建筑设备自动控制系统设计

1.BAS的基本功能及设计目标楼宇设备自控系统主要是对建筑物的变配电设备、应急备用电源设备、蓄电池、不停电源设备等的监视、测量和照明设备的监控、给排水系统的给排水设备、饮水设备及污水处理设备等运行、工况的监视、测量与控制、空调系统的冷热源设备、空调设备、通风设备及环境监测设备等运行工况的监视、测量与控制，热力系统的热源设备等运行工况的监视，以及对电梯、自动扶梯设备运行工况的监视。通过BAS实现对建筑物内上述机电设备的监控与管理，以达到节约能源和人力资源，提高物业管理水平和向用户创造更舒适、安全的环境一、建筑设备自动控制系统概述2.1《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000）2.2《民用建筑电气设计规范》2.3工程项目的监控和管理需求，功能定位2.BAS的设计依据一、建筑设备自动控制系统概述二、BAS系统结构及其功能1.1建筑设备自动控制系统的组成BAS通常是一个集散型或者是分布的开放型系统，目前楼宇设备管理系统采用分层分布式结构，第一层中央计算机系统，第二层区域智能分站（DDC控制器）第三层数据采样与控制终端组成1.建筑设备自动控制系统组成及其功能二、BAS系统结构及其功能第一层中央计算机系统，它是由多台分散的微型计算机和区域智能分站经互连网络连结而成的计算机系统，系统中各智能单元既相互协同又高度自治，能在全系统范围内实现资源管理，动态地进行任务分配或功能分配，同时可以执行分布式程序。二、BAS系统结构及其功能第二层智能分站（DDC）主要任务是：⑴现场监测点数据的周期性采集；⑵采集数据的处理（滤波、放大、转换）；⑶现场数据和现场设备运行状态的检查和报警处理；⑷控制算法（连续调节和顺序逻辑控制的运算）；⑸控制与数据网的转换，与各上位管理计算机进行数据交换，向上传送现场的各项采集数据和设备运行状态信息，同时接收各上位管理计算机下达的实时指令或参数设定、修改。二、BAS系统结构及其功能第三层数据采样通常由两类终端构成，一类称为监测输入点（IP），监测对象是：温度、湿度、有害气体、火灾检测、流量、压力等。另一类称为受控输入点（OP），受控对象是：水泵、阀门、控制器、执行开关等。各类探测器、传感器将监测对象的实时状态转变成区域智能分站可以接受的电流（4-20mA）或电压（0-10V）量，同样区域智能输出（4-20mA）或（0-10V）的控制信号调节受控设备（例如调节阀门的大小或调整风门的开度）。二、BAS系统结构及其功能智能分站与楼宇设备自控系统（BAS）以现场总线方式进行通讯，BAS中分散的智能分站的操作运行应是高度自治的，并不依赖BAS监控软件。当系统通信故障时，智能分站仍然具有正常完成监测和控制的能力，同时也应采用分布式系统结构的原则，使智能分站在大厦地理位置上更具有分布性，也可减少各监控工作站与智能分站之间的通讯量。二、BAS系统结构及其功能1.2BAS的系统框图管理计算机防火墙浏览器中央站以太网以太网分站以太网以太网分站企业资源计划管理执行系统管理层自动化层现场层二、BAS系统结构及其功能(1)BAS网络总线网络总线是网络通信总线，在BAS中是上经管理计算机、中央站、分站、现场设备之间连接总线，而网络总线总网络技术应是多个计算机系统的集合，实现数据通信和资源共享。就智能建筑而言，BAS其系统结构应是有机地将其融合在建筑物网络系统之内，实现建筑物的通讯和资源共享，从目前现状和发展趋势，BAS其网络总线采用是以太网形式（TCP/IP）以太网的速率有10兆、100兆、1000兆甚至1G，其选用何种形式应结合工程实际需求而定。二、BAS系统结构及其功能(2)BAS的现场总线(A)现场总线的定义●美国仪表协会（ISA/SP50）对现场总线的定义现场总线是一种串行的数字数据通信链路，它沟通了过程控制领域的基本控制设备（即现场级设备）之间以及与更高层次自动控制领域的自动化控制设备二、BAS系统结构及其功能●国际电工委员会IEC/TC65标准和现场总线基金会FF的定义现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，现场总线的本质含义表现在以下6个方面。