智能建筑楼宇自控系统的设计与研究

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　　【摘要】楼宇自控系统是建筑设备自动化控制系统的简称。通过实现建筑设备自动化控制，以达到合理利用设备，节省能源、节省人力，确保设备安全运行之目的。为人们的工作和生活创造高效、舒适和便捷的环境。
　　【关键词】楼宇自控系统设计
　　
　　一、 绪论
　　（一） 智能建筑楼宇自控系统的概念
　　楼宇自控系统(Building Automation System简称BAS)是智能建筑中不可缺少的重要组成部分，在智能建筑中占有举足轻重的地位。它对建筑物内部的能源使用、环境及安全设施进行监控，它的目的是提供一个既安全可靠、节约能源、又舒适的工作或居住环境，同时大大的提高建筑物管理的科学性和智能化水平。
　　楼宇自控系统是建筑设备自动化控制系统的简称。建筑设备主要是指为建筑服务的、那些提供人们基本生存环境(风、水、电)所需的大量机电设备，如暖通空调设备、照明设备、变配电设备以及给排水设备等，通过实现建筑设备自动化控制，以达到合理利用设备，节省能源、节省人力，确保设备安全运行之目的。
　　楼宇自控系统设计为集散控制系统，它是将计算机网络及接口技术应用于楼宇自控系统。它通过系统的中央监控管理中心的集中管理和各现场控制器的分散控制实现对建筑物内水、暖、电、消防、保安等各类设备综合监控与管理。管理者可以通过中央监控管理中心上的可视化的图形界面对所有设备进行操作、管理、警报等，同时通过网络实时地获取各种设备运行状态的报告和运行参数，可以有效的提高管理水平和工作效率。利用计算机网络和接口技术将分散在各个子系统中不同楼层的直接数字控制器连接起来，通过联网实现各个子系统与中央监控管理级计算机之间及子系统相互之间的信息通信，达到分散控制、集中管理的功能模式，即集散控制系统。
　　（二） 智能建筑楼宇自控系统的基本构成和基本功能
　　智能建筑楼宇自控系统应划分为二个子系统, 它们是：
　　1.防火与保安子系统
　　包括：
　　a.火灾报警与消防控制系统；
　　b.人员出入监视系统；
　　c.保安巡更系统；
　　d.防盗报警系统；
　　e.其它需要实现安全监控的系统 (如煤气泄漏报警等)。
　　 2.设备运行管理与控制子系统
　　包括：
　　a.采暖、通风与空气调节系统；
　　b.给水 (含冷水、热水、饮用水) 与排水系统；
　　c.变配电与自备电源系统；
　　d.电力供应与照明控制系统；
　　e.其它需要监控的系统 (如电梯、广播、电缆等等)。
　　从技术角度来看，这两类子系统的划分，具有硬件设备资源共享好，便于整体管理和维护，可以统筹正常与异常情况下设备控制方案，达到实现全面集中监控的目的。 这种系统构成方式，与国际上有些做法是相类似的。只有我国消防管理体制要求火灾自动报警系统应为一个独立的系统。但随着技术的发展，逐渐会得到消防行政主管部门的认可，会允许火灾自动报警系统向楼宇自控系统发送信号。
　　智能建筑楼宇自控系统基本功能如下：
　　a.数据采集；
　　b.各种设备启/停控制与监视；
　　c.设备运行状况图象显示；
　　d.各种参数的实时控制和监视；
　　e.参数与设备非正常状态报警；
　　f.动力设备节能控制及最优控制；
　　g.能量和能源管理及报表打印；
　　h.事故报警报告及设备维修事故报告打印输出。
　　通过以上的基本功能达到的主要目的是：确保建筑物内环境舒适；提高建筑物自身以及人员与设备整体安全水平和灾害防御能力；最佳控制、节省消耗；提供可靠、经济、最佳能源供应方案，进行节能管理；使设备高效运行,减轻人员劳动强度；不断、及时提供有关设备运行情况资料，集中收集、整理，作为设备管理的决策依据，实现设备维护工作自动化。
　　二、 目前智能建筑楼宇自控系统设计中存在的问题
　　近年来，随着科学技术的飞速发展，楼宇自控领域也找到了其应用的发展空间，但同时在楼宇自控的设计方面也存在着许多问题：
　　（一）设计师往往对受控对象的工艺要求了解地不准确。目前，有些电气工程师对其他专业受控对象的工艺要求理解上的肤浅，甚至存在认识上的错误，而导致楼宇自控系统运行效果欠佳的事例屡屡发生，其中暖通空调系统占较大比重。
　　（二）控制原理描述不全面，受控对象控制种类统计不具体。设计图中见到的控制原理往往是千篇一律，不能根据具体实际工程做到有的放矢。受控对象的种类往往不能简单的局限于AI、AO、DI、DO四种状态，尤其是施工图应反映每种状态中不同信号特点的电特性，以便控制模块的选配。
