楼宇自控系统
- 关键词：楼宇自控,,,灵活性,,,能源
- 摘要：楼宇自控系统有开放性、灵活性、可靠性，在为大厦提供舒适环境的同时，节约大量的能源
概述
楼宇自控系统有开放性、灵活性、可靠性，在为大厦提供舒适环境的同时，节约大量的能源；同时对机电设备进行监控，可使建筑的机电设备运行于最佳状态，使成为“管理自动化、设备监控自动化”的智能建筑。
为什么采用Lonworks总线技术的ONTOP产品
传统的楼宇自控系统
目前使用的传统楼宇自控系统已不能满足市场和用户的需求，归纳起来，有以下几个方面：
传统的楼宇自控系统就其本身而言是一种封闭的系统，主要表现在其通信协议上。不同厂商的产品采用不同的通信协议，互不兼容。如要实现封闭系统的一体化集成，就要在不同通信协议的系统间用网关(Gateway)把它们连接起来，将会产生大量的软件编制工作。这样实现的系统不仅性能差，而且费用很高，不是理想的解决方案。
由于系统封闭，不同子系统间无法共享相同意义的信息。不同功能的子系统可能要配置相同的器件，造成极大的资源浪费。
由于系统是封闭的，从业主选择了产品后系统的设计、供货、调试到以后的维护、扩展、升级都只能由厂商来完成，业主毫无自由度可言，只能被动接受，最初的投资不能得到有效的保护。
随着计算机技术和网络技术的迅猛发展，封闭的系统限制了建筑物智能化产品的更新换代，只有开放的系统才能为用户提供真正的低成本产品。
今天，建筑物业主和管理者正在寻找一种建筑物控制系统。这种控制系统是一个开放的、可互操作的控制系统，它可以把来自多家厂商的暖通空调、照明、消防、安保、门禁、给排水和电梯等设备集成一体化地集成在这个控制系统中。就象在计算机市场上PC机带来的浪潮一样，开放的、可互操作的控制系统的使用可以为用户在系统的整个生命周期内降低系统安装费用、提高性能、节约运行费用。另外，在一个控制系统中多厂商产品的一体化集成需要采用一个统一的通信协议，通过使用相同的通信协议，昂贵的用户硬件、软件和网关等设备可以被取消。
目前，美国Echelon公司于1990年12月推出的Lonworks技术使上述目标成为现实。Lonworks技术是开放系统的一种完整的解决方案。
Lonworks总线技术介绍
Lonworks技术是通用的总线，在工业控制系统中可同时应用在Sensor Bus、Device Bus、Field Bus等任何一层总线中。Lonworks技术是采用神经元芯片(Neuron Chip)技术，在ISO的OSI七层协议上实现的网络控制技术。在一个Lonworks控制网络中，智能控制设备(节点)使用同一个通信协议与网络中的其它节点通信。每个节点都包含内置的智能来完成协议的监控功能。一个Lonworks控制网络可以有3个到30000个或更多的节点：传感器功能(温度、压力等)、执行器功能(开关、调节阀、变频驱动等)、操作接口(显示、人机界面等)、控制功能(新风机组、VAV等)。由于不需要像传统控制系统中的中央控制器，Lonworks分布式控制技术显示出很高的系统可靠性和系统响应，并且降低了系统的成本和运行费用。神经元芯片完成节点的事件处理，并通过多种介质把处理结果传递给网络上的其它节点。LonTalk协议为Lonworks控制网络实现可互操作性提供了条件。神经元芯片和LonTalk协议是Lonworks 技术的核心。
神经元芯片(Neuron Chip)
Neuron芯片可以通过5个通信管脚与网络上的其它节点交换信息，也可以通过11个应用管脚与现场的传感器和执行器交换信息。11个应用管脚具有34种应用操作模式，可以在不同的配置下为外部提供灵活的接口和芯片内部的计时器应用。
LonTalk协议