●现场通信网线●分散功能块●现场设备互联●通信线供电●互操作性●开放式互联网络二、BAS系统结构及其功能(B)现场总线的结构及其特点现场总线的发展1984年，美国仪表协会ISA/SP50工作组和国际电工协会/TC65/SC65C/WG6都开始研究制定现场总线标准。1986年，德国推出Profibus。1990年，美国推出LonWorks。1992年，成立ISP协会，着手在Profibus基础上制定现场总线标准。1993年，成立WorldFIP协会，准备以法国EIP工厂仪表通信协议为基础制定现场总线标准。1994年，ISP和WorldFIP合并，成立现场基金会，推动现场总线国际标准开发。2000年，IEC宣布现场总线国际标准IEC61158面世二、BAS系统结构及其功能●现场总线发展的特点现场总线有三大特点：(1)信号传输数字化；(2)标准统一，完全开放；(3)控制彻底分散。二、BAS系统结构及其功能现场总线技术涉及到信号、通信、系统三个层次，不仅有技术问题，也有支持率问题，不仅是通信标准，也是系统标准。现场总线实现测控信号传输的数字化，实现数字通信。现场总线网线节点（如传感器/变送器、执行器、控制器等）的通信信号全部数字化，即用0和1代替传统直流模拟量信号（如4~20mA、0~10mA、0~10V、0~5V等），在现场级实现开放连接，有的高级现场总线技术还在系统级标准化和开放互操作。现场总线不仅用于信号传输，也用于系统控制的完成和管理。总之，现场总线技术是开放系统的技术基础。建筑自动化系统使用的现场通信网络（广义现场总线）主要有：LonWorks、BACnet等。二、BAS系统结构及其功能1.3BAS的组成及其基本功能(1)中央处理机组成及其功能＊主机功能监控主机是设备监控系统的核心，其主要功能：通过现场控制器，自动控制系统内的设备和参数在合理优化的状态下工作，自动监视系统中每台设备的运行状态和系统的运行参数，自动记录、存储和查询历史运行数据，对设备故障和异常参数及时报警和自动记录等。二、BAS系统结构及其功能＊网络控制器的功能●处理DDC与网上DDC之间的信息发送●提高通讯效率和保证信息完整●监控层及DDC运行状态＊DDC数据与应用软件备份＊其他系统的接口通讯＊主机外围设备，包括各类打印机控制强二、BAS系统结构及其功能(2)DDC组成及其功能(A)DDC组成的原理DDC系统是用一台计算机对多种被控参数进行巡回检测，并按预先选用的控制规律（PID、前馈等），通过输出通道，直接作用在执行器上，以实现对受控对象的闭环控制。它作为一个独立的数字控制器，安装在被控设备的附近，能够完成对现场设备的监控。二、BAS系统结构及其功能直接数字控制器是一种多回路的数字控制器，它以计算机微处理器为核心，加上过程输入，输出通道组成。直接数字控制器通过多路采样器按顺序对多路被控参数进行采样，然后经过模/数（A/D）转换后输入计算机微处理器，计算机按预先选用的控制算法，分别对每一路检测参数进行比较，分析和计算，最后将处理结果经过数/模（D/A）转换器等输出按顺序送到相应被控执行器，实现对各种生产过程的被控参数自动控制，使之处于给定值附近波动。二、BAS系统结构及其功能(B)DDC系统的特点计算机运算速度快，能分时处理多处控制对象（被控参数），实现多个单回路的PID控制。计算机运算能力强，可以实现各种比较复杂的控制规律，如串级、前馈、选择性、解耦控制以及大滞后补偿控制等。二、BAS系统结构及其功能(C)DDC系统组成DDC系统由被控对象、检测变送器、执行器和工业计算机组成。•输入通道A/D：把传感器或变送器送来的被控参数的模拟量（电阻、电流、电压信号），转换为数字信号送往计算机。为了避免现场输入线路电磁干扰和变送交流噪声，用滤波网络对各输入信号分别滤波并将电阻、电流信号转换成相对应的电压信号。