建築物自動化系統
建築物自動化系統
建築物自動化系統是指採用計算機對建築物內所有機電設施進行自動控制的系統。
建築物自動化系統涉及的範圍很廣，廣義的建築物自動化(BA)定義包含火災報警自動化(FA)與保安自動化(SA)，監控系統主要包括以下子系統。
1．變配電系統
安全、可靠的供電是智能建築正常運行的先決條件。電力系統除要滿足繼電保護與備用電源自動投入等功能要求外，還必須具備對開關和變壓器的狀態，系統的電流、電壓、有功功率和無功功率等參數的監測，進而實現全面的能量管理。
2．照明系統
照明系統能耗很大，在大型高層建築中僅次於供熱、通風與空調(HVAC)系統，並導致冷氣負荷增加。智能照明控制應十分重視節能工作，例如，人走燈熄，用程序設定開/關燈時間，利用鑰匙開關、紅外線、超聲波及微波測量方法等隨時開/關燈。國外的分析報告指出，按這三種設計方案的照明控制大概可節約30%～50%的照明用電。
3．空調與冷熱源系統
空調系統在建築物中的能耗最大，故在保證提供舒適環境的條件下，應盡量降低能耗。主要節能控制措施如下：
(1)設備最佳啟/停控制。
(2)空調及製冷機的節能優化控制。
(3)設備運行周期控制。
(4)電力負荷控制。
(5)儲冷系統最佳控制等。
4．環境監測與給水排水系統
除空調系統外，尚需監測空氣的潔凈與衛生度，進而採取排風與消毒等措施。我國有很多城市為缺水城市，除應保證飲用水外，尚需重視水的再利用控制。
5．電梯系統
大型建築均配備多組電梯。需要利用計算機實現群控，以達到優化傳送、控制設備平均
使用率與節約能源運行管理等目的。等亦需監測，並聯網實現優化管理。
6．停車場管理系統
電梯樓層的狀況、電源狀態、供電電壓、系統功率因數停車場管理常採取讀卡方式。內部車庫不計費時，汽車經讀卡器確認屬該系統后，即可進入停車場。另一種為停車計費方式，通常分為兩種計費方法，一種是當汽車經讀卡器進入車庫后即開始計時，在出口處按時收費；另一種是在停車場的每個車位設一車位感測器，當車停在車位時開始計時，當車輛離開車位時計費停止。
建築物自動化系統(BAS)又稱為建築設備監控系統或樓宇自動化系統，是一個分散式微機監控系統。
在大型公建內為了實現節能和安全等目的，採用微機控制系統，將配變電、動力、照明、暖通、給排水等的監測控制管理集中在監控中心(兼作消防中心)。該系統同時可以完成安全防護、報警、巡更、電子地圖、遠程抄表、預收費等功能。本系統所有信息可以與其他系統共享，實現物業管理自動化。
建築物自動化系統可以實現的功能有：
1)配變電系統：監視、測量電壓電流等重要電氣參數、開關狀態，故障報警，遙控操作。
2)照明系統：控制小區的公共走道、大廳、停車庫、花園等地的照明燈，按時間、日期計劃或室外日光進行自動開關，監視開關的狀態。採用智能化燈光控制系統，可以進行燈光場景控制，保護燈具，延長燈具壽命。
3)暖通空調：監視、測量室內外的空氣參數，按計劃起停空調設備，節能運行。
4)給排水：監視水泵運行狀態，各種水池液位監測報警，飲用水過濾殺細菌設備監測控制，熱水供應設備監測控制，水池液位自動控制。
5)電梯：監視電梯運行狀況，自動調度運行控制，記錄運行時間。
建築物自動化系統的結構有集中式、分級分散式和全分散式三種。
1．集中式結構(單機系統)
2．分級分散式結構(集散型系統，多機系統)
該系統有下列特點：
1)節省人力，通過集中管理控制，簡化操作及培訓維護等。
2)節能，通過集中管理控制，合理凋度負荷。
3)靈活的控制。
4)設備共用，如某些感測器可以用在多種控制用途。
3．全分散式結構(現場匯流排系統)