LonTalk协议遵循ISO定义的开放系统互连(OSI)模型，并提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。它具有以下的特点：
LonTalk协议支持包括双绞线、电力线、无线、红外线、同轴电缆和光纤在内的多种传输介质。
LonTalk应用可以运行在任何主处理器(Host Processor)上。主处理器(微控制器、微处理器、计算机)管理LonTalk协议的第六层和第七层并使用Lonworks网络接口管理第一层到第五层。
LonTalk协议使用网络变量与其它节点通信。网络变量可以是任何单个数据项也可以是结构体，并都有一个由应用程序说明的数据类型。网络变量的概念大大简化了复杂的分布式应用的编程，大大降低了开发人员的工作量。
LonTalk协议支持总线型、星型、自由拓朴等多种拓朴结构类型，极大地方便了控制网络的构建。
到目前为止，全世界安装的Lonworks节点已超过400万个，已有3000多家公司致力于Lonworks控制网络产品和解决方案，涉及到包括建筑、家庭、工业、通讯和交通等在内的多个行业。Lonworks技术是支持完全分布式的网络控制技术，是开放的、可互操作的控制系统的一个技术平台。
系统方案及配置说明
楼宇自动控系统监测和控制的对象应包括以下系统：
冷热源设备控制系统
新风机组设备控制系统
空调机组设备控制系统
送排风设备控制系统
给排水设备控制系统
照明控制系统
电梯控制系统
变配电控制系统
冷热源自控系统
冷热源系统
冷热源系统的受控设备包括冷水机组、冷冻（热）水泵、冷却水泵、冷却塔、全自动软水器，软化水箱，板式换热器，电锅炉，电锅炉循环泵等。由楼宇自控系统按预先安排的程序对上述设备进行自动监视和控制，具体功能如下：
控制冷水机组启停；
监视冷水机组运行状态；
监视冷冻机故障报警；
监视冷水机组的手/自动状态；
测量冷冻水供/回水温度；
测量冷冻水回水流量；
测量冷冻水供/回水间的压差；
控制冷冻水旁通阀调节；
测量冷冻水回水压力；
控制冷却水泵启停；
监视冷却水泵运行状态；
监视冷却水泵手/自动状态；
监视冷却水泵故障报警；
控制冷冻水泵启停；
监视冷冻水泵运行状态；
监视冷冻水泵手/自动状态；
监视冷冻水泵故障报警；
测量冷却水供回水温度；
控制冷却水塔风机启停；
监视冷却水塔风机运行状态；
监视冷却水塔风机手/自动状态；
监视冷却水塔风机故障报警；
监测膨胀水箱高低液位；
监测补水箱高低液位；
控制补水泵启停；
监视补水泵运行状态；
监视补水泵手/自动状态；
监视补水泵故障报警；
补水泵水流状态；
测量锅炉进/出水温度；
测量锅炉回水流量；
测量锅炉出水压力；
控制电锅炉启停；
监视电锅炉运行状态；
监视电锅炉手/自动状态；
监视电锅炉故障报警；
监视软水器运行状态；
监视软水器手/自动状态；
监视软水器故障报警；
临视软化水箱高低液位；
控制电锅炉循环水泵启停；
监视电锅炉循环水泵运行状态；
监视电锅炉循环水泵手/自动状态；
监视电锅炉循环水泵故障报警；
测量电锅炉循环水泵出水流量；
测量换热器出水温度；
测量换热器出水压力；
控制换热器热水阀调节；
制冷机组蝶阀控制；
冷却水塔蝶阀控制。
通过量度冷冻水的总供／回水温度和回水流量，计算出空调系统的冷负荷；
根据实际冷负荷来决定冷冻机的启停组合及台数,以便达至最佳的节能状态；
根据机组启停情况控制控制相关水泵及碟阀开关；
控制冷冻水旁通阀的开度，以维持要求的压差；
根据冷却塔运行台数及运行方式控制相关碟阀开关；
冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔运行时间累积；
根据冷却水供/回水温度控制冷却塔运行台数及运行方式。