•采样器：在时序控制器作用下，按一定的速度按顺序把输入信号送入放大器，然后选择送到A/D转换器，变成数字信号送入计算机。•输出通道D/A：把经过计算机计算输出的数字信号转换成能控制执行器动作的模拟信号（4~20mA或0~10mA）。•显示报警：是直接数字控制器系统很容易实现的一个重要功能，它能对生产过程的工况进行监控，以供操作人员监视。二、BAS系统结构及其功能DDC的调节特性(A)位置式调节•位置式调节动作特性：当被调参数离给定值一定数值时，调节输出控制信号达到最大值（最小值），从而使调节机构全开或全闭。位置式调节，调节被动范围越小越好，而且存在滞后，故调节滤波不高，一般适用于舒适性空调和液面调节。热水空调机房23送风41室温双位调节系统回风1-热水加热器；2-温度传感器；3-双位温度调节器；4-电动双通阀二、BAS系统结构及其功能•双位调节系统的示意图二、BAS系统结构及其功能(B)比例式调节（P）•比例调节器的自动作特性•适用范围系统干扰小，滞后也较小，而时间常数不太小的对象调节系统一般情况下比例常大致范围。温度调节为20%~60%，压力调节30~70%，流量调节40~80%较合适。二、BAS系统结构及其功能(C)积分式调节（I）•积分式调节器的动作特性是：当被调参数与其给定值发生偏差，调节机构便动作，一直到被调参数瑕其给定值的偏差消失为止，因而在调节过程结束时，被调参数能回到给定值，理论上其表态主误差（残余偏差）为零，二、BAS系统结构及其功能(D)微分式调节（D）•微分式调节特性：根据被调量的变化速度来驱动调节执行机构，而不是被调量或其偏差对时间的导数成正比，则积为微调节。•微分调节不能单独工作，只能在各种调节过程起辅助作用，减少起调量和缩短过滤过程的时间。二、BAS系统结构及其功能(E)比例积分调节•比例积分调节器的动作特性是：当被调参数与其给定值发生偏差时，调节器的输出信号不仅与输入偏差保持硬性的比例关系，同时还与偏差存在时间长短成比例，比例积分调节器综合了比例、积分两种调节器的优点。这种调节器在调节过程开始时以比例调节器的特性进行调节，接着又具积分调节器的特性进行调节。•比例积分调节的特点利用了比例调节来快速低消干扰影响，使调节执行机构数到分前发生的位置。二、BAS系统结构及其功能(F)PID调节＊比例、积分、微分调节器的动作特性是：当被调参数与其给定值发生偏差时，调节器的输出信号不仅与输入偏差及偏差存在时间长短有关，而且还与偏差变化的速度（快、慢）有关。＊PID调节对调节过程的影响比例、积分、微分（PID）调节器在调节系统中可以发挥三种不同调节规律的特性，彼此取长补短，因而使其调节质量更为理想。由比例积分微分调节的过渡过程可知，其动态偏差比例微分（PD）稍大，但由于积分的作用，使静差较小。同时由于积分的作用，使振荡周期增长，从而加长了调节的霎时间。二、BAS系统结构及其功能综上所述可得出：比例（P）调节输出响应快，只要选择好比例带会有利于系统的稳定。微分（D）作用可减少超量和缩短过渡过程时间，可以允许使用较窄的比例带。积分（I）作用能够消除静差，但使超调量和过渡过程的时间增长。因此，只要将比例（P）、积分（I）和微分（D）三种作用相互结合起来，根据对象的特性，正确选用调节规律，恰当地选择调节器参数，就会获得较好的调节效果。二、BAS系统结构及其功能(4)现场设备第三层数据采样通常由两类终端构成，一类称为监测输入点（IP），监测对象是：温度、湿度、有害气体、火灾检测、流量、压力等。另一类称为受控输入点（OP），受控对象是：水泵、阀门、控制器、执行开关等。各类探测器、传感器将监测对象的实时状态转变成区域智能分站可以接受的电流（4-20mA）或电压（0-10V）量，同样区域智能输出（4-20mA）或（0-10V）的控制信号调节受控设备（例如调节阀门的大小或调整风门的开度）。二、BAS系统结构及其功能2.BAS的软件功能BAS的软件组成(1)BAS系统软件＊操作系