根據設備監控點數、監控原理及設備所在位置確定控制設備清單，繪出控制系統圖，是建築物自動化系統設計的主要內容。
控制分站硬體及其組態
控制分站主要完成實時性強的控制和調節功能。控制分站按照其硬體組成是否有分散的實現閉環控制功能分為分散控制型(DCP)、數據採集型(DGP)。其中分散控制型又分為有微處理機的智能型控制器(DCP-I)、無微處理機的普通型控制器(DCP-G)。
目前，一般中型和大型系統採用智能型控制器，這是一種全智能型控制器。用戶可以根據自己的需要賦予分站某種功能，例如改變控制演演算法、增設某個濾波程序等。智能型的控制分站設有中央處理器、內存、通信介面、可擴展的功能化信號輸入和輸出(I/O)模塊、便攜終端插口或字元顯示器及鍵盤。它可以直接完成數字控制功能，能組成網路構成建築物自動控制系統。這種智能型控制器的控制分站具有下列技術特點：
(2)有多種輸入輸出信號
1)輸入信號應該能適應多種感測器(變送器)，主要有：
①模擬量的直流信號4-20mA，0-10mA，0-10V，熱電阻(RTD)信號，壓力信號。
②開關量信號有常開/常閉於接點(ON/OFF)、電流有/無、電壓有/無、低頻脈衝信號等。
2)輸出信號應有模擬量和開關量，主要有以下一些：
①模擬量直流信號4-20mA，0-10mA，0-10V，0-12V，氣動輸出(0-138kPa)。
②開關量信號有保持式和脈衝式，兩態控制(ON/OFF)及三態控制(快、慢、停)。對於某一種控制器，可以選擇其中數種組合。
(3)模塊化組合結構
設備可擴展，可以是插道模式結構，也可以是板式結構。一般分為電源模塊、控制模塊、測點模塊等。
(4)多種通信介面
(5)有聯網能力
如以太網(Ethemet，傳輸速率為4Mbps、10Mbps)、ARCnet(傳輸速率為2．5Mbps)、令牌環網(Token Ring)、20mA電流環(傳輸速率為1．2，9．6或19．2kbps)、建築物自動化和控制網(BACnet)、局部操作匯流排(LON)。
(6)內存為模塊化的可預編程
內存容量按照不同要求而異，如8K ROM，256K RAM，8K EEPROM、32K EEPROM或者用PCMCIA卡。
(7)能適應工業環境，有較強的抗干擾能力
一般環境條件為氣溫0-49℃、濕度0%-90%，不結露。
(8)有或可接顯示器和鍵盤
供操作員和程序員在現場進行操作，如設定數據及修改參數等。
(9)可自診斷及故障報警
使設備安全可靠運行。
(10)有備用電池供斷電時保持RAM內容支持時間不小於72h，在無負載情況下自身壽命不低於5年。
(11)顯示器用發光二極體或液晶
可以顯示電源情況(通，斷，接通試驗)及數據傳送情況(發送，接收，故障)。
(12)有實時時鐘
可以對設備進行時間日期安排，定時控制。
(13)結構型式有牆掛式、箱式、落地式等
應便於安裝維護檢修。
(14)外殼防護級別，有IP20、IP55或IECl44、IEC529
(15)電源電壓為AC24V50Hz或AC220V50Hz
中央站硬體及其組態
中央站或管理中心又稱監控中心或上位計算機，它可以對整個系統實行管理和優化。通常用高檔微機。目前微機的硬體發展很快，可以選用較高級的配置。
中央站硬體配置有微機和外圍設備。
1．微機的配置
1)中央處理器是決定中央站處理速度的主要部件，一般用32位的，如Intel Pentium處理器主頻800MHz。
2)高速緩衝存儲器可以加快處理速度，一般有256KB。內存對數據處理和圖形顯示有很大影響，一般用16MB以上(可選用64MB RAM)。
3)計算機匯流排是計算機信息總通道，目前以PCI匯流排較好。
