，如圖1-4所示。圖1-4直接數(shù)字控制系統(tǒng)3集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)（DistributedControlSystem，DCS）是采用集中管理、分散控制策略的計算機控制系統(tǒng)，它以分布在現(xiàn)場的數(shù)字化控制器或計算機裝置完成對被控設(shè)備的實時控制、監(jiān)測和保護任務(wù)，以具有強大的數(shù)據(jù)處理、顯示、記錄及顯示報警等工作。3集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示，由圖可見它是一種橫向分散、縱向分層的體系結(jié)構(gòu)，其功能分層可分為現(xiàn)場控制級、監(jiān)控級和中央管理級，如圖1-6所示，級與級之間通過通訊網(wǎng)絡(luò)相連。圖1-5集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（DCS圖1-6集散控制系統(tǒng)的功能分層

集散控制系統(tǒng)功能分層可分為：123現(xiàn)場控制級監(jiān)控級中央管理級1.現(xiàn)場控制級現(xiàn)場控制級由現(xiàn)場直接數(shù)字控制器DDC及現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)組成。DDC是以功能相對簡單的工業(yè)控制計算機、微處理器或微控制器為核心，具有多個DO、DI、AI、AO通道，可與各種低壓控制電器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等直接相連的一體化裝置，用來直接控制各個被控設(shè)備，并且能與中央控制管理計算機通信。監(jiān)控級的主要功能:(1)采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理；(2)進行數(shù)據(jù)的監(jiān)視和存儲；(3)實施連續(xù)控制、批量控制或順序控制的運算和輸出控制；(4)進行數(shù)據(jù)和設(shè)備的自診斷；(5)實施數(shù)據(jù)通信。3.中央管理級中央管理計算機是以中央控制室操作站為中心，輔以打印機、報警裝置等外部設(shè)備組成，它是集散控制系統(tǒng)的人機聯(lián)系的主要界面。中央管理級的主要功能:1)實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、存儲、顯示和輸出；2)優(yōu)化控制和優(yōu)化整個集散控制系統(tǒng)的管理調(diào)度；3)實施故障報警、事件處理和診斷；4)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。圖1-7是集散式建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)場控制層實現(xiàn)的是單個設(shè)備的自動化；監(jiān)督控制層實現(xiàn)的是各個子系統(tǒng)內(nèi)的各種設(shè)備的協(xié)調(diào)控制和集中操作管理，即分系統(tǒng)的自動化；管理層協(xié)調(diào)管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)全局優(yōu)化控制和管理，從而實現(xiàn)綜合自動化的目的。圖1-7集散式建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的通信網(wǎng)路分為兩層：（1）分布在現(xiàn)場的DDC控制器與子系統(tǒng)管理計算機之間構(gòu)成第一層網(wǎng)絡(luò)，用于在上位機與DDC之間上傳下送大量的檢測與控制數(shù)據(jù)，以及各DDC之間相互通信協(xié)調(diào)，該層網(wǎng)絡(luò)一般通過EIA標準總線RS485或RS422進行互連，為保證信息的實時性，通信速率一般不低于9600bps。（2）各子系統(tǒng)管理計算機及中央管理計算機之間構(gòu)成第二級網(wǎng)絡(luò)。4現(xiàn)場總線與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線是適應(yīng)智能儀表發(fā)展的一種計算機網(wǎng)絡(luò)，它的每個節(jié)點均是智能儀表或設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)氖请p向的數(shù)字信號，這種專門用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，不同于以太網(wǎng)等管理及信息處理用網(wǎng)絡(luò)，它的物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測和控制。現(xiàn)場總線具有可靠性高，便于容錯，全數(shù)字化，通信距離長，速率快，多節(jié)點，通信方式靈活，造價低廉，并且具有很強的抗干擾能力等一系列優(yōu)點，使它不僅將廣泛用于工業(yè)過程控制，也將普遍用于智能建筑中。典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)見圖2-7所示。圖1-8典型的現(xiàn)場總線系統(tǒng)第三單元樓宇自動化系統(tǒng)基本架構(gòu)復習一智能建筑的五個自動化智能建筑CAOABASAFA

