建筑设备自动化系统概述

图1  智能建筑设备自动化系统的组成
2. BAS的发展历史
真正的建筑设备自动化系统是在计算机集中管理分散控制系统(Distributed Control System，dcs)诞生后才开始出现的。20世纪80年代末美国Honeywell公司首次把其DELTA-1000型集散控制系统应用于建筑物设备的控制与管理，建筑物设备从单台独立的控制方式走入了多组织设备群控方式，并且能通过计算机工作站上的操作进行全局控制与监视。
从20世纪80年代到90年代，BAS随着DCS的技术进步而同步发展，并被日益广泛地应用。但作为一种低成本的DCS设备，BAS又与工业过程的DCS有着较多的区别，在硬件设备上更多地重视性价比，在现场站监控软件上则需针对不同类型的建筑设备系统编制可行的控制模块，以提高调试的工作效率。
在20世纪90年代的最后五年，由于计算机网络技术与数据库技术的进步，建筑设备自动化系统的硬件与软件经历了几代的技术演进后，信息传输、信息处理的能力与性能更发生了巨大的变化，无论是ASHRAE（美国采暖、制冷与空调工程师学会）的BACnet通信协议还是LonWorks技术的应用，都是追求开放的通信接口和高速的信息传输，以更及时地获得更多的信息，对建筑设备系统进行全面的监控与管理。多媒体技术的应用也提供了多种方便的操作方式，使得人机对话界面更加友好。
建筑设备自动化系统从初期的单一设备的控制，终于发展到了今天的综合优化控制、在线设备故障诊断、全局信息管理和总体运行状态协调等高层次的集中管理分散控制方式，显然，面向建筑物设备的建筑设备自动化系统已经将信息、控制、管理和决策有机地融合在一起了。
二、BAS的内容与功能
1. BAS的监控内容
(1) 暖通空调系统
暖通空调系统是建筑物内功能最复杂、涉及设备最多、设备分布最分散和能耗最大的一个系统，是BAS控制的主要对象。
通风空调系统需要监控的主要设备有热水泵、冷却塔、冷冻水泵、冷水机组、新风机组、空气处理机组、变风量机组、风机盘管、热交换器、锅炉、分汽缸、凝结水回收装置等。
(2) 给水排水系统
在智能建筑中，生活给水系统通常有水泵直接供水方式、高位水箱供水方式和气压罐压力供水方式等。生活排水系统通常采用先把污水集中于污水池，然后用排水泵排水的方式。
建筑给水排水系统需要监控的设备主要有高位水箱、低位水箱、蓄水池、污水池、水泵、加压泵、饮水设备、热水供应设备、生活水处理设备、污水处理设备等。
(3) 电气系统
电气系统包括供配电与电气照明两个系统。
供配电系统为整个建筑物提供电源，保证各个系统的正常供电要求，保障整个建筑物的正常工作秩序,是智能建筑正常运行的先决条件。对电力系统除具有继电保护与备用电源自投入等功能要求外，还必须具备对开关和变压器的状态，系统的电流、电压、有功功率与无功功率、电能等参数的自动监测，进而实现全面的能量管理。
照明系统能耗很大，在大型高层建筑中往往仅次于供热、通风与空调系统，并导致冷气负荷的增加。智能照明控制应十分重视节能。照明系统为人们的工作和生活提供必须的光环境，既要满足人体舒适感的要求，又要实现节能的目的。
电气系统需要监控的设备主要有变配电设备、自备电源、不间断电源(UPS)、照明设备、动力设备等。
(4) 运输系统
这主要包括电梯、自动扶梯等设备。对于7层及以上住宅楼和高层建筑(10层及以上)，均需配备电梯，大多数为电梯群组。需要利用计算机实现群控，以达到优化传送、控制平均设备使用率和节约能源等目的，电梯楼层的状况、电气参数等亦需监测，并连网实现优化管理。
2. BAS的功能
对被控对象来说，建筑设备自动化系统实现如下的功能。
(1) 设备监控与管理
能够对建筑物内的各种建筑设备实现运行状态监视，起停、运行控制，并提供设备运行管理，包括维护保养及事故诊断分析，调度及费用管理等。
① BAS对建筑设备运行状态进行监测，如对电动机的运行状态(是否运行着、是否正常运行、手动/自动状态等)、对温湿度的检测等。
② BAS对建筑设备发送命令进行控制，如对电动机的启停控制、对阀门的控制等。
