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1、楼宇自动控制管理,第二章 楼宇自动化技术基础,内容提要,楼宇自控系统的概念楼宇自控系统的组成楼宇自控系统的功能楼宇自控系统的结构楼宇自控系统的通信协议,楼宇自控系统,楼宇自控系统是对建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、安保等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监测、管理和分散控制的建筑物管理与控制系统，称为BAS（building Automation System）。,楼宇自控系统的组成,暖通空调自动化系统供热、通风及空调系统为建筑物内提供了一个舒适的环境，为建筑物内的机电设备（冷却塔、冷水机组、空气处理机、气控设备等）提供一个最优化的控制
2、。基本功能包括：设备控制、循环控制、最佳起/停控制、数学功能、逻辑功能、趋势运行记录、报警管理等。供配电综合自动化系统通过对建筑物内的高/低压配电房及所有配电设备的监视报警和管理及程序控制，提供对于重要电气设备的控制程序、时间程序和相应的联动程序。智能数字照明控制系统给排水自动控制系统电梯控制系统,楼宇自控系统的组成,楼宇自控系统的组成,楼宇自控系统的主要目的,创造舒适、健康、宜人的办公环境降低大楼的能耗延长机电设备运行寿命提升物业管理水平，减少人力投入，降低维护费用提高系统的整体效能,典型的大楼能源使用分布,楼宇自控系统的结构,楼宇自控系统的结构,楼宇自控系统的结构,楼宇自控系统的结构,中央
3、控制室（数据中心）包括中央处理机(上位机)、外围设备、不间断电源三部分。检测元件（传感器）是指装设在各监测现场的各种敏感元件、变送器、触点和限位开关，用来检测现场设备的各种参数（如温度、湿度、压差、液位等），并发出信号送到调节控制器（分站、数据中心等），如铂电阻温度检测器、符合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器。执行调节机构是指装设在各监控现场、接受分站调节控制器的输出指令信号，并调节控制现场运行设备的机构，如电动阀、电磁阀、调节阀等，包括执行机构（如电动阀上的电机）和调节机构（如电动阀的阀门）。分站控制器：是以微处理机为基础的可编程直接数字控制器DDC，它接收传感器输出的信号，进行数字运
4、算、逻辑分析判断处理后自动输出控制信号，动作执行调节机构。,楼宇自控系统的结构,数据传输线路：是联系系统各部分的纽带，从各个监控点到分站控制器的线路是逐点连接（放射式），数据中心与各分站通过总线型或环形结构进行组网，各分站直接用一回路双芯导线连接到总线上就可以实现分站与分站之间、分站与中央站之间的通信。,直接数字控制器DDC,分站控制器是整个控制系统的核心，采用直接数字控制器DDC，它具有AI、AO、DI、DO四种输入/输出接口。方便灵活地与现场的传感器、执行调节机构直接相连，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统的调节与控制。AI-模拟输入，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为1-
5、10V或4-20mA的直流信号；AO-模拟输出，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器等，不需要外部电源，输出为0-10V的直流信号。DI-数字输入，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设备状态、报警接点、脉冲计数等。DO-数字输出，用于控制风机、水泵等运行，亦可作为输出信号与动作增减量型执行机构。,直接数字控制器DDC,DDC控制系统与控制算法（PID算法）,直接数字控制器DDC,数字控制算法则是将PID调节规律，离散化后的算法,直接数字控制器DDC,DDC的主要功能：对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集；对采集的数据进行调整和处理（滤波、放大、转换）；
