楼宇自动系统工程论文.doc

某写字楼楼宇控制系统设计方案1.1 系统概述随着计算机技术、控制技术、通信技术及信息技术的飞速发展和人们对生活、办公环境安全性、舒适性的要求日渐增长，楼宇设备自动化控制系统（即建筑设备管理系统）应运而生，它降低了运行成本，实现集中管理，给人们提供了一个合理、高效、舒适、安全、方便的生活和工作环境。楼宇设备自动化系统的目的在于集中管理、分散控制；实现设备的科学化、人性化，加强硬件配套设施；进而节约能源、降低管理和运行成本。据有关统计数据表明，由于建筑中的设备种类多且安装地点分散，采用了楼宇设备自动化系统后，可节约人力50%，节约能耗25%以上。出现故障，能够及时知道何时何地出现何种故障，使事故消除在萌芽状态。本工程建筑面积庞大、建筑功能复杂，为此配置了大量的机电设备，以保证整个建筑良好舒适的环境和便利的工作空间。而大量机电设备的使用，必将引起管理人员的增加、能耗费用的巨额支出和管理工作的复杂。因此，我们设计了一套完整、先进的楼宇设备监控系统。1.2 需求分析1.2.1 楼宇自控被控对象分析（1）建筑物特点l 运营耗能大由于建筑物建筑面积大，因而运营耗能大，而且空调机组等设备负荷变化也很大，必须要对整个楼内的耗能设备进行严格监控。据统计在建筑的运营费用中，空调等系统的能量损耗约占整个建筑能量损耗的50%以上。所以要对建筑物内的空调等系统进行实时监控和节能管理，合理控制机组的开启台数与运行时间。（2）机电设备特点l 机电设备种类繁多、位置分散这些机电设备位置分散、遍布整个楼内（地下2层至屋顶），这将给未来的物业管理带来诸多不便。1.2.2 楼宇自控系统技术要求分析（1）控制器：本工程BAS采用分布式结构，由中央管理工作站、网络控制器、系统管理软件、现场控制器(DDC)和末端设备(各类传感器、阀门和执行机构)等组成，各DDC均能完全独立的工作，不依赖任何其他设备。DDC作为控制器来说，应具备独立的固件及硬件，能完全独立运行，不受网络和其他的控制器故障的影响，应该按照规范和实际需要配置控制器和扩展模块，系统应备有10-15%的I/O点数的余量，原则上允许一台控制器控制多个受控设备，但不允许一台受控设备被多台控制器控制，防止控制器间通信中断后控制功能丧失，提高系统的可靠性。控制器要求使用先进的总线技术，可以集成第三方的设备或被第三方的软件集成。每个现场控制器能不断的通过通讯检测和自带的检测程序执行自我检测，能提供现场和远程的对器件的诊断错误、电池低压、重新建立通讯失败等的测试报告。（2）现场设备：为便于用户的维护，应对BA系统所用各类现场设备，如传感器、控制器、执行机构采用同一品牌的产品，容易地实现与建筑物中其它相关系统和独立设置的智能化系统之间的数据通信、系统集成以及与其它厂商设备和系统的联接。（3）总线技术：支持开放型现场总线要求，必须并根据需要可提供集成结口，满足系统通信要求。1.2.3 楼宇自控系统达到的目标1. 创造舒适环境为使用者创造一个安全、舒适、高品质的人工环境。楼宇自控系统可以根据环境变化随时自动地调节各种参数，使楼内环境始终处于舒适的条件下。2. 降低运营能耗楼宇自控系统可以按舒适性的要求，自动将空调区域的温度设定在适当的温度上，使能源消耗大大降低，进而可节约大量的资金。另外，楼宇自控系统还可以使机电设备的故障率降低，使维修工人数量减少；集中的监控和管理方式，使操作、值班和管理人员减少，也可以将不同系统的操作值班人员合并为一班人员，以产生更好的经济效益。3. 保障设备安全将建筑物内的机电设备纳入楼宇机电设备自动管理系统内，可实现对每一台设备的在线实时监控并进行科学的管理，确保各类机电设备的安全、可靠地运行，并得到及时维护延长其使用寿命。4. 实现物业管理现代楼宇自控系统能够实现设备运行状况的监测、诊断和记录，早期发现和排除故障，及时发出维护和保养的通知，保证设备始终处于良好的工作状态和建筑物的正常运营，提高设备运行效率、减少管理人员数量1.3 系统设计1.3.1 系统结构原理根据用户需求，本项目的网络架构应该是由两级网络和三级设备构成。