4)硬碟驅動器的容量按照軟體處理容量來定，一般為1GB以上，可用20GB的3．5inlDE硬碟驅動器。
5)軟盤驅動器為1．44MB，3．5in。
8)內置I/O埠。一個平行埠，兩個RS232串列埠。
9)顯示器(CRT)41cm(14in)SVGA，內部1MBDRAM，解析度為640×480以上，256色(顯示數據和圖形)，最好用51cm(21in)，解析度為1024X768，256色。
10)鍵盤為101鍵。
11)滑鼠器為機械式或光電式(用視窗操作系統時一定要配)。
2．印表機
印表機用於製作硬拷貝文件。一般印表機接在微機的平行埠，這樣一旦微機有故障，就有丟失報警信息的可能。如果將印表機直接接在網路，這樣各分站可以直接訪問印表機，報警信息可直接送到印表機，減少失誤。印表機目前有擊打式點陣印表機、噴墨印表機和激光印表機等數種。擊打式點陣印表機適合列印數據目前已很少用。噴墨印表機和激光印表機除了列印數據外，還可以列印圖形。
(1)噴墨印表機
列印速度，單色1頁/min，彩色4頁/min。解析度，單色600×600dpi，彩色300X300dpi。紙張，連續紙102-406mm，單張紙A4(210×297mm)。
(2)激光印表機
列印速度為單色4頁/min；解析度為單色600×600dpi；紙張為單張紙A4(210×297mm)。
建築物自動化系統的軟體特點
建築物自動化系統的軟體包括系統軟體和應用軟體。這些軟體的要求各有特點。
(1)軟體的規劃、選用、編製和開發要求是中央站和分站應配置相應的軟體分站應該能獨立完成所負擔的控制功能，而且在發生故障時不影響系統的運行。具體要求有：
1)軟體應有模塊化結構，減少重複，便於擴展。
2)操作員級別管理，防止未得到授權人員的操作或越權操作。
3)操作方便。
4)系統擴展性好，數據可修改。
5)用高級語言開發應用程序。
6)對邏輯與物理資源的編程能簡單地實現。
7)有系統診斷軟體。
8)有練習功能。
9)有操作幫助功能。
(2)操作系統操作系統是控制和管理系統硬體和軟體資源，組織計算機工作流程的軟體。操作系統有下列幾種：
1)DOS是一種單用戶單任務的操作系統。
2)Windows 3．x是一種在DOS基礎上的，單用戶多任務的操作系統。
3)Windows 9X和Windows XP是一種多任務網路操作系統。
4)Windows NT是一種佔先式多任務網路操作系統。
5)NOVELL NetWare是一種網路操作系統。
6)UNIX是一種多用戶分時操作系統，類似的有SCOOPENDESK TOP 3．0。
7)QNX是一種多用戶實時操作系統，它是UNIX的一個分支。
8)OS/2是一種佔先式多任務網路操作系統。
9)Linux是一種多任務網路操作系統。
在BA系統中所用的操作系統要實時性較好，目前常用的為Windows操作系統。
控制分站軟體功能
建築物自動化系統要求的控制分站軟體有系統軟體(監控程序和實時操作系統)、通信軟體、輸入/輸出點處理軟體、操作命令控制軟體、報警處理軟體、報警鎖定軟體、運算軟體、控制軟體、時間/事件程序(TEP)、能量管理和控制軟體。其中一些軟體的功能是：
1．運算軟體
主要對數據進行計算，如平均值、高低值選擇、焓值計算、邏輯運算、積算。
2．控制軟體
採用直接數字控制，有比例、比例-積分、比例-積分—微分(PID)等控制功能。它執行現場要求的操作順序，用比例、比例—積分或比例—積分-微分演演算法控制I-WAC系統。程序包含DDC操作員程序，例如自適應控制可對環境變化做出響應，自動調整系統的運行。
