课程设计论文-智能楼宇设计.doc

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪 论改革开放和国家经济增长带动了建筑业发展，高层建筑不断涌现。这随之带来高层建筑内部大量机电设备应用，提高设备利用率，合理使用能源，加强对各机电设备监控和管理，自然就提出高层建筑设备监控和管理自动化系统。这也是近来国内建筑业兴起智能大厦重要组成部分。智能楼宇的集成化概念是区别其他传统的建筑弱电系统的一个最重要标志,也是当今智能楼宇所追求的最重要的目标和评判智能化的最高标准,智能楼宇集成化的技术核心是建立在系统集成、功能集成、网络集成和软件界面集成的多种集成技术基础之上的一门新型技术。智能楼宇的智能化实质就是集成化,就是信息资源和任务的综合共享与全局一体化的综合管理,通过系统集成实现综合共享,提高服务和管理的高效率。1.1 智能楼宇的来源 智能建筑的发源地美国对智能建筑的定义是：“智能建筑乃是通过优化其结构、系统、服务、管理四个基本要素及其相互关系来提供一个高效的和成本低廉的环境”。同时又指出，“没有固定的特性来定义智能建筑。事实上，所有智能建筑所共有的惟一特性是其结构设计可以适于便利、降低成本的变化”。经过十几年的发展，美国的智能建筑已经处于更高智能的发展阶段，进入到“绿色建筑”的新境界。智能只是一种手段，通过对建筑物智能功能的配备，强调高效率、低能耗、低污染，在真正实现以人为本的前提下，达到节约能源、保护环境和可持续发展的目标。如果离开节能和环保，再“智能”的建筑也将无法存在，每栋建筑的功能必须与由此能带给用户或业主的经济效益紧密相关，未来智能建筑的概念将被淡化。 在我国，普遍认为智能建筑的重点是使用先进的技术对楼宇进行控制、通信和管理，强调实现楼宇在三个方面的自动化(3A)功能，国家标准智能建筑设计标准就将智能建筑定义为“以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化OA及通信网络系统CA，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境”。但经过这么多年的实践和探索，人们普遍认为这种3A的分类比较模糊，不少人士认为通信自动化系统CAS和办公自动化系统OAS的提法欠妥，概念不够确切，改为通信网络系统CNS和信息网络系统INS更为恰当。因此在智能建筑工程质量验收规范中，就将智能建筑的基本组成部分改为建筑设备自动化系统BAS、通信网络系统CNS和信息网络系统，三者通过结构化综合布线系统和计算机网络技术进行以管理为目的所做的有机集成（可称为大3S集成）。1.2 集散控制系统的概念集散控制系统(DCS)，即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。在系统功能方面，DCS和集中式控制系统的区别不大，但在系统功能的实现方法上却完全不同。 首先，DCS的骨架系统网络，它是DCS的基础和核心。由于网络对于DCS整个系统的实时性、可靠性和扩充性，起着决定性的作用，因此各厂家都在这方面进行了精心的设计。对于DCS的系统网络来说，它必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。这里所说的“确定”的时间限度，是指在无论何种情况下，信息传送都能在这个时间限度内完成，而这个时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的。因此，衡量系统网络性能的指标并不是网络的速率，即通常所说的每秒比特数（bps），而是系统网络的实时性，即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成。系统网络还必须非常可靠，无论在任何情况下，网络通信都不能中断，因此多数厂家的DCS均采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构。为了满足系统扩充性的要求，系统网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍。这样，一方面可以随时增加新的节点，另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷状态，以确保系统的实时性和可靠性。在系统实际运行过程中，各个节点的上网和下网是随时可能发生的，特别是操作员站，这样，网络重构会经常进行，而这种操作绝对不能影响系统的正常运行，因此，系统网络应该具有很强在线网络重构功能。其次，这是一种完全对现场I/O处理并实现直接数字控制（DOS）功能的网络节点。一般一套DCS中要设置现场I/O控制站，用以分担整个系统的I/O和控制功能。