6、对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态；对现场设备运行状况进行检查对比，并对异常状态进行报警处理；根据现场采集的数据执行预定的控制算法而获得相关的控制数据。,直接数字控制器DDC,DDC的主要功能：通过预定控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、比例加积分控制、比例加积分加微分控制、开关控制、平均值控制、最大/最小值控制、逻辑运算控制和连锁控制；向第三层的数据控制和执行设备输出控制和执行命令（执行时间、事件响应程序、优化控制程序等）；通过数据网关DG或网络控制器NCU连接上层的设备，与各上级管理计算机进行数据交换，向上传送各项采集数据和设备运行状态信息，同时接收各上级计算机下达的实时
7、控制指令或参数的设定与修改指令。,直接数字控制器DDC,DDC拥有BAS所要求的几乎所有的基础功能，基本上已可完成所有基础的运作，只是在监控的范围和信息存储及处理能力上有一定限制。因此，直接数字控制器可以看作是小型的、封闭的、模块化的控制计算机（微处理机）。在很小规模、功能单一的BAS中可以仅仅使用一到多台控制器完成控制任务。在一定规模、功能复杂的系统中可以根据不同区域、不同应用的要求采用一组控制器完成控制任务，并依靠中央管理系统随时监视控制和调整控制器运行状态，完成复杂周密的控制操作。,直接数字控制器DDC,常见的专用控制类型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、消防报警控制器
8、更常用的是模块化控制器。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。,楼宇自控系统的网络结构,楼宇自控系统的网络结构,分布式控制系统DCS,上世纪七八十年代，伴随着计算机可靠性提高，价格大幅下降，出现了由多个计算机递阶构成的集中、分散相结合的分布式控制系统DCS（Distributed Control System），DCS是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种综合控制系统。分布式控制系统的测
9、量变送仪表一般是模拟仪表，属于一种模拟数字混合控制系统，这种系统较以前的各种控制系统有了较大的进步。DCS从整体逻辑结构上看，为分支树结构，与工业生产过程的行政管理结构相一致。按系统结构进行垂直分解，可分为过程控制级、控制管理级和生产管理级。各级相互独立但又相互联系，每一级按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制、实时监视和生产过程管理等。横向分散则意味在同级设备有类似的功能。,分布式控制系统DCS,三层结构模式的DCS（中小规模）,分布式控制系统DCS,更多层,分布式控制系统DCS,分布式控制系统DCS,DCS由集中操作管理部分、分散过程控制部分
10、和通信部分组成。 集中操作管理部分可分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站用于组态和维护，操作员站用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。 分散过程控制部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，用于控制和监测。 通信部分连接DCS的各个分布部分，完成数据、指令及其它信息的传递。 DCS软件由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件所组成。使用组态软件工具，来生成用户所要求的实用系统。,分布式控制系统DCS,DCS在工业自动化控制领域获得了大量的应用，也广泛应用于楼宇自动化控制领域。缺点：安装费用高。采用一台仪表、一对传输线的接线方式，导
11、致接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难；可靠性差。模拟信号传输精度低，而且抗干扰性差；系统封闭。各厂家的产品自成系统，系统封闭不开放，难以实现产品的互换与互操作，难以组成更大范围的网络系统。,现场总线控制系统FCS,上个世纪90年代以来，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，出现了基于现场总线的控制系统FCS(Fieldbus Control System)。FCS克服了DCS的缺点，它是一种全数字化的、全分散的、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。目前，现场总线技术已经成为自动化技术中的一个热点，备受国内外自动化设备制造商与用户的关注。FCS极大地简化了传统控制系统繁琐且