3．時間/事件程序
按照時間表發出命令，或根據啟動停機計劃，點報警或點狀態變化觸發標準的或定製的DDC程序，控制空調設備等。控制器固有的TEP提供與中央工作站TEP無關的時間順序控制和事件觸發程序。
4．能量管理和控制軟體
有最佳啟動停機程序、趨勢記錄、周期性負載和最大需求管理。
節能和控制程序庫可以在控制器內執行。這些程序可以從其他控制器讀取共享的輸入，以控制自己的輸出。這些程序能獨立於中央工作站而運行，以保證系統的可靠性。控制器支持下列能量管理程序：
(1)分散型電力需求控制
在需求電力峰值到來之前，通過關掉事先選擇好的設備，來減少高峰電力負荷。
(2)負載間斷運行
通過間斷運行來減少設備開啟時間，從而減少能耗。
(3)焓值控制
選擇空氣源，以使被冷卻盤管除去的空熱量最少，來達到所希望的冷卻溫度。
(4)負荷再設定
重新設定冷卻和加熱設定值，使之剛好滿足區域的最大要求。
(5)夜間循環
在下班期間開關設備，把溫度維持在允許的範圍內。
(6)夜風凈化
在夏季、系統啟動前、清晨，用冷空氣清凈建築物。
(7)最佳啟動
在人員進入前，為使空間濕度達到適當值，可稍微提前啟動HVAC系統。
(8)最佳停機
在人員離開之前的最佳時刻關閉系統，既能使空間維持舒適的水平，又能儘早地關閉設備以節約能量。
(9)零能區
在某些時間，重新設定冷卻和加熱設定值，但仍維持房間內的舒適空間溫度，以使那裡的能量消耗最少。
(10)其他控制程序
1)自動轉換夏令時。操作員可以預設定，何時軟體應將時鐘向後撥或向前撥1小時，以適應夏令時的轉換。
2)特別時間計劃。為特殊日期，如假日，提供日期的時間安排計劃，中斷標準系統處理。
3)運行時間。監視並累計設備運行時間(開或關的時間)，併發出預先設定的設備使用水平的信息。
5．用戶化軟體
可簡化數據文件的修改。授權的操作員可以增加、修改和刪除控制器、測點數據、能量管理數據和用戶DOC程序。
6．終端模擬軟體
當不需要分站提供圖形操作的全部能力的時候，操作員可以用視頻顯示終端(POT)或個人計算機，以合適的終端模擬軟體實現對簡單的點和設備的操作(例如，讀取測點數據，發出對該點的命令)。
中央軟體的技術要求
中央軟體是裝在中央站的軟體。中央軟體的技術要求是按照設備監控要求而設定的，一般來說中央站軟體要求的功能為：
①操作環境設定；②系統功能；③顯示功能；④操作功能；⑤用戶化功能；⑥控制功能；⑦數據保存功能。
下面是對設備監控中央站軟體的一些具體技術要求：
1．操作環境設定
(1)操作環境設定功能系統內全部點按系統運用區分。這種運用區分是對系統外圍設備運用環境設定的，指定顯示器可/不可顯示、印表機可/不可列印、蜂鳴器有/X鳴響、指定每個蜂鳴器的四種報警級別。
(2)操作級別設定可設定多級口令、多級操作級別。
(3)訪問信息管理可變更系統口令、訪問級別。
(4)系統管理可變更時間、圖形信息、點的名稱、運用區分。
(5)程序操作可變更時間程序等。
2．系統功能
(1)狀況監控
對數字和模擬管理點的狀況進行監控，定期更新數據，並可將該數據隨時顯示在顯示器上。
(2)警報發生監控
發生警報時，自動執行警報發生信息顯示和強制畫面顯示(依據級別設定)，並在鳴響警報同時顯示警報和未確認警報指示器。另外，對每個管理點可進行警報級別(4級)以及畫面強制顯示級別、警報聲音信息的設定，並可設定每一警報級別的警報鈴聲。警報級別基本上分緊急警報、重警報、中警報、輕警報。
(3)啟動/停止失敗監控
在輸入啟動/停止指令並經過一段時間后，如果機器狀況仍然與輸出狀況不一致，就可以認為啟動/停止失敗(異常停止/啟動)而發出警報。
