一、概述

    智能建筑(Inteiligent Buildings)是建筑技术与计算机信息技术相结合的产物，是信息社会与经济国际化的需要。智能建筑主要有楼宇自动化控制系统( BAS)、通信自动化系统(CAS)和办公自动化系统(OAS)三大系统组成。本章主要是对楼宇自动化控制系统( BAS)作有关的论述。智能建筑往往是从楼宇自动化控制系统开始。智能建筑内部有大量的电气设备，如：环境舒适所需要的空调设备、照明设备及绘排水系统的设备等，这些设备多而散：多，即数量多被控制、监视、测量的对象多，多达上百到上万点；散，即这些设备分散在各层和角落。如果采用分散管理，就地控制，监视和测量难以想象。为了合理利用设备，节省能源，节省人力，确保设备的安全运行，自然地提出了如何加强设备的管理问题。

    在90年代的今天，随着计算机技术和信息技术突飞猛进的发展。对大楼内的各种设备的状态监视和测量不再是随线式，而是采用扫描测量。系统控制的方式由过去的中央集中监控，转而由高处理能力的现场控制器所取代的集—散型控制系统，中央机以提供报表和应变处理为主，现场控制器以相关参数自动控制相关设备，来达到控制目的。对建筑设备用计算机管理系统来代替操作人员，或作其补充措施，是一种自然发展。自动控制技术经过简单的机械控制器控制、常规仪表控制，进入一个崭新的阶段——计算机控制。

    二、楼宇自动化控制系统的构成

    近年来国内高层建筑不断兴建，它的特点是高度高、层数多、体量大。面积可达几万平方米到几十万平方米。这些建筑都是一个个庞然大物，高高的耸立在地面上，这是它的外观，而随之带来的内部的建筑设备也是大量的。为了提高设备利用率，合理地使用能源，加强对建筑设备状态的监视等，自然地就提出了楼宇自动化控制系统。

    楼宇自动化控制系统能够自动控制建筑物内的机电设备。通过软件，系统地管理相互关联的设备，发挥设备整体的优势和潜力，提高设备利用率，优化设备的运行状态和时间(但并不影响设备的工效)，从而可延长设备的服役寿命，降低能源消耗， 减低维护人员的劳动强度和工时数量。最终，降低了设备的运行成本。
   
    （1） 管理的目的

    自动控制、监视、测量是建筑设备管理的三大要素，其目的是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。尤其在使用电子计算机之后既可大力节省人力，又可节省能源。一般认为可节约能源25％。
    根据日本电气学会技术报告说：使用电子计算机的管理系统的效果与不使用的效果相比，维修保养人员可减少约30％。这里讲的节能是在必要能源的最高利用率上所采用的节能方法。此运转控制所采用的方法主要有：机械的有效运转；变更室内温湿度的条件；控制照度；把设备运转时间控制在最小限度；减少室外空气的取人量等。在一幢大楼内电气的消耗率占整个能源消耗的70％~90％，所以节能首先应从电气方面着手，降低电能的消耗。

    （2） 管理对象

    建筑设备的管理对象主要是电气设备；空调设备；卫生设备。

    l)电气设备：管理电气设备主要监视机械的动作状态、测量点及保护装置。管理的主要对象是对各配电系统的断路器、变压器、接触器、保险丝，电容器等的状态监视。测量主要是对电力系统的电流、电压、有功功率、无功功率和功率因数的测量。

    2)空调设备：管理空调设备要监视冷冻机、空调器、水泵等的状态；温湿度的测量，以及对空调系统所需的冷热源的温度、流量的调节。

    3)卫生设备

    三、楼宇自动化控制系统的控制功能

    大楼的建筑设备自动控制是以空调控制为中心的。空调系统的自动控制是属于一般热力学过程的自动调节。空调系统的自动调节有下列几个好处：

    a) 对生产性建筑可以提高温湿度的控制精度，提高产品质量；对居住和商业性建筑主要是提高人的舒适感。

    b) 可以根据被调量变动的情况，给系统增减能量(热或冷)，因此可以降低能耗，节省能源。
    c) 可以减轻劳动强度。

    I空调机组的自动调节

    控制系统采用 DDC控制，装设在回风管内的温度传感器所检测的温度送往DDC控制器与设定点温度相比较，用比例积分加微分控制，输出相应的电压信号，控制装在回水管上的电动调节阀的动作，使回风温度保持在所需要的范围。

    装设在送风管内的湿度传感器所检测的湿度送往 DDC控制器与设定点湿度比较，用比例积分控制，输出相应的电压信号，控制电动蒸汽阀的动作，使送风湿度保持在所需要的范围。   