这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效，提高系统可靠性，也可以使各站点分担数据采集和控制功能，有利于提高整个系统的性能。DCS的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的网络节点。1.3 智能楼宇管理集散控制系统的发展 现代社会对信息的需求量越来越大，信息传递速度也越来越快，二十一世纪是信息化的世纪，目前推动世界经济发展的主要是信息技术、生物技术和新材料技术，而其中信息技术对人们的经济、政治和社会生活影响最大，信息业正逐步成为社会的主要支柱产业，人类社会的进步将依赖于信息技术的发展和应用。近年来，电子技术（尤其是计算机技术）和网络通信技术的发展，使社会高度信息化，在建筑物内部，应用信息技术、古老的建筑技术和现代的高科技相结合，于是产生楼宇智能化。楼宇智能化是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制，对信息资源进行管理，为用户提供信息服务，它是建筑技术适应现代社会信息化要求的结晶。 1984年美国联合科技的UTBS公司在康涅狄格州哈伏市将一座金融大厦进行改造并取名都市大厦，主要是增添了计算机设备、数据通信线路、程控交换机等，使住户可以得到通信、文字处理、电子函件、情报资料检索、行情查询等服务。同时，对大楼的所有空调、给排水、供配电设备、防火、保安设备由计算机进行控制，实现综合自动化、信息化，使大楼的用户获得了经济舒适、高效安全的环境，使大厦功能发生质的飞跃，从而诞生了世界上第一座智能化楼宇。自此以后，世界上楼宇智能化建设走上了高速发展轨道。 在我国房地产业不断发展的背景下，智能楼宇近几年在我国发展迅速。楼宇智能化的概念已越来越深入人心，各地开发商所开发的智能楼宇项目普遍受到购房者的青睐。上海金茂大厦、环球金融中心等应用楼宇智能化的建筑不断出现，目前智能楼宇在北京、上海、广州、深圳等一线城市高档住宅中应用普遍成为高档物业的新潮流。闭路监控、门禁管理、停车场管理、防盗防灾报警系统等也已经较为常见。智能楼宇在低碳、节能等方面优势突出，为人们的生活带来更多的舒适体验。我国每年新增的建筑面积约为20亿平方米，加之政府对智能楼宇建设规范化、科学化的引导，业内普遍看好智能楼宇的发展。1.4 智能楼宇管理集散控制系统的意义实现集成化的楼宇智能管理系统,和旧的形式相比,具有如下意义： 1)集成化的楼宇管理系统可以在一个总的系统内部实现对各类机电设备、电力、照明、空调、电梯、保安、消防（对独立设置的自动消防系统实现二次监控）能真正做到浑然一体.智能楼宇的楼宇管理系统一方面可以提高管理和服务的档次和效率,另一方面,实施全局监督和处理,使物业管理更趋透明化、合理化,进一步降低大楼总的运行费用,提高大楼的总体竞争实力。 2)采用了一体集成化的思想设计后,楼宇的总体管理设计可以统一考虑各个子系统的硬件、软件配置,不会再重复设计,减少无效冗余,采用了集成化的设计后,整个智能楼宇的弱电系统初次投资可降低20%左右。 3)智能楼宇集成化的体系结构,由于采用了统一的模块化硬件、软件,便于楼宇物业管理人员易于掌握管理技术和参与系统的保养、维修。 4)智能楼宇集成化的体系结构,将各个子系统的管理集中到多个中央监控管理主机上,并采用统一的并行处理,分布操作结构形式,可以实现多机并行,互为热备份,从而大大提高了系统时响应速度和可靠性,这是以往独立的系统不可能有的效果。 5)智能楼宇集成化的体系结构,便于采用弱电总承包的施工方式，这将有利于工程进度。1.5 设计目的 智能化设计、加强管理，专业性较强；工程质量和后期维护有保证； 能使设备发挥高性能，；与集成商合作，减轻甲方工作负担，易于操作和管理；产品兼容性易于解决，项目实施进度加快。提高人们生活质量，确保人们的财产安全，节约资源环保，提高管理效率。1.6 设计要求 对温度，湿度，和楼宇灯通过集散控制系统和PLC等软件进行集中控制，讲温度控制在19至24度，将湿度控制在40%至50%间，楼宇的灯人走灯灭，天黑灯亮。通过人际交互界面进行集中控制。 第2章 设计方案2.1软件的应用本次设计运用到组态王软件进行系统仿真模拟，和PLC软件进行编程。2.1.1 PLC的工作原理 当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段如图2-1所示，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。 图2-1 PLC工作阶段图 1.输入采样阶段 在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2.用户程序执行阶段 在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3.