各联动设备的启停程序包括一个可调整的延迟时间功能，以便配合冷冻系统内各装置的特性。
设备的启停联动顺序为:
启动：冷却水循环泵→冷却塔→冷冻水循环泵→冷水机组；
停止：冷水机组→冷冻水循环泵→冷却水循环泵→冷却塔；
以上工作状况可用文字或图形显示于彩色显示屏上，也可通过打印机打印出来作为记录。通过安装在冷冻机房内DDC（直接数字式控制器）按内部预先编写的软件程序来控制冷冻机启停的台数和相关设备的群控。
新风机组
新风机组系统的监控功能如下：
当机组处自动控制状态时，控制风机的启停；
监测过滤网状态；
送风温、湿度监测；
室外温、湿度监测；
控制新风风阀的开度；
监测风机启停状态；
监测风机故障报警；
监测风机手/自动转换状态；
测量水盘管表面温度，当温度低于设定值(可调整)时触发报警并联动一系列的防冻保护动作，如关闭新风阀并打开水阀等；
通过对安装于水盘管回水侧二通电动调节阀的自动调整，实现对送风温度设定点（可调整）的控制，保证新风机组供冷/热量与所需冷/热负荷相当，减少能源浪费。
以上监控通过安装在机房内的直接数字式控制器（DDC）按内部预先编写的软件程序来满足新风机的自动控制和操作顺序。
工作状况通过网络通讯可将现场情况用文字或图形显示于中央控制室内的中控机的彩色显示屏上，供操作人员随时使用，其中的重要数据可通过打印机打印出来作为记录。
空调机组监控
空调机组系统监控如下：
当机组处自动控制状态时，控制风机的启停；
监测过滤网状态；
送/回风温、湿度监测；
监测风机启停状态；
监测风机故障报警；
监测风机手/自动转换状态；
测量水盘管表面温度，当温度低于设定值(可调整)时触发报警并联动一系列的防冻保护动作，如关闭新风阀并打开水阀等；
根据新风和回风温湿度计算出焓值，自动调节新/回风阀门开度；
通过测定回风温度与设定点间的差值，自动调整对安装于水盘管回水侧二通电动调节阀的，实现对送风温度的控制，保证空调机组供冷/热量与所需冷/热负荷相当，减少能源浪费。
以上监控通过安装在机房内的直接数字式控制器(DDC)将按内部预先编写的软件程序来满足空调机的自动控制和操作顺序。
工作状况通过网络通讯可将现场情况用文字或图形显示于中央控制室内的中控机的彩色显示屏上，供操作人员随时使用，其中的重要数据可通过打印机打印出来作为记录。
送排风系统
送排风系统包括排风机、排风排烟机等设备的监控，系统案预先编定的程序进行控制，具体监控功能如下：
检测设备的手/自动状态；
监测风机的运行状态；
控制风机启停；
风机故障报警。
给排水监控系统
给排水系统监控包括热水循环泵、生活给水泵、消防电梯潜污泵、集水坑，潜污泵、生活水箱、屋顶水箱。系统案预先编定的程序进行控制，具体的监控功能如下：
当设备处于自动控制状态时，可控制水泵的启停；
监测水泵的运行状态；
监测水泵的故障报警；
检测水泵的手/自动状态；
监测集水坑超高液位报警；
监测集水坑超低液位；
监测水箱高/低液位；
根据液位情况来自动启动、停止水泵；
根据水泵启/停时间的统计，自动确定启泵数量和时间。
以上监控通过在机房内的直接数字式控制器按内部预先编写的软件程序来满足水泵的自动控制和操作顺序。
工作状况通过网络通讯可将现场情况用文字或图形显示于中央控制室内的中控机的彩色显示屏上，供操作人员随时使用，其中的重要数据可通过打印机打印出来作为记录。
照明监控系统
照明监控主要对公共区域照明、室外及庭院照明及景观照明、障碍照明进行控制，根据每天预先编排的时间程序或光照度进行控制。具体监控功能及分布如下：
监视回路手/自动转换状态，确认设备现是否处于楼宇自控系统控制之下；
当设备处于楼宇自控系统控制时，可控制回路的开关；
监测回路开关状态；