③ BAS对建筑设备的集成与管理，提高了工作效率，减少了运行人员及费用。采用建筑设备监控系统后，由计算机系统对建筑物内的大量机电设备的运行状态进行集中监控和管理，对设备运行中出现的故障及时发现和处理，从而大量节省运行管理和设备维修人员，从而节省整个大楼的机电系统的运行管理和设备维护费用。
(2) 节能控制
BAS对空调、供配电、照明、给排水等设备的控制是在不降低舒适性的前提下达到节能、降低运行费用的目的。在现代建筑物内部，实际运行的工作环境大多是人工环境，如空调、照明等，使得建筑物的能源消耗非常巨大。据有关数据，建筑物的能耗达整个国家能耗总量的30％以上。建筑物的能耗则体现在建筑设备的能耗上。在大型公共建筑物内部，设备能耗按不同类别划分的能耗比例如图2所示。

图2  大型公共建筑的建筑设备能耗比例图                         
建筑设备自动化系统在充分采用了最优化设备投运台数控制、最优启停控制、焓值控制、工作面照度自动化控制、公共区域分区照明控制、供水系统压力控制、温度自适应设定控制等有效的节能运行措施后，建筑物可以减少约20％左右的能耗。这具有十分重要的经济与环境保护意义。建筑物的生命期有60~80年，一旦建成使用后，主要的投入就是能源费用与维修更新费用，应用BAS有效降低运行费用的支出，其经济效益是十分明显的。如果BAS设计合理并能有效地使用的话，2~3年内就可收回系统的全部投资。
三、BAS的自动监测与控制
自动测量、监视与控制是BAS的三大技术环节和手段，通过它们可以正确掌握建筑设备的运转状态、事故状态、能耗、负荷的变动等情况，从而适时采取相应处理措施，以达到智能建筑正常运作和节能的目的。
1. BAS的自动测量
在智能建筑中，由于建筑设备的各系统分散在各处，为了加强对设备的管理，测量是非常重要且不可缺少的。测量方式有选择测量、扫描测量、连续测量等。
选择测量是指在某一时刻，值班人员需要了解某一点参数值，可选择某点进行参数测量，并在荧光屏上用数字表示出来，或用打印机打印出来。如果测得的数值与给定值之间有偏差，就将其偏差送到中央监控装置中去。
扫描测量是指以选定的速度连续逐点测量，对测量点所取得的数据都规定上限值和下限值，每隔一定时间扫描一次，如果在规定值以外，由蜂鸣器报警，并在荧光屏上显示出来，对未运转的设备就跳位，自动把它除外，继续进行扫描。
目前常用仪表进行在线测量、指示，这是连续测量方式。
2. BAS的自动监视
BAS对建筑物中的配电设备，暖通空调、给排水、动力设备，照明设备，电梯设备等进行监视、控制、测量、记录等。监视一般可以分为状态监视和故障、异常监视两种。
(1) 状态监视
状态监视和故障、异常监视两种装置并用的情况较多，其目的是监视设备的启停、开关状态及切换状态。具体的状态监视有：启停状态（空调、卫生设备的风机、泵类及冷冻机、锅炉的起动、停止的状态，电梯的运行位置等）、运行状态（设备是否处在运行状态）、故障状态（如，电机是否处在过载保护状态）、手自动状态（设备是处于手动运行状态下，还是处于自动运行状态下）、开关状态（配电、控制设备的开关状态）、切换状态（空调、卫生设备的各种阀的开关切换状态）。
(2) 故障、异常监视
机电设备发生异常故障时，应分别采取必要的紧急措施及紧急报警。通常，重大故障紧急报警一发出，必须紧急停止和切断电源，轻故障时一旦发出报警，应马上紧急停止，而不切断电源。
3. BAS的自动控制
BAS的控制方式有开环控制和闭环控制两种。
(1) 开环控制：开环控制是一种预定程序的控制方法，它根据预先确定的控制步骤一步一步地实施控制，而被控过程的状态并不直接影响控制程序的执行。如启停控制等。
(2) 闭环控制：闭环控制则要根据被控过程的状态决定控制的内容和实施控制的时机，控制用计算机需要不断检测被控过程的实时状态(参数)，并根据这些状态及控制算法得出控制输出，对被控过程实施控制。如空调系统的温湿度自动调节等。
四、BAS的结构