(4)測量值上下限監控
對測量值進行上下限設定，如果測量值大於該設定值，則執行警報判斷操作。
(5)測量值偏差監控
對測量值進行偏差設定，如果控制標準值和測量值的偏差大於該設定值，則執行警報判斷操作。
(6)連續運轉時間監控
如果機器的連續運轉時間大於設定值，則發出警報。
(7)運轉時間的累計
依據機器的運轉狀況累計運轉時間，作為維修和檢查的指南。
(8)啟動/停止次數累計
累計機器的啟動牌止次數，以作為維修和檢查的指南。
(9)系統自動診斷
(10)分站自動診斷
系統內各分站(DDC、BS)的傳送異常時，發出信號，可以列印其信息。
(11)模擬感測器監視
對測量點感測器斷線，變換器、發信器異常的監視。異常時，發出信號，可以列印其信息。
3．顯示功能
可以顯示下面的內容：
(1)日曆顯示顯示器可顯示年、月、日、星期、時間。
(2)顯示器可顯示圖像/圖表
1)顯示器顯示概要圖像/圖表。以圖表顯示出每一單元系統的控制和管理內容。在圖表上顯示出機器的實際運轉狀況以及各種數據。每隔一定時間數據更新顯示。一張圖可最多表示多點的動畫。一張系統圖，可以分4張概要圖，畫面可以水平綞直滾動。
2)單管理點的信息檢索。可從顯示器的系統圖中調出單管理點畫面，並且也可顯示出該管理點的詳細畫面。(如時序、趨勢圖、連動程序、控制程序)。
(3)警報顯示警報發生時強製圖形表示。未確認警報以圖標表示，並以清單顯示出系統中尚未經過警報確認操作的警報。在警報級別低或自動複位的場合，也可以不經確認。
(4)警報歷史顯示警報歷史可長期保存，也可以用表格方式顯示。它能累積的數據組數最多各為3000組。
(5)操作歷史顯示
顯示操作時刻，啟停操作。長期記憶設定變更操作，變更操作履歷可用清單方式顯示。能累積的操作狀況和變化數據。能提供操作員操作信息。
(6)趨勢圖顯示
顯示測量對象的趨勢圖。顯示一個周期的數據。
(7)顯示器顯示月報、日報
按照日報(時間單位)、月報(日單位)格式顯示出所指定的測量值、積算值。顯示按每時(7日間)、每日(2個月間)的最大/最小/合計/平均/讀出值，最大/最小/平均可以按照特定時間範圍設定。
(8)圖形顯示
可顯示趨勢圖數據、日報/月報收集數據、機器開關狀態，可顯示其直方圖、條形圖。在同一畫面上可以同時顯示出多個管理點的數據。
(9)監控點清單顯示
操作員可以將下列項目的表格顯示出來。
1)警報點清單。顯示警報點清單。
2)模擬量點清單。顯示模擬量點清單。
3)積算量點清單。顯示積算量點清單。
4)運行中設備清單。顯示運行中設備清單。
5)停止中設備清單。顯示停止中設備清單。
6)維修中設備清單。顯示維修中設備清單。
(10)程序表格顯示
操作員可以將下列項目的表格顯示出來。
1)出租表格。顯示出租戶、日程等清單。
2)時序表格。顯示時序表格、程序名稱、本日時序等清單。
3)程序表格，顯示各種控制程序清單、程序名稱等清單。
(11)程序登錄點表格
操作員註冊控制程序的登錄點、程序種類、程序號顯示。
(12)警報指示
警報發生時，可以顯示處理程序以及緊急聯絡地址的畫面。
(13)幫助顯示
顯示說明操作的畫面。
(14)多窗口顯示
一個顯示器可以用多個窗口表示多個畫面。
4．操作功能
(1)手動個別啟動/停止(切換)操作可從系統圖畫面或是報表畫面中調出單管理點畫面，以便在該畫面中以手動使機器啟動牌止的操作。
(2)手動變更個別設定值可從系統圖畫面成是報表畫面中調出單管理點畫面，以便在該畫面中更改程序設定值。
(3)成組啟動/停止(切換)操作可以按照時間程序、連動程序進行機器程序操作。