输出刷新阶段 当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。2.1.2 PLC的编程语言被控对象的动态特性是指被控对象的输入发生变化时，其输出（被调量）随时间变化的规律。研究动态特性的原因是控制系统的设计方案都是依据被控对象的动态特性进行的，特别是调节器参数的整定也是依据对象的动态特性进行的。质量，只看稳态是不够的，还应看动态过程中被调量随时间的变化情况。因此，研究系统的动态特性就显得特别重要。2.2 组态王软件定义组态王开发监控系统软件，是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。组态王kingview6.55是亚控科技根据当前的自动化技术的发展趋势，面向低端自动化市场及应用，以实现企业一体化为目标开发的一套产品。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，集成了对亚控科技自主研发的工业实时数据库（KingHistorian）的支持，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。2.2.1 组态王软件的功能组态王在保留了原报表所有功能的基础上新增了报表向导功能，能够以组态王的历史库或KingHistorian为数据源，快速建立所需的班报表、日报表、周报表、月报表、季报表和年报表。此外，还可以实现值的行列统计功能。组态王在web发布方面取得新的突破，全新版的Web发布可以实现画面发布，数据发布和OCX控件发布，同时保留了组态王Web的所有功能：IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面，IE客户端与Web服务器保持高效的数据同步，通过网络您可以在任何地方获得与Web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等，同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令，实现实时控制的功能。组态王集成了对KingHistorian的支持，且支持数据同时存储到组态王历史库和工业库，极大地提高了组态王的数据存储能力，能够更好地满足大点数用户对存储容量和存储速度的要求。KingHistorian是亚控新近推出的独立开发的工业数据库。具有单个服务器支持高达100万点、256个并发客户同时存储和检索数据、每秒检索单个变量超过20,000 条记录的强大功能。能够更好地满足高端客户对存储速度和存储容量的要求，完全满足了客户实时查看和检索历史运行数据的要求。2.2.2 组态王软件的特点 它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。2.3 总体方案在组态王上建立人机交互画面如图（2-2）所示，将所有的楼层的所有住户的家中安装一个可以感应温度湿度的感应器，将所有感应器所采集的数据实时传送到服务器的终端进行数据分析，再将楼层里灯的线路统一集中，由控制台统一控制所有灯的亮灭。同时设有警报系统。当用户传输回的数据经过分析出现异常时，对相应的数据数据进行自动处理。 图2-2 组态王模拟人机交互界面 第3章 具体方案3.1 楼宇智能照明设计自古以来人们便对光明有很大的向往，试想我们的生活没有光亮将会变成什么样？一片死寂沉沉的景象。而人们又对黑暗有着本能的抗拒，昼尽夜来的变更是我们无法控制的。如果我们居住的小区里在夜晚降临时也是黑漆漆的景象，那这座小区在夜晚便失去了活力。但如果我们的小区在夜晚也有灯光的话，那便会给我们一种温暖温馨的感觉。现代化的小区装有感应设施，但使用的是市电，而且需人工操作，浪费了人力物力。 具体要求如下： 1.人走灯灭。 2.天黑灯亮。3.1.1 PLC程序图如图3-1照明设备PLC控制图。 图3-1照明设备PLC图3.1.2 I/O分配图 如表3-1 照明设备I/O接口。 表3-1 I/O分配表3.2 楼宇温度控制设计 一般情况下体感舒适温度范围19至24，在次范围内可以保证一个人的健康，所以对温度的控制至关重要。3.2.1 楼宇温度PLC图 如图3-2 楼宇温度控制PLC图。 图3-2 楼宇温度控制PLC 3.2.2 楼宇温度控制I/O表 如表3-2楼宇温度控制I/O接口。 表3-2 楼宇温度控制I/O接口 3.3 楼宇湿度控制设计人体体感最适宜的湿度为40%至50%。3.3.1楼宇湿度控制PLC图如图（3-3）所示楼宇湿度控制PLC图。 图3-3楼宇湿度控制PLC3.3.2 楼宇湿度O/I表表（3-3）所示楼宇湿度控制I/O接口。 表3-3 楼宇湿度控制I/O接口 总 结 通过这次设计使我明白到有些东西看上去非常简单，当自己在其中去做时