在智能建筑中，大量的机电设备分布在楼宇的各个部分。建筑设备自动化系统对这些设备进行监视、测量、控制，完成对这些被控设备的集中管理。BAS的系统结构有集散控制系统和全分布式控制系统两种。目前，集散型BAS在我国的工程应用最为广泛，这是本书的重点。
1. 集散型楼宇自动化系统
集散型控制系统（DCS）的特征是“集中管理，分散控制”，即以分布在现场被控设备处的各种功能性计算机(下位机)完成被控设备的实时监测、保护与控制。集散式楼宇自动化系统一般分为3级。第1级为现场控制级，它承担分散控制任务并与过程及操作站联系；第2级为监控级，包括控制信息的集中管理；第3级为企业管理级，它把建筑设备自动化系统与企业管理信息系统有机地结合了起来，其结构如图3所示。系统主要由中央控制站、现场控制器和各种类型现场设备(输入、输出的通信控制设备，温度、湿度、压力、流量和浓度等传感器，压差开关、风阀和水阀等执行器等)三类组成。下面根据图1-5，对集散型楼宇自动化系统的三层结构作一简单介绍。

图3 集散型楼宇自动化系统结构图
(1) 现场控制层
现场控制层直接与位于现场的传感器、变送器和执行机构相连，实现对现场各设备的实时监视控制，并且通过通信网络实现与上层计算机之间的信息交换。现场控制层中实现的是对单个设备的自动控制，即单机自动化，其功能实现是由安装在被控设备附近的现场控制器完成。
现场控制器通常采用直接数字控制技术，故又称直接数字控制器(Direct Digital Controller，缩写为DDC)，也可称为下位机。若无特殊声明，本书后文所提及的“现场控制器”都是指“DDC”。现场控制器安装在控制现场，可接收上一层的操作站或监控站(也称上位机)传送来的命令，并将本地的状态和数据传送到上位机，在上位机不干预的情况下，现场控制器可单独对设备执行控制功能，根据设定的参数进行各种算法的运算，控制输出。现场控制器具有可靠性高、控制能力强、可编写程序等特点，既可独立控制相关设备，又可联入工控网接受统一控制和管理。
现场控制层DDC末端装置包括传感器、执行机构。传感器能够将各种不同的被测物理量，如温度、压力、流量、电压或电流等，转换为能被现场控制器接受的模拟量或开关量；执行机构能够执行来自控制器的命令对被控设备进行控制。
① DDC支持的监控点
DDC能够支持DI (Digital Input，数字量输入)、DO(Digital Output，数字量输出)、AI (模拟量输入，Analog Input)、AO (Analog Output，模拟量输出)四种不同性质的监控点。每台现场控制器可控制的监控点数一般在几十点到一百点左右。
在BAS中使用的数字量输入DI多为无源的触点信号，如仪表、控制器接点、按钮、继电器、接触器接点等。
在BAS中使用的数字量输出DO多为无极性的触点信号，可通过继电器和外电路组成的控制回路控制接触器、电动执行机构、阀门等。
在BAS中使用的模拟量信号（AI和AO）有三种：国际工业标准信号4~20mA/1~5VDC；推荐使用的标准信号，如0~10mADC，0~5VDC，0~10VDC，0~2VDC，Pt100，Pt 1000等；生产厂商特定的仪表标准信号。
② 常用的DDC类型
最常用的DDC类型是模块化控制器。模块化控制器是可编程的、以计算机模块为基础的直接数字式控制器。其基本结构包括一个可内插多个模块的机架，一个计算机模块和一个电源供应模块。根据不同的具体应用，还可以内插各种不同用途的通信模块、辅助控制模块和输入／输出模块。
在一些场合还需要采用专用的控制器，常用的专用控制器如空气处理机组控制器、空调控制器、照明控制器、变风量控制器。
(2) 监督控制层
监督控制层计算机是现场控制层计算机的上位机，它可分为监控站和操作站。监控站直接与现场控制器通信，监视其工作情况并且将来自现场控制器的系统状态数据传递给操作站和运营管理层计算机。操作站则为管理人员提供操作界面，并将操作请求传递给监控站，再由监控站实现具体操作。监控站的输出并不直接控制执行器，而只是给出现场控制层计算机的给定值。