    装设在回风管及新风管的温度及湿度传感器所检测的温／湿度送往DDC控制器进行回风及新风焓值计算，按回风及新风焓值的比例，输出相应的电压信号，控制回风风门及新风风门的比例开度，使系统节能。

    1) 系统中所有检测数据，均可以在显示屏上显示出来，如：
    —新风、回风、送风之温湿度
    —过滤器淤塞报警
    —风机开停状态

    2）通过 DDC控制器内预先编写的逻辑程序，系统可执行下列连锁功能。—装设在新风入口处的风门与风机连锁。当风机停止后，新风风门全关。—电动调节阀与风机启动连锁。当风机停止后，电动调节阀亦同时关闭。—风机启停状态是用差压开关检测的。当风机启动后，风机两侧的差压超过其设定值时， 差压开关内的常开触点闭合，信号送往 DDC控制器，系统的控制程序立即投入运行。

    3) 通过手提检测器可现场提取及修改 DDC数字控制器内的任何数据，如
    —传感器检测范围
    —控制程序参数，包括输入端到输出端等。

    4) 通过 DDC上串行接口与网络控制器连接，成为中央监控系统的最基本监控单元。

    II冷站控制

    由装于冷冻机房内的网络控制器及数字式控制器， DDC分站按内部预先编写的软件程序来控制冷水机组台数的启停及各设备的连锁启停。
    —测量冷冻水供、回水温度及回水流量，从而计算空调实际的冷负荷。
    —根据实际的冷负荷来决定冷水机组开启台数，使达到最佳节能状态。
    —冷却水温度控制冷却塔风扇启停。
    —各设备的程序联动开／停：

    (a)启动：冷却塔风机i冷却水泵、冷冻水泵、冷水机组。
    (b)停止：冷水机组、冷冻水泵、冷却水泵—)冷却塔风机。
    (c)当其中一台冷冻水泵／冷却水泵出现故障时，备用水泵会自动投人工作。
    —测量冷冻水系统供回水总管的压差控制其旁通阀的开度，使维持压差。

    (1) 冷水机组控制
由中央控制系统进行监视供／回水温度。按程序启／停冷水机组。根据系统的供／回水温度通过就地控制器(DDC)对温度重新设定及负荷的限制等。
    (2) 冷却塔风机控制
由中央控制系统进行监视冷却塔的出水温度及控制水泵的启停。
    (3) 冷却水泵／冷冻水泵的控制
根据冷冻站的控制程序启／停水泵过载报警，对水流量的记录。

    III中央站监控功能

    以WindowsNT为操作平台，采用工业标准的应用软件、集散控制系统、二级网络结构，全中文化的图形化操作界面监视整系统的运行状态，提供现场图片、工艺流程图（如空调控制系统图）、实时曲线图、监控点表、绘制平面布置图，以形象直观的动态图形方式显示设备的运行情况。绘制平面图或流程图并嵌以动态数据，显示图中各监控点状态，提供修改参数或发出指令的操作指示。

    可提供多种途径查看设备状态，如通过平面图或流程图，通过下拉式菜单或功能键进行常用功能操纵，以单击鼠标的方式可逐及细化地查看设备状态及有关参数。

    控制功能：

    能在中央站上通过对图形的操作即可对现场设备进行手动控制，如设备的ON/OFF控制；通过选择操作可进行运行方式的设定，如选择现场手动方式或自动运行方式；通过交换式菜单可方便地修改工艺参数。
对系统的操作权限有严格的管理，以保障系统的操作安全。对操作人员以通行字的方式进行身份的鉴别和管制。操作人员的根据不同的身份可分为从低到高5—10个安全管理级别。

    先进的报警功能：

    当系统出现故障或现场的设备出现故障及监控的参数越限时，均产生报警信号，报警信号始终出现在显示屏最下端，为声光报警，操作员必须进行确认报警信号才能解除，但所有报警多将记录到报警汇总表中，供操作人员查看。报警共分4个优先级别。

    报警可设置实时报警打印，也可按时或随时打印。

    综合管理功能：

    对有研究与分析价值、应长期进行保存的数据，建立历史文件数据库：采用流行的通用标准关系型数据库软件包和硬盘作为大容量存储器建立数据库，并形成曲线图等显示或打印功能。

    提供汇总报告，作为系统运行状态监视、管理水平评估、运行参数进一步优化及作为设备管理自动化的依据，如能量使用汇总报告，记录每天、每周、每月各种能量消耗及其积算值，为节约使用能源提供依据;又如设备运行运行时间、起停次数汇总报告（区别各设备分别列出），为设备管理和维护提供依据。