监视照明箱手/自动转换状态。
电梯系统
电梯系统监控主要对梯的运行状态、电梯运行故障报警进行监测，一般只监测不控制。具体监控功能及分布如下：
监测电梯运行状态；
监测电梯故障报警。
变配电系统
变配电系统监控主要对变配电设备的运行状况及电压电流等运行参数进行监测。具体监控功能及分布如下：
高压进线开关状态
高压进线开关故障报警
中间断路器状态
中间断路器故障报警
高压进线三项电压
高压进线三项电流
高压进线频率
高压进线有功功率
高压进线无功功率
高压进线功率因数
高压进线电量
低压进线开关状态
低压进线开关故障报警
中间断路器状态
中间断路器故障报警
低压进线三项电压
低压进线三项电流
低压进线频率
低压进线有功功率
低压进线无功功率
低压进线有功电能
低压进线无功电能
低压进线功率因数
变压器断路器状态
变压器断路器故障报警
变压器温度检测
变压器高温报警
发电机电压
发电机电流
发电机频率
发电机日用油箱高低油位
不间断电源电压
不间断电源电流
不间断电源频率
不间断电源运行状态
不间断电源故障
能量管理系统EMS的节能功能
据统计，空调系统的能耗约占整个大厦能耗的40%，因此BAS系统在对空调系统的监控与调节过程中体现节能，意义十分重大。在节能方面采取了如下措施：
冷负荷计算
综合从厂家得到的冷冻机电能消耗和工作指标，由冷冻水的供回水温度和流量，计算出制冷量Q = F×△T，根据系统实际冷负荷，控制冷水机组数及水泵的运行台数，以达到节能效果。
冷却塔控制
根据冷却水温度调节冷却塔风机的开启数量。
焓值控制
充分考虑空气潜热，调节新风与回风的比例，最大限度地利用室外空气进行室内温度控制，尽量减少空调设备运行时的能耗。
零能量冷却
在凉爽季节，用夜间新风充满建筑物，以节约空调能耗。
负荷间隙运行
在满足舒适性要求的极限范围内，按实测温度和负荷确定循环周期与分断时间，通过固定周期性或可变周期性间隙运行基本些设备来减少设备开启时间，减少能耗。
设定值再设定
根据不同季节的气候变化，自动改变新风机和空调机的送风或回风温度设定值，尽量扩大空调对象的温湿度控制范围。例如：夏季温度设定值每升高1℃，约可节省8%的冷量，对减少建设投资与节约能源均有重要意义。
提高控制精度
采用自适应控制与模糊控制等高级控制软件，提高控制精度；在设置PID控制模块的各个参数时，为了避免温度变化很小时动作缓慢或温度变化很大时积分饱和，采用积分压制：在PID输出量＜25%或＞85%时，禁用积分。从而进一步扩大温度允许控制范围，达到优化节能的目的。
例如：一般舒适空调要求夏季最高室内温度不超过26℃，假如控制精度为±1℃，则设定值为25℃，如果控制精度为±0.5℃，则设定值可提高0.5℃，从而可节省投资和运行费用。
最佳启动
根据人员使用情况，提前开启设备。在保证人员进入时环境舒适的前提下，提前时间最短为最佳启动时间。
最佳关机
根据人员使用情况，在人员离开之前的最佳时间，关闭HVAC设备，既能人员离开之前空间维持舒适的水平，又能尽早地关闭设备，减少设备能耗。
分散功率控制
在需要功率峰值到来之前，关闭一些事先选择好的设备，以减少高峰功率负荷。
自控系统的设计原则
智能楼宇管理系统是专门为各类建筑中所有设备的监测、控制和集中管理而设计，该系统的开放性、灵活性、可靠性及高质量，集中体现了现代楼宇管理与控制的最新潮流。
是一个集中管理、分散控制系统。因而它更高效，更可靠，提高了系统的容错能力。是模块化系统，易于扩展，因而将来的需要并不会损失今日的投资。具备很强的联网能力，可以与任一家愿意开放其通讯协议的产品或系统实现联网，从而使用户很方便地在任何地方，任一台操作站上，对所有设备或子系统了如指掌，大大提高管理水平及工作效率。