12、技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理。与传统的DCS（分布式控制系统）相比，FCS具有可靠性高、可维护性好、布线成本低、实时性好、实现了控制管理一体化的结构体系等优点。现场总线的出现，为工业自动化带来了一场深层次的革命，从而开创了工业自动控制的新纪元，被誉为自动化领域的计算机局域网。鉴于FCS的许多优点，控制专家们纷纷预言“FCS将取代DCS成为21世纪控制系共同的主流”。现在，FCS正被大量应用到楼宇自动化控制领域。,现场总线控制系统FCS,现场总线网络是局域网技术在控制领域的延伸和应用，它将是控制系统按局域网络的方式进行构造，用网络节点代替LAN中的工作站，并将其
13、安装于监控现场，直接与各种监控传感器和控制器相连。现场总线网中每个节点间可以实现点到点的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样便使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式。这种网络集数据采集、分析、控制和网络通信为一体，十分适合于智能建筑进行分布式网络管理和控制。近年来，楼宇自动化正在向着开放系统迅速发展。在实时控制方面，实现可互相操作的现场总线技术的通信协议如LonTalk等也应运而生，为楼宇自动化中的传感器、执行器和控制器之间的网络化操作奠定了基础。,典型现场总线系统结构图,NCU：网络控制器。NCU与管理站之间以N1总线连接，而与下位机DDC之间以N2总线（现场总线）相连接。,Lonw
14、orks现场总线技术,Lonworks技术由Echelon公司开发，并由Motorola、Toshiba公司共同倡导。Lonworks技术的通信协议称为LonTalk，该通信协议包含ISO/OSI七层，并固化在Lonworks产品即Smart I/O模块的神经元芯片中。Lonworks使互操作性变成即插即用的具体手段，被设计用于实时控制应用，涉及领域很广。这种分布式控制系统的优点是可大量节省传输线缆的敷设量，大大加强了整个系统的可扩充性、可维护性；系统网络中全部以数字量进行传输，整个网络协议本身又有强大的纠错功能，具有较长的传输距离和较强的抗干扰能力，可以实现无上位机的全分布式无主工作。,Lo
15、nworks现场总线技术,LON技术可以理解为局域网技术在控制领域的延伸和应用。它的基本思想是将控制系统按局域网络的方式进行构造，用网络节点代替局域网络中的工作站，网络节点安装于监控现场，直接与各种监控传感器和控制器相连。这种网络集数据采集（检测）、分析、控制（执行）和网络通信于一体，十分适合大型场馆、厂矿车间、酒店以及现代化家庭进行分布式网络管理和控制。Lon网络与LAN在拓扑结构上很相似，同样具有严格的、标准的通信协议，但有本质区别。网络节点：工作站-智能控制节点网络总线：高速通信线缆-低速、普通双绞线。传输速率：高（大块文件数据）-低（状态和控制信息）中央服务器-无中央控制机。,Lonw
16、orks现场总线技术,LON网络的特点：具有无中心控制的真正分布式控制节点模式；开放式系统结构，具有良好的互操作性；系统组态灵活，重新构造或修改配置很容易，增/减控制节点不必改变网络的物理结构；控制节点间可通过多种通信介质连接，组网简单，成本大大降低；系统整体可靠性高，控制节点故障只影响与之相连的设备，不会造成系统瘫痪；网络通信协议固化在控制节点内部，节点编程简单，应用开发周期大大缩短。,楼宇自控系统的通信协议,楼宇自控系统中基本采用的是集散控制方式和分布控制方式，是通过某种控制网络实现的，这就要求控制设备及建筑设备都要遵循一定的通信协议。目前，国际上采用较多的是BACnet和LonMark。
17、BACnet是指美国国家标准协会的ANSI/ASHARE135-1999标准，是由建筑管理、系统用户、系统集成商组成的一个联合体提出的正式、非专有的开放协议通信标准。BACnet详细地描述了系统是如何工作的。它定义了系统各部分共享数据的所有规则如何实现数据共享，采用何种通信介质，哪个功能可用，信息如何解释等。总之，它为各种系统之间进行信息交流建立了一个基本规则。LonTalk协议是LonWorks技术所使用的通信协议。LonTalk协议遵循ISO/OSI七层模型，适用于任何一种传输媒介。,楼宇自控系统的通信协议,BACnet与LonMarkBACnet是个综合性的规范，它准许众多的实施方案，并