(4)變更成組設定值操作CPA程序操作，可遠程更改設定值。
(5)指定維修登錄脂除操作在維修設備機器時，可以進行圖上某點的維修登錄解除指定操作。這時，維修中的設備機器可以暫停控制程序的執行。
(6)指定程序的許可傑止操作可以進行各程序的實行褓留操作。
(7)畫面滾動功能包括系統圖畫面及表格形式的信息，可以進行畫面滾動檢索操作。
5．用戶化功能主要有以下幾個方面。
(1)變更程序設定值操作可以更改時間、標準值、控制參數、登錄管理點等的程序設定值。
(2)季節切換操作可以切換春、秋、夏、冬季節系統動作。
(3)日曆時刻變更操作
可以變更系統的年、月、日、時間。
(4)變更平面簡圖操作
可以變更租戶的房間平面簡圖及名稱。
(5)變更管理點信息操作
可以進行管理點的名稱、所屬系統、報警水平、列印指定等信息。
(6)變更程序名稱操作
可以變更簡略圖等各種程序的固有名稱設定。
6．控制功能
主要有以下幾個方面：
(1)日曆功能
(2)時間程序控制
將動力機器等登錄於時間程序中，即可自動驅動該機器的定時開/關運作。時間程序根據7天及假日(1個星期日和2個特別日(由日曆指定))的周期，可對機器的啟動膺止時間作進行2次設定。此外，不論是星期日均可在7天以內(包含當日)變更各機器的啟動時間。時間程序登錄的機器，最早啟動時間和最晚停止時間，可按照計劃進行。
(3)火災意外事故程序
發生火災時停止空調器等相關機器的運作。在輸入火災信號時。火災畫面會顯示在顯示器上。對火災時停止的機器，取消其他程序信號輸入。
(4)停電處理
市電斷電時(裝設有備用電源的場合)一般控制功能被中止，此時只有火災意外程序及手動操作可以執行輸出操作。
(5)停電/自備電時的負荷分配控制
在商業用電停電，並且進行自備發電的場合，會自動按照發電機容量將負荷投入/切斷。
(6)恢復供電程序
恢復供電后，在將自備發電切換為商業用電時，可按照自動或手動的恢復供電指令操作，並依照自備發電時的強制驅動控制讓運轉機器停止運作，然後一邊參照時間表一邊讓停電瞬間正在運轉中的機器自動啟動(投入)。在部分停電的場合，可以手動恢復該點供電。
(7)電力需求監視權制
進行電力需求控制，在用電量超過合同供電量時，將負荷切除。
(8)事件程序
監視點的狀態變化、報警、指定恢復條件、設定狀態動作。可以進行與/或等邏輯條件設定動作。
7．記錄功能
(1)信息記錄
負責執行警報記錄、正常複位記錄、啟動牌止失敗記錄、測量值上下限警報記錄、停電械復供電記錄、火災時間記錄、操作記錄、狀況變化記錄等的列印操作。警報發生時以紅字，警報複位時以藍字，其他狀況時則以黑字進行列印。
(2)警報歷史列印
警報歷史數據、警報級別，可用表格方式列印。
(3)操作歷史列印
操作歷史，可用清單方式列印。
(4)監控點表格列印
操作員可以將下列項目的表格列印出來：①警報點清單；②模擬點清單；③積算點清單；④運行中設備表格；⑤停止中設備表格；⑥維修中設備表格。
(5)程序登錄點清單列印
列印操作員註冊控制程序的登錄點、程序種類、程序號。
(6)趨勢圖列印列印
操作員指定的趨勢圖。
(7)月報、日報列印
日報(時間單位)、月報(日單位)格式列印出所指定的測量值、積算值。按最大/最小/合計/平均值的運算結果列印。可以按照設定的時間範圍最大/最小/平均值列印，可在任意時間以手動操作列印出過去7日間(含當日)的日報。
(8)圖形列印
列印操作員指定的圖形數據。
8．數據保存功能，主要為長期數據收集
可以在顯示器顯示及列印趨勢圖、圖形日報/月報及過去7日間(含當日)的日報、過去2個月間(含當月)的月報數據等。