樓宇自動化系統(tǒng)基本架構(gòu)本節(jié)內(nèi)容自動化系統(tǒng)的基本組成樓宇自動化的基本概念樓宇自動化系統(tǒng)的架構(gòu)能力目標了解自動化系統(tǒng)的構(gòu)成掌握樓宇自動化系統(tǒng)的概念及基本架構(gòu)能根據(jù)項目特點設(shè)計構(gòu)建樓宇自動化系統(tǒng)一、BAS體系中央控制站區(qū)域控制器現(xiàn)場設(shè)備

通信網(wǎng)絡(luò)圖1-9BAS結(jié)構(gòu)二、現(xiàn)場總線技術(shù)2.1現(xiàn)場總線的標準化發(fā)展2.2現(xiàn)場總線的特點及優(yōu)越性2.3LonWork現(xiàn)場總線2.4Modbus現(xiàn)場總線2.2現(xiàn)場總線的特點及優(yōu)越性提高系統(tǒng)的準確性和可靠性開放性互操性和互用性現(xiàn)場設(shè)備的智能化和功能自治性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性2.3LonWorks現(xiàn)場總線1）在一個神經(jīng)元芯片上可以完成網(wǎng)絡(luò)和控制的全部功能2）支持多種通信介質(zhì)（雙絞線、電力線、光纖、無線等）以及他們的互聯(lián)3）LonTalk支持ISO/OIS七層參考模型，提供了一個固化在神經(jīng)元芯片內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)4）提供給使用者一個完整的開發(fā)平臺，包括現(xiàn)場調(diào)試工具LonBuilder、協(xié)議分析工具、網(wǎng)絡(luò)開發(fā)語言NeuronC等2.4Modbus現(xiàn)場總線Modbus通信方式采用主從方式的查詢——響應(yīng)機制，只有主站發(fā)出查詢時，從站才能給出響應(yīng)，從站不能主動發(fā)送數(shù)據(jù)Modbus的串行口的通信參數(shù)（如波特率、奇偶校驗）可由用戶選擇當在Modbus網(wǎng)絡(luò)上通信時，協(xié)議決定了每個控制器需要知道它們的設(shè)備地址，識別按地址發(fā)來的消息，決定要產(chǎn)生何種行動三、BAS通信協(xié)議——BACnet協(xié)議根本目的是提供BAS實現(xiàn)互操作的方法開放性互操作性提供全面的端對端服務(wù)四、OPC技術(shù)4.1OPC簡介圖1-10OPC對數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)用戶間連接關(guān)系的改善4.2OPC是連接現(xiàn)場信息與監(jiān)控軟件的橋梁圖1-11OPC解決方案中信號的傳遞關(guān)系樓宇自動化系統(tǒng)概念樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑最基本、最重要的組成部分，可實現(xiàn)對建筑物或建筑群內(nèi)的暖通空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯等設(shè)備的集中監(jiān)視、控制和管理，確保建筑物內(nèi)環(huán)境的舒適和安全，同時實現(xiàn)設(shè)備高效節(jié)能運行。樓宇自動化系統(tǒng)基本架構(gòu)樓宇自動化系統(tǒng)的基本組成管理層控制層現(xiàn)場層

集中監(jiān)控與管理

各種類型的DDC控制器

現(xiàn)場傳感器、執(zhí)行器被控對象樓宇自動化系統(tǒng)基本架構(gòu)1.現(xiàn)場層2.控制層3.管理層現(xiàn)場流量信號的采集及調(diào)節(jié)樓宇自動化系統(tǒng)架構(gòu)一BLNDDC1DDC2DDCXRS485/232BAS管理平臺工程案例一湖北省高級人民法院辦公樓位于湖北省武漢市武昌區(qū)公正路，該工程地下兩層，地上二十二層深圳大學城坐落在深圳南山西麗湖畔，目前占地約2平方公里。這里青山環(huán)抱，大沙河穿城而過。