完全符合工业标准，它的设计立足现在，面向未来，适应软件及硬件的不断发展。
硬件系统是由操作站(OWS)，网络控制器(ILON100)及ONTOP公司的LON控制器所构成的一种智能化控制网络。
设计原则：
模块式设计
系统设计有操作站至控制器，完全是根据控制点的数量及功能而定。而数量方面，可随日后控制点的改变而随意更改而绝不影响目前的运作。而每一个控制器也是多功能的，他可以任意调校以达到控制不同的设备。
分散式设计
整个系统的基础为不同的控制器联网，控制器的位置完全取决于设备的位置，不受任何其他限制。
符合国际标准设计
设计方针是以国际标准为基础，从品质管理方面开始，符合ISO9000的标准。从技术方面，不论软件或硬件的采用，也是从国际标准开始。操作系统应采用美国微软件公司的视窗（Microsoft Windows NT）操作系统，硬件则采用主流的计算机。从管理系统看，配合BACNET、TCP/IP（楼宇管理系统标准）及LONWORK（LonTalk标准）的设计。
开放式设计
系统开放设计是系统的最大特色，它的开放设备可分为三大类：
它本身设计上具系统集成功能。它的集成设备和第三方接口界面设计，已令系统可与其它厂家的设备联上，使它们也成为整套楼宇建筑管理系统的一部分。
软件方面：系统也大大的开放了结合的条件，如所有具DDE功能的软件，也可以跟该系统交换资料。而其开方式平台设计跟WINDOWS、UNIX、LONWORK、BACNET的标准配合，使软件编写时有所依据。
从网络设计方面。它可完全支持朗讯的结构化综合布线系统，极大的节省了布线，方便管理。更易于与其它子系统进行集成。
高可靠性的设计
系统采用采用分散控制、集中管理的结构，即使系统网络某一部分的控制器或线路受到损坏，也不会影响整个系统的动作，系统亦会即时对故障区或发出报警指示。即使中央控制站出现故障，现场的各个控制器也能正常工作，系统还能够继续运行。
针对中国自动化应用实际情况进行的可靠性强化设计，所有产品都电源、通信、I/O三隔离，大大提高了产品的稳定性和抗干扰能力。
系统通过空调控制，控制水量及设定值：制冷系统利用计算机控制的多种优势，实施根据冷量控制冷水机组起动数等多种节能措施，可以大大节省电量、水量、蒸气量，以求达到更高的经济效益。
系统控制显示功能包括（密码系统，控制点摘要，控制点报警，空调、制冷系统的节能控制状况，控制点历史，趋势记录，重要被调参数的动态光柱显示，系统的动态）。
全汉化软件，操作简便
根据中国国情，对于如此庞大的楼宇自控系统的监控管理要求极高。本系统软件在先进的Windows画面上实现多层次汉化显示，清晰显示了设备分区及层次，操作员用鼠标及少量按键即可进入需监视的楼层，系统或设备；形象汉化图设计可使受过中等教育的操作员即可对设备进行控制；参数趋势图，光柱图及帮助系统提示功能设计，可使操作员方便地了解系统运行性能，分析系统状态和找出故障原因；预置的程序无需操作员现场操作，即可按计划完成系统指挥，自动控制和打印报表等。
诣在提高劳动生产率与管理水平
现代化大型建筑群需要大量的楼宇设备。同时，大厦系统设备控制需要达到高到高效率、准确及可靠。系统通过中央控制系统对各子系统运行情况进行综合，了解系统运作状态，及时解决各种突发事件，并完成由建筑群管理部门各系统发来的每天上百条设备使用指令，上述要求若依靠人工运行是不可想象的。计算机快捷处理可大大减少劳动强度力，减少设备运行维护人员；另外，系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，在最佳情况下运行，既可节能，又可大大减少设备损耗，减少设备维修费用。
楼宇自控系统的组成