　　（三）IBMS和BAS以及集成概念模糊。IBMS和BAS应是两个层次的概念，BAS体现在控制子系统间的网络通讯的互连；IBMS则体现在网络信息系统的整合，也就是说IBMS体现集成的概念比较准确。一般在设计中比较注重控制子系统间控制功能联动的描述，这往往被理解称集成设计，从信息系统集成来讲，设计应以用户需求为基础，做运行维护管理业务模型的规划设计，IBMS与BAS共用管理工作站。
　　（四）各系统设计界面不够周到、清晰。楼宇自控系统作为建筑物内的一个重要组成系统，其实现自身的功能设计已经比较成熟和完善，但在系统实施过程中，经常由于系统界面的问题而导致系统的最终功能不够完善，丢项、甩项等事情经常发生。
　　由于设计界面的问题牵扯的面比较多，涉及到工程实施中的暖通空调、给排水、变配电等多个专业。因此，在工程的前期将设计界面的问题进行明确，非常必要。从另一个角度讲，将设计界面的问题进行明确，可以使业主在工程的前期或在设备定货之前，就明确提出界面接口要求，从而可以实现楼宇自控系统的完整性。
　　（五）缺乏合理的网络架构规划设计。在楼宇自控系统未招标选定设备前，设计部门往往对楼宇控制网络架构规划设计不是很明确，现场控制器的布置比较随意，只注重控制原理及点表，网络架构形式、执行标准、设备配置标准选用等方面的设计相对来讲比较薄弱。
　　以上是目前智能建筑楼宇自控系统设计中容易出现的问题，也是我们在今后设计工作中需着重注意的问题。
　　三、 智能建筑楼宇自控系统的设计步骤及内容
　　楼宇自控系统是建筑设计的一部分，并与建筑设计同时进行。在工程设计中，要根据业主的投资额度和使用要求，确定楼宇自控系统的控制范围、控制点数及整个系统的构成。做好与土建施工有关部分的管线预留和预埋。我们通常把设计部门完成的设计内容称为一次设计。主要内容包括：方案设计、初步设计、施工图设计。现将各部分内容介绍如下：
　　（一）方案设计
　　此设计阶段，建筑电气专业设计文件主要为设计说明书。包括以下内容：
　　1．设计范围
　　在电气或弱电总说明中阐述建筑物智能化设计标准等级、设计范围。
　　2．楼宇自控系统设计的相关系统内容应说明各个子系统设计包含的内容，例如：
　　对空调系统设备的运行状况进行监视、控制、测量和记录；
　　对供配电系统、变配电设备进行监视、控制、测量和记录；
　　对给排水系统设备的运行监视、控制、测量和记录；
　　对电梯及自动扶梯的运行监视、控制、测量和记录。
　　3．当由楼宇自控系统完成系统集成时，应说明集成的内容。如：
　　对公共安全防范系统进行必要的监测 ；
　　对火灾自动报警系统进行必要的监测 ；

　　对停车场管理系统进行监测 。
　　（二）初步设计
　　此设计阶段主要包括以下内容：设计说明书、系统图、平面图、主要设备材料表。图纸目录由总目录给出。
　　1．设计说明书
　　（1） 建筑概况：说明建筑类别、性质、面积、层数、高度及智能化设计标准等级等；
　　（2）相关专业提供给本专业的工程设计资料；
　　（3）业主提供的有关职能部门认定的工程设计资料；
　　（4）本工程采用的主要技术标准及设计规范；
　　（5）设计范围：在电气或弱电设计说明中阐述的设计内容包括楼宇自控系统；
　　（6）楼宇自控系统控制室的位置、面积、独立设置或与哪些系统合用，监控总点数，包括数字输入、数字输出、模拟输入、模拟输出各为多少，系统的组成；
　　（7）各子系统的要求和联动控制功能；
　　（8）当完成智能化系统集成功能时需说明集成子系统及其要求；
　　（9）主要产品的选型；设计中所使用的符号、图例、标注的含义；接地要求及导线敷设方式；
　　（10）须提请在初步设计审批时需解决或确定的主要问题 。
　　2．系统图
　　应画出系统通讯的干线图、控制室大体位置，设备现场控制器大体位置，数量应在干线图中大体标出，只标出线路连接路径，不做线路选型。
　　3．平面图
　　包括控制室平面布置图和各分站现场控制器平面布置图，只画出设备平面分布，不做线路连接。
　　4．主要设备材料表
　　包括主要设备的图例、名称、型号规格、技术参数、单位、数量、安装做法等。
　　（三）施工图设计
　　设计文件包括图纸目录、施工设计说明、系统图、平面图、主要设备材料表。
　　1．图纸目录：
　　先列出新绘制的图纸，后列重复使用的图纸（包括标准图）。
　　2．施工设计说明
　　（1）设计依据：可按初步设计中的设计依据进行说明；
　　（2）设计范围：在电气或弱电设计说明中阐述的设计内容包括楼宇自控系统；
　　（3）当完成智能化系统集成功能时需说明集成子系统及其要求；
　　（4）主要产品的选型；设计中所使用的符号、图例、标注的含义；接地要求及导线敷设方式；
　　（5）系统的施工要求和注意事项（包括布线、设备安装等）；设备订货要求；工程选用标准图集编号、页号。
　　3．系统图