    可提供图表式的时间程序计划，可按日历定计划，制订楼宇设备运行的时间表。可提供按星期、按区域及按月历及节假日的计划安排。

    四、楼宇自控系统常用设备

    （1） 传感器

    传感器时自控系统中的首要设备，它直接与被测对象发生联系。它的作用使感受被测参数的变化，并发出与之相适应的信号。在选择传感器时一般有三个要求：高准确性、高稳定性、高灵敏度。

    1. 温度传感器：楼宇工程中应用的主要接触式温度传感器，如热电阻、热电偶、PTC硅感应器等，由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，测量常伴有时间上的滞后。如Pt1000其在0℃时电阻为1000Ω，随着温度的升高电阻减小，灵敏度一般在3~4Ω/K，响应速度一般在15~30秒。

    2. 压力传感器：常用的有电气式压力传感器，将被测压力的变化转换为电阻、电感等各种电气量的变化，从而实现压力的间接测量。常用的有压差开关、表压传感器、静压传感器等。

    3. 流量传感器：常用的是电磁流量计，由法拉第电磁感应定律知，在磁场中运动并切割磁力线的导体中会有感应电动势产生，此感应电动势与流体的体积流量呈线性关系。

    4. 湿度传感器：用于测量室内空气相对湿度。

    5. 液位传感器：用于控制水箱、水池等的上限、下限液位。

    （2） 执行器

    在自动控制系统中，它接受控制器输出的控制信号，并转换成直线位移或角位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现过程参数的自动控制。

    6. 风阀执行器：用于控制安装于新风、回风口的风阀，既可进行开关控制，也可进行开度控制。执行器设有万能夹具，可直接夹持在风阀的驱动轴上，设有手动复位钮，在故障时可手动调节。根据风管横截面的大小可选择不同钮矩的执行器。

    7. 水管阀门执行器：与阀门配套使用，有开关式和调节式两种，开关式一般口径大，在冷热站中用于控制各系统工艺管道的开启和关闭、各种工况间的切换等；调节式主要用于控制流量，在空调机组中，根据控制器的温湿度设定值控制回水流量和蒸汽加湿的流量，使温湿度维持在设定值。

    （3） 现场控制器（DDC）

    DDC是用于监视和控制系统中有关机电设备的控制器，它是一个完整的控制器，有应有的软硬件，能完成独立运行，不受到网络或其它控制器故障的影响。根据不同类型的监控点数提供符合控制要求和数量的控制器。每处DDC 具有10-15%点数的扩充或余量。

    （1）控制器构成符合以下要求：

    A) 以32位或16位微处理器的可编程DDC

    B) 具有可脱离中央控制主机独立运行或联网运行能力

    C) 具有电源模块

    D) 具有通信模块

    E) DDC 有在模板LED显示每个数字输入，输出点的实时变化状态。当外电断电时，DDC的后备电池可保证RAM中数据在60天不掉失。

    F) 当外电重新供应时，在无需人工干预的情况下，DDC能自动恢复正常工作。

    G) 当DDC存储的数据非正常丢失时，用户可通过现场标准串行数据接口和通过网络操作将数据重新写入DDC控制器。

    H) DDC的操作程序与应用程序皆采用PPCL高级语言编写。

    I) DDC程序的编写，修改既可在中央站上进行，也可通过便携机进行。

    J) DDC在外电断时，同时后备电池丢失时，能存储其应有程序。

    K) DDC的采集精度与传感器的精度相匹配。

    L) 工作环境：温度0度到50度，相对湿度0-90%

    M) 电源：AC220V, ±10%,50HZ。

    （2）DDC具备以下功能：

    定时启停 自适应启/停

    自动幅度控制 需求量预测控制

    事件自动控制 扫描程序控制与警报处理

    趋势记录 全面通信能力

    （4） 中央监控站

    中央管理工作站系统由PC主机、彩色大屏幕显示器及打印机组成，是BAS系统的核心，它直接可以和以太网相连。整个大厦内所受监控的机电设备都在这里进行集中管理和显示，内装工作软件提供给操作人员下拉式菜单、人机对话、动态显示图形，为用户提供一个非常好的、简单易学的界面，操作简单，操作者无需任何先验软件知识，即可通过鼠标和键盘操作管理整个控制系统。

