浅谈智能建筑楼宇自动化原理

摘要：建筑物楼宇自动化系统（BAS）是智能建筑的重要组成部分，它关系到智能建筑的智能化程度及水平。本文介绍了智能建筑楼宇自动化系统的构架及原理。

关键词：智能建筑；楼宇；自动化

Abstract: Building automation system (BAS) is an important part of intelligent building; it is related to the degree of intelligence and level of the intelligent building. This article describes the architecture and principle of the intelligent building and building automation systems.Key words: intelligent buildings; buildings; automation

中图分类号：TU2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

前言

楼宇自动化系统的任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。该系统通常包括暖通空调、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安全防范等子系统。根据我国行业标准，楼宇自动化系统又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统。

楼宇自动化系统是一个综合集成化的实时动态监控与管理系统。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分散在各子系统中的控制器完成被控设备的实时检测和控制任务。其组成主要包括中央监控管理级计算机系统、服务于各个子系统的工作站、网络服务器、控制器、通信装置，以及各类传感器、探测器、执行机构、现场仪表等。一般情况下楼宇自动化系统可以是由独立的DDC控制器或传统的模拟仪表组成的直接数字控制系统，也可以是基于计算机网络集成了各独立子系统的分布式控制系统。一、 直接数字控制系统（DDC）直接数字控制系统是以计算机通过模拟量输入通道和开关量输入通道采集实时数据，然后按照一定的规律进行计算，最后发出控制信号，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道直接控制生产过程。因此直接数字控制系统系统是一个闭环控制系统，是计算机在工业生产过程中最普遍的一种应用方式。1、直接数字控制系统的组成与功能直接数字控制系统主要由过程输入通道、过程控制计算机、过程输出通道三部分组成。过程输入通道由模拟量输入和数字量输入两部分组成。模拟量输入通道由变送器、采样开关、放大器、A/D转换器和接口电路组成。其中变送器的作用是将非电量信号变换成标准电信号，可将温度、压力、流量变换成0-10mA或4-20mA的直流电信号，它是通过A/D转换器来实现的。数字量输入通道由开关触点、光电耦合器和接口电路组成，反映生产过程的通/断状态的触点信号，经过光电耦合器和接口电路变换成数字信号送给计算机。过程控制计算机直接承担运算和控制任务，首先通过过程输入通道采集被控对象的各种参数信号，再根据预定的控制规律进行运算，然后向被控对象发出控制信号，再通过输出通道直接控制调节阀等执行机构。过程输出通道由模拟量输出和数字量输出两部分组成。前者把计算机输出的数字控制信号转换成模拟电压或电流信号，再经过放大器去驱动调节阀等执行器实现对生产过程的控制。这一部分由接口电路、D／A转换器，放大器和执行器组成。后者把计算机输出的开关信号，经放大器去驱动电磁阀和继电器执行器，它由接口电器、光电耦合器、放大器和执行器组成。2、直接数字控制系统的基本算法按照偏差的比例、积分和微分进行控制，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种基本规律，将此控制规律离散化并在计算机上实现，可以方便地利用已积累的成熟技术，而且可以在被控对象的数学模型或参数不很清楚的情况下，经过在线整定达到满意的效果。因此该算法已被工业过程计算机控制系统普遍采用，成为直接数字控制系统系统的基本算法。二、分布式控制系统（DCS）分布式控制系统20世纪于70年代中期出现并迅速发展起来，它将计算机技术、控制技术、图形显示技术和通信技术汇集于一体，可对分散在现场的设备进行控制，又可方便地集中管理、操作，与以往的控制系统相比，既避免了单台计算机集中控制的不足，又克服了常规仪表人机交互困难的缺点。

1、分布式控制系统的数据通信网络数据通信网络是分布式控制系统的支柱。整个分布式控制系统的结构，实质上是一个网络结构，现场控制站、数据采集站、工程师站、操作员站、监控计算机等都是这个网络上的“节点”，都含有CPU和网络接口，它们都有自己特定的网络地址（节点号），可以通过网络发送和接收数据，网络中的各节点处于平等地位，既能共享资源，又不相互依赖，形成既有统一指挥，又使危险分散的功能结构，网络的架构区具有极大的伸缩性，可扩性很强，可以满足分布式控制系统扩充与升级的需要，十分灵活、方便。1）控制网络特点：分布式控制系统的通信网络不同于通用计算机网络，与一般的通信网络比较，它有如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求传递的信息绝对准确、可靠，为此常采用冗余技术、后备措施和自诊断功能。如：控制站采用双CPU板，双I/0板等。②具有良好的实时性。③对环境适应性强。2）网络拓扑结构：建筑设备自动化系统常用的有总线网和环网，在两种结构中任意两节点通信可直接通过网络进行，各节点处于平等地位。3）网络通信协议：组成建筑设备自动化系统，必须有一种大家都能接受并且共同遵守的工作语言来实现相互之间的对话，这就是数据通信协议标准。用于建筑自动化控制网络的BACnet协议由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成，或相当于开放系统互联参考模型的第一、二、三、七层协议。

2、现场总线技术的应用1）现场总线概况：现场总线（Fieldbus）是连接智能现场设备和自动化系统的数字式双向传输、多分支结构的通信网络。不同的现场总线遵循的协议不同，接口标准不同，各具特色。现场总线技术具有如下一些特点：①以数字信号取代4-20mA的模拟信号，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，因此现场总线具有很高的性能价格比。②现场总线把处于设备现场的智能仪表（智能传感器、智能执行器）连成网络，使控制、报警、趋势分析等功能分散到现场仪表，使控制结构进一步分散化，导致控制系统体系结构的变化。③符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操作，不同标准通过网关或路由器也可互联，现场总线控制系统是一个开放式系统。2）分布式控制系统的进一步分散化传统的分布式控制系统在现场控制站这一级依然是一个集中式结构，而现在的分布式控制系统是在原有分布式控制系统的基础上，采用LonWorks现场总线的建筑设备自动化系统发展起来的新系统，标准LAN为原有的分布式控制系统，使用BACnet协议，以利于实现多种供应商的不同类型的子系统之间的通信信息交换，把具有控制功能的各个岛连成一个整体。新增的LonWorks现场总线使用LonTalk协议，把控制功能进一步分散到现场级仪表，标准LAN与现场总线之间的路由器相联。这样BACnet和LonMark两项标准互相补充，互为依托，构成一个完全分散的、真正开放的楼宇自动化系统。

楼宇自动化控制技术在我国还是一个新兴的技术领域，随着更多智能建筑的出现，将有更加先进的技术补充到这一领域中，使这一技术更加成熟、完善。

参考文献

[1]GB/T50314-2006 智能建筑设计标准 中国计划出版社 2007.

[2]王再英等著 楼宇自动化系统原理与应用 电子工业出版社 2011.