18、提供一套强有力的服务功能。但是，这个协议在小型终端控制设备里实施不能取得最大的成本/性能比。LonMark是个强大的专门为设备而优化的协议，它从传感器、调节器到区域控制器，样样都行。它带有一个紧凑型的协议架，很容易和廉价设备相适应。但其通信速率较低，只能适用于工作层。因而，在工作层采用LonMark来连接控制器、感应器和调节器等设备，LAN层面的控制采用BACnet连接各个系统，两个协议互为补充，建立一个完整的建筑结构，得到最佳的性能和成本。,楼宇自控系统的传感器,在测量的过程中将物理量、化学量和机械量等转变成电信号的装置叫传感器。而把传感器得到的电信号再转变成标准的电信号的装置叫变送器。传感
19、器、变送器是工业自动化控制及信息检测技术中不可缺少的控制元件。它可以把诸如温度、压力、流量、液位、位置等模拟量或开关量转变成电信号，再由自动化控制仪表或计算机进行控制处理和调节。借助于传感器和变送器，可以对智能建筑的各类参数进行测试和评定，并进行过程控制和调节，还可以进行远距离的传送和信号处理。当前，传感器、变送器总的发展趋势是朝着小型化、多功能化及智能化方向发展。特别是增加了数据处理功能、自诊断功能、软硬件相组合功能、人机对话功能、接口功能、显示和报警功能等。它们在楼宇自动化中得到了广泛的应用。,楼宇自控系统的传感器,温度传感器：用于测量水管或风管中介质的温度，以此来控制相应的水泵、风机、阀
20、门和风门等执行元件的开度。湿度传感器：湿度传感器用于测量风道中介质的湿度，以此来控制相应的加湿阀的开度。压力/压差传感器：主要用来检测水管或是风管中的压力和压差，以此控制相应的变频器以调整水泵或风机的转速，或是调节比例阀门的开度。流量传感器：主要用于检测水系统中液体的流量，以此来控制相应的水泵阀的数量。以上传感器通常用于控制模拟量，结构是传感器和变送器的组合。,楼宇自控系统的传感器,楼宇自控系统的开关量控制器,温度控制器：主要用来检控现场的温度，一般由感温元件、控制电路、信号输出等三部分组成。楼宇自控系统中，温度控制器主要用于测量室内的温度，并以此控制风机盘管冷、热水阀的启停。湿度控制器：主要
21、用来检控现场的湿度，一般由感湿元件、控制电路、信号输出等三部分组成。楼宇自控系统中，湿度控制器主要用于测量室内的湿度，并以此控制加湿阀的启停。防霜冻保护开关：主要用来检测新风机组或空气处理机中的盘管温度，当温度低于某一设定值时，系统自动关闭风机和新风阀门，同时打开热水电动二通阀来防止盘管的冻结。压差开关：用来检测新风机组或空气处理机中的滤网，当滤网发生堵塞时，装在滤网两端的压差开关会发出报警信号。水流开关：用来检测管道内是否有水的流动，通常应用于制冷站、热站、给排水等有泵类的系统中。液位开关：主要用来监测液体的液位，如生活水池和污水池的液位。,楼宇自控系统的阀门与电动执行器,风机盘管电动阀：一
22、种平衡式冷热水阀，主要应用于风机盘管的控制中，这类阀所需的功率最小，是通电开启的一种阀门。阀门的开启时间仅为7s，具有很好密闭性、流体允许温度为0-95度。二通螺纹线性阀：主要用来供热通风和空调，也可以用于饱和水蒸汽。它的连接方式是采用内螺纹结构，阀体纯铜材料。与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。法兰式三通阀：主要用于供热和空调，也可用于饱和水蒸气。它的连接方式是采用法兰结构，阀体与阀座为一体化结构，泄露率极低，适应的温度为2-170度。与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。,楼宇自控系统的阀门与电动执行器,电动阀门执行器：这种执行器适
23、用于HVAC阀门（HVAC：采暖、通风和空调），内带一个选择正反作用插头，用于提供模拟输出0-10V的调制控制。具有安装快捷、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关等优点。电动线性阀门执行器还带有手动调节和精确的同步电动机控制。阀的自身还带有位置反馈的输出信号，可以和阀门组合在一起进行PID（比例积分微分，一种闭环回路算法）调节。通常被用来对液体、气体等介质进行变量的开度控制。是自动化系统中的主要元件。风门执行器：用于控制风门、通风百叶窗的调节和控制，可以和标准的圆形和方形的风门连杆进行连接，被广泛应用在风门的开度控制，特别是在空气处理机和新风机组的回风阀、排风阀、新风阀中实行PID控制，使之形成一定的比例连锁控制。,复习题,