    楼宇自控系统的组成

    中央控制站(图形中心)
    现杨DDC控制器
    大型模块化控制器
    中、小型控制器
    分布式点类型模块

    现场设备包括风道温度,湿度,水温.压力.流量传感器,压差开关,风阀.水阀执行器等

    楼宇自控系统的功能

    满足舒适性要求
    有效节约能源，降低运行成本
    大量节省劳动力
    延长设备使用寿命
    节省资本投入
    保障建筑物与人身安全
    具有灵活性.兼容性.集成性.开放性
    支持结构化综合布线

    Lonworks技术说明

    1、先进的现场总线技术

    Lonworks技术是美国Echelon公司于90年12月推出的一种现场总线技。LON（Local Operation Network）为局部操作网络，具有现场总线技术的一切特点。Lonworks分布式测控网络技术，它真正并彻底地贯彻了“分散控制、集中管理的控制思想，在国际和国内都得到越来越广泛的应用。更准确地说Lonworks技术有效地解决了集散控制系统的通讯难题。Lonworks技术符合IEEE-1437和EIA-709标准。它的技术核心为神经元芯片、收发器和LonTalk通讯协议。神经元芯片为超大规模集成电路，其内部有三个CPU，分别控制通讯和应用程序的执行。神经元芯片可以直接或通过收发器连成控制网络。收发器有不同的类型，以支持不同的通讯介质，如双绞线、电力线、无线电、同轴电缆、红外线等。完善的LonTalk通讯协议保证了通讯的可靠性及实时性。这一切赋予网络优异的性能。这种网络为对等通讯网络，各节点地位均等，无主节点，实时性好，可靠性高，为楼宇自动化等应用提供了网络基础。具有强大的通信与控制功能。

    2、出色的开放性

    Lonworks技术符合ISO（国际标准组织）的OSI（开放系统互连）标准。Lonworks 技术具有很好的开放性，采用Lonworks技术的不同公司的产品可在同一网络上协调工作。比如我们的抄表系统可与国外Alya 、Honeywell 等公司的能量监控系统、楼宇自动化系统无缝联接。开放性最大限度的降低了垄断利润，使用户花最少的钱，选用各公司最好的产品。这就意味着用户摆脱了第一家供货商的限制，甚至在第二期工程中不再选用第一家供货商的产品 ，而能与一期工程连接，降低投资风险；同时，将来现有的Lonworks网上可以连接报警、求助、楼宇自动化等设备，而无需网络投资。当然，这些设备你可以从其它你信赖的公司那里获得，只要他们的产品采用了Lonworks技术。这样的公司遍及海内外，并且Lonworks技术在中国发展很快。开放性给客户带来了很大的主动权，而封闭的系统很难与其它公司的产品互连，减少了客户将来改变系统选型的可能性，增加了投资风险，并垄断售后服务的高额利润，从长远看增加了客户的总投资。

    3、高可靠性

    适合在各种恶劣的气候条件下使用，并具备良好的抗干扰能力。

    4、灵活的拓扑结构

    采用双绞线作通讯介质的网络可构成总线拓扑网络和自由拓扑网络。总线拓扑网络不加中继器距离可达2700m，每增加一个中继器可扩展2700m，自由拓扑网络不加中继器距离可达500m，每增加一个中继器可扩展500m。在后一种结构中，通讯线可被任意分支，提高了组网灵活性，降低了安装、维护费用。

    5、维护容易

    增加新设备、改变设备地址、调整运行参数、系统升级只需通过微机设置，不必更改硬件设备。

    6、国内外的应用情况

    Lonworks技术近几年在国内外的应用蓬勃发展 。并被美国、欧洲等国家和地区的一些行业制定为行业控制网络标准。特别是在楼宇自动化、工业自动化、交通运输、家庭与公用事业自动化等领域应用最为广泛。许多知名的大公司已向全世界提供各类Lonworks产品。Lonworks技术自96年进入中国，也取得了高速发展，现在国内已有很多在自动化及抄表系统的成功应用范例。我们的抄表项目由该技术的创始人—美国Echelon公司亚太地区总部作技术支持，可以为用户提供最好的服务。

    LonWorks技术概况

    LonWorks技术是美国ECHELON公司于90年代初推出的一种现场总线技术，Lon（Local Operating Network）的意思为局部操作网络，它是用于开发监控网络系统的一个完整的技术平台，并具有现场总线技术的一切特点。LonWords网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种型式的I/O功能，节点之间可通过不同的传输媒介进行通信，并遵守ISO/OSI的7层模型，LonWorks技术包括监控网络的设计、开发、安装和调试等一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序，主要包括以下几个方面的内容:

    Neuron Chip神经元专用芯片

    神经元芯片是Lon Works技术的核心器件，它是由Echelon公司研制的一种通信、控制、调度和I/O支持为一体的高级VLSI器件，只授权MOTOROLA和TOSHIBA公司生产。它内含3个8位的流水线CPU。在片内存储单元中固化了7层通信协写。它有11个可编议中的6层内容，只有第7层需用户编程的I/O引脚，可组成34种工作模式，并有5个通信引脚可组成3种通信模式，最高时钟频率为10MHZ，有2个16位定时器/计数器，一个48位编码的内部标识符Neuron ID，一个用于远程标识和诊断的Service引脚。

    Lon Talk通信协议

    Lon Talk是Lon Works技术的通信协议的标准，与其它现场总线技术革新不同的是它提供了ISO/OSI七层协议所有内容的服务，并采用一种基于载波侦听多路访问/介质访问控制（CSMA/MAC）的新型通信模式，称为带预测的P-Persistent CS-MA算法。Lon Talk协议支持多种传输介质，如双绞线，电力线，超声波、光纤、无线射频，红外线和信源线（line power）等。每一种介质称为一种信道，每一种信道都有专用的收发器作为智能节点和通信介质之间的接口器件。不同信道之间使用路由器进行连接。各种传输介质具有不同的传输速率，最高为1．25Mbps。传输报文每帧的最高有效字节为228个，最远的传输距离为2.．7km，每个信道最多可连接3．2万个节点。；Lon Talk协议支持分散的Peer to Peer的通信，节点可以组成总线型、环型、树型等多种拓扑网络结构，特别值得一提的是还可以组成自由拓扑结构，它是各种常规拓扑结构的组合。为采用Lon Works技术开发的监控网络模型，在每一个节点上都含有神经元芯片。Lon Talk协议支持使用一种称为Neuron C的语言进行编程，并通过网络变量进行节点之间的逻辑安装，这是一种面向对象的开发和设计方法。

    LonBuilder 及NodeBuilder开发工具

    LonBuilder和NodeBuilder是开发网络系统和节点的工作平台，它是硬件和软件开发工具的集合。LonBuilder是系统级的开发工具，它提供了一个用PC进行操作的开发环境，可支持单个仿真应用节点，也可支持由24个仿真节点和上百个远程节点组成的复杂的分散式网络系统，其硬件包括PC适配卡，LonBuilder处理器板，Neuron C仿真器，LonBuilder单板计算机，路由器，收发器调试板等。LonBuilder应用编程软件提供了编辑、编译、调试和测试软件所需的一切工具，包括Neuron C编译器和Neuron C调试器等，此外还包括网络管理工具和启动工作包。则是装置级的开发工具，它可用来编程和调试单个节点，它的硬件和软件相对简单一些

    LonWorks技术革新的其它系列产品

    为了使用户方便地进行应用开发，Echelon公司提供了多种模块化系列的硬件和软件产品，其中包括：

    a /收发器

    它完成对发送和接收的住处进行编码和解码，不同的通信介质采用不同型号的收发器。

    b路由器

    它是不同信道之间连接的桥梁。不同信道之间使用的路由器具有不同的型号。

    c串行LonTalk适配器

    它允许用户使用EIA RS-232串行口把各种PC的主处理器连接到LonWorks网络上去。

    d控制模块

    它是一块包含Neuron 3150神经元芯片，PROM插槽，收发器和晶振的微缩电路卡。采用多层电路板和表面焊接的先进工艺，它是LonWorks技术中智能节点的核心。不同的通信介质和不同的网络拓扑结构应采用不同型号的控制模块。此外，还有多种网络安装、管理、分析的服务性软件产品，同时还有一些设计方法和规定，如“LonWorks设备硬件设计中电磁兼容性(EMC)的准则及方法”等.

    LonWorks技术的应用

    ECHELON公司于90年代初在美国推出LonWorks技术。LonWorks技术最大的应用领域在楼宇自动化（building automation）方面，它包括建筑物监控系统的所有领域，即入口控制、电梯和能源管理、消防/救生/安全、照明、供暖通风、测量、保安等等。在建筑业中，LonWorks协议中的介质访问控制层（MAC层），即七层协议中的第一、二层已被美国供暖、空调和制冷工程师学会（ASHRAE）接纳为建筑自动化控制网络（BACNET）标准，同时也被美国国家标准协会（ANSI）制定的有关标准所采纳。LonWorks网络取消了那些复杂的配线线束，取消了PLC和PC，将控制分散到整个网络节点上。