监督控制层计算机除了要求功能完善的软件外，更重要的是要求硬件必须可靠。现场控制器DDC只关系到单个设备的工作，而监督控制计算机的可靠性则关系到整个系统运行质量。监督控制计算机一般选用冗余方式配置的工业控制计算机，万一主控制计算机出现故障，备用机自动投入，保障系统继续运行。
通信一般采用多级网络结构，现场控制器(DDC)完成现场设备的直接数字控制，现场控制器(DDC)与监督控制层计算机通信构成第一级网；监督控制层计算机之间构成第二级网；上述局域网联入更高速广域网构成第三级网。
(3) 运营管理层
运营管理层计算机位于整个系统的最顶端，具有很强大的处理能力。它协调管理各子系统，实现全局优化控制与管理，进而达到综合自动化的目的。
2. 全分布式楼宇自动化系统（现场总线型楼宇自动化系统）
集散型控制系统还没有从根本上解决系统内部的通信问题和分布式问题，只是自成封闭系统，以固定集散模式和通信约定构成。因此，这种控制系统还很难适应智能大厦种类繁多的设备检测和控制要求。随着网络技术的进步，现场中的第一级传感器、执行器和第二级分站合并成为一级，即所谓测控合一的单层分布式控制系统，即现场总线控制系统(Fieldbus Control System，FCS)，成为控制技术发展的主流方向。
全分布式控制采用现场总线技术将智能传感器、智能执行器以及各种智能化电子设备连接起来，变成分布式现场控制站，带来了传统集散控制系统体系结构的变化，其结构如图4所示。

图4  全分布式楼宇自动化系统结构图
分布式控制系统充分反映了控制网络的主要特点：控制现场高度分散；控制规模可大可小；控制节点成本低廉而功能单一，非常稳定而不易失效；传输介质多种多样；共存于同一网络；数据通信安全可靠；控制信息短而精确；信息传递方式以控制为目的，分成不同方式实现，如单纯发出信息、发出信息要求反馈确认、接受信息要求发出信息出示密码等多种方式，以确保控制准确无误。
在楼宇自动化领域，LonWorks现场总线技术得到了世界上大多数制造商的承认，其通信协议LonTalk被ANSI（American National Standards Institute，美国国家标准学会）批准的BACnet(楼宇自动控制网络)所采纳，作为物理数据链路层5种基本通信方式之一，写在ANSI/ASHRAE 135-1995中。因此楼宇自动化系统供应商都对LonWorks技术给予极大的重视，它们联合编制了行业生产标准 LonWorks，以使各种空调自控产品实现互换。具有LonWorks标记的传感器、执行器、控制器(分站)，已在市场上推出，它们可以共同联在现场总线单层分布式控制网络中，采用LonTalk通信协议，进行点对点的双向通信。
五、BMS与IBMS
1. BMS
建筑设备管理系统（Building Management System，BMS）也称为建筑设备管理系统，是采用计算机及网络技术、自动控制技术和通信技术组成的高度自动化的管理系统，包括建筑设备自动化系统BAS、消防自动化系统FAS、安防自动化系统SAS 三个子系统。BMS在一个统一的图形操作界面上对上述建筑设备进行全面监视、控制和管理，提高物业管理的效率和质量。
BAS、FAS、SAS主要实施对相关建筑设备的自动监控，而BMS能使智能建筑内上述各实时监控子系统高度集成，做到安防、消防、设备监控三位一体，BMS实现以上3个子系统之间的协调和上位管理。
2. IBMS
智能建筑综合管理系统 (Intelligent Building Management System，IBMS)也称为智能建筑设备综合管理系统，是一个具有高生产力、低营运成本和高安全性的智能化的综合管理系统，位于建筑智能化系统层次结构的最高层。它能够利用收集到的建筑物相关资料，分析整理成具有高附加值的信息；运用先进技术和方法使建筑设备的作业流程更有效、运行成本更低、竞争力更强。IBMS实现建筑设备管理系统（BMS）、办公自动化系统（OAS）和通信网络系统（CNS）集成在一个图形操作界面上对整个建筑物进行全面监视、控制和管理，提高大厦处理全局事件和物业管理的效率以及实现综合服务的功能。