　　（1）监控系统干线图，绘至现场控制器站止，包括主控主要设备与现场控制器站的连接，线路选型与敷设方式，每个现场控制器要有清晰的编号与监控点表一一对应，线缆、设备的数量、路由，主要设备与设备间的连接应清晰画出，设备材料的图例、型号、数量应与平面图材料表一致，设备位置应与实际位置大体一致。
　　（2）监控点表：说明详细的设备和现场控制器的分布位置、监控对象、实现的功能、监控点分类、点数统计及现场控制器的点数占用率等，各监控点、现场控制器与干线系统图应严格一致。
　　4．平面图
　　平面图包括控制室平面布置图、接地平面图，现场控制器平面布置图、干线及设备机房外线路平面图。
　　5．主要设备材料表
　　包括主要设备的图例、名称、型号规格、技术参数、单位、数量、安装做法等。
　　（四）施工图纸的二次深化设计
　　我们通常把设计部门完成的设计施工图纸称为一次设计。该设计图纸在施工中使用，是配合设备招、投标的基础资料，供设备招、投标使用。 招、投标工作完成后，由中标的专业公司配合设计部门进行二次深化设计。
　　首先，要按产品性能、特点完善设计部门的一次设计，核对控制点数表，确定各种设备的规格、型号，绘制二次设计施工图纸。包括详细的分系统图、接线图以及联动关系软件功能说明、系统的操作及维护手册。所选择的设备要有开放的标准，自控系统要对楼内全部机电设备进行控制，这些设备和系统的数据通讯必须按同一标准协议，它由一系列与软件及硬件相关的通讯协议组成，规定了计算机控制器之间所有对话方式。在实际工程中，多数设备和子系统愈来愈多，愈来愈复杂，不同厂商提供的不同产品和系统，其通讯协议不同，互联很困难。承包商一般采用开发网关方式，完成不同系统的互联。系统之间要完成协议转接，一定要开发网关的硬件及软件来实现互联。中标公司二次设计完成后，供施工、设备安装、调试等环节使用。最后，通过权威或法定的主管部门测试后，该系统才能进行试运行。
　　四、 智能建筑楼宇自控系统设计的关键要素
　　1、 系统的可靠性：楼宇自控系统在应用中应稳定可靠，发生故障概率应降到最低可能的限度。
　　2、 系统的可扩展性：随着系统应用及技术的发展，楼宇自控系统要为未来的发展留出可扩展的空间。
　　3、 系统的互操作性。互操作性的开放系统不仅是要求设备级的互操作性，同时也要求系统级别的互操作性，即从设备到系统。开放系统采用平坦式，点对点的，即插即用，易于扩展的开放系统结构，将多家厂商的产品和系统根据功能的需求，实现系统与设备之间，系统与系统之间，设备与设备之间即插即用的互操作。
　　4、 系统能提供精确的、量化的控制模式，为建筑物的能源控制提供可靠保证。任一业主为建筑物安装楼宇自控系统的直接动因就是能实现建筑物能源消耗大幅度降低以达到节省建筑物营运成本的目的。这就要求楼宇自控系统整个控制过程尽可能精确。
　　5、 系统的可监控性：楼宇自控系统的执行机构分散在各个楼层的不同位置，为使系统及操作人员能够监控到自动控制指令是否正常，应考虑一套独立的反馈传感器。
　　6、 系统的联动性：工程设计中, 我们可以采取设备自控系统、闭路监视系统、防盗报警系统、门禁系统进行有机的集成, 或称之为联动, 以满足实际运行管理的需要。
　　五、 结论与展望
　　为充分发挥智能建筑楼宇自控系统的功能，需要设计单位周密详细的设计论证、统一规划，需要工程施工单位精心施工，更需要系统集成商以高度负责的态度，从用户角度出发，为每一个项目选择一个适合它本身的功能配置，业主也尽早配备有关工程技术人员，加入到项目实施中，这样才有助于项目的接受和系统的运行维护，从而真正发挥楼宇自控系统的功效，创造良好的社会经济效益。
　　智能建筑楼宇自控系统是多种高科技技术的融合，是建筑技术、信息技术、计算机技术和自动控制技术有机结合的产物，使得整座建筑各独立系统能够高度集成，做到保安、防火、设备监控三位一体，以提高物业管理的效率和综合服务功能。楼宇自控系统的功能和作用在智能建筑中占有极为重要的地位，必将为人们的工作和生活带来了前所未有的高效、舒适和便捷的环境。
　　
　　
　　参考文献
　　[1 ] 国家标准《智能建筑设计标准》 GB/T50314-2006年版
　　[2 ] 陈一才主编 《智能建筑电气设计手册》 中国建材工业出版社 1999年8月
　　[3 ] 陆伟良 《智能化建筑导论》 中国建筑工业出版社 1996年6月
　　[4 ] 祝敬国 《空调节能与建筑智能化》 1999年12月
　　[5 ] 华东建筑设计院 《智能建筑设计技术》 同济大学出版社 1996年10月
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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