系统网络结构模式是集散型控制的方式，由管理层网络和监控层网络组成。一级网络为管理层网络，实际可以是大厦的计算机网络系统或单独搭建的专门用于BMS的局域网；二级网络为大厦的监控层网络。基于用户的需求与工程实际，我们选择基于WEB的网络架构，服务器和客户端的结构采用Browser/Server（B/S）架构，系统中可以接受的Browser客户端的数量没有实质性的限制。Client/Server结构比较适合一些中小规模的系统，在客户端数量不是很大的情况下，C/S模式确是一个成熟的运行环境，具有很好的可靠性和保密性。但随着业务规模的不断扩大，客户端数量的增加与区域范围的延伸，C/S结构会显得力不从心。而B/S模式因为前端只需浏览器，工作量不会由于客户端的增加而急剧上升，不会影响系统的可靠性。考虑到与外部Internet连接的情况下，可以建立一道防火墙，这样可以大大提高B/S结构的可靠性和保密性。1.3.2 系统组成1.3.2.1 管理层因为本工程的建筑设备监控系统为超大型系统，监控的设备分散，数量多。为了确保系统的稳定性和安全性，建筑设备监控系统，系统采用以太网和通信总线相结合拓扑结构。即网络控制器或DDC和中央监控管理中心互联采用FE以太网。为响应招标文件要求，我们采用TCP/IP的网络传输，数据传输速率不低于10Mbps。在这层网络上可连结服务器、操作站、BA网络控制器、以太网路由器及接口路由器。该层网络的主要功能是将大楼的机电设备进行集中管理并监控其运行。在最短的时间内传输大量的数据到网络服务器，及时完成数据采集任务，从而使网络服务器能够根据数据统计计算出合适的控制参数，保证可靠的通讯联接以及快速的响应速度。在此层网络中运行的主要建筑智能化设备包括：建筑管理工作站，设置在一层消防监控室；网络控制器位于控制现场、弱电竖井等位置；建筑管理客户机，位于网络的任意位置。该层网络的主要功能是将大楼的机电设备进行集中管理并监控其运行。在最短的时间内传输大量的数据到网络服务器，及时完成数据采集、分析处理及WEB显示任务，从而使网络服务器能够根据数据统计计算出合适的控制参数，保证可靠的通讯联接以及快速的响应速度。本系统数据库服务器、中央工作站、分控操作站具有数据同步跟踪的能力，并采用同一套软件进行管理。1.3.2.2 监控层采用先进完善的现场总线技术，数据传输速率78kbps。在网络控制器下可支持运行LonWorks、BACnet（MS/TP）、Modbus等开放协议及其它私有协议。所有控制器能通过控制层网络以点对点方式通信，现场总线上的任意一台控制器的故障或者中止运行，不影响其他控制器、其他受本BA系统控制的机电设备的正常运行，也不影响全部或者局部的网络通讯功能。1.3.2.3 现场设备层包括现场各种传感器及执行器、各子系统机电设备等，以实现信号的采集和控制。1.3.3 监控范围根据有关规范，结合本项目特点，并考虑成本，建议对本建筑内的以下设施进行监控：l 冷热源系统l 空调机组l 新风机组l 送排风机l 给排水系统l 电梯系统l 预留景观照明和户外照明系统的控制接口1.3.4 系统监控内容1.3.4.1 冷热源系统本方案冷热源系统的设计根据以往的设计经验和冷热源系统的常规系统进行设计，系统控制器留有充分的余量，方便后期根据项目具体情况进行深化，或者与冷热源系统自带的控制系统进行集成。冷冻站一般由冷水机组、冷冻水循环泵、冷却水循环泵、冷却塔、热水泵、换热器、补水泵及膨胀水箱组成。控制系统的现场元件为冷冻水供、回水温度传感器，冷冻水供、回水压力传感器，冷冻水供水流量计，水流开关，补水箱液位计，冷却水供、回水温度传感器，冷水机组冷冻水电动蝶阀、冷却水电动蝶阀，冷却塔冷却水进口电动蝶阀。用DDC实现冷源系统设备的自动控制和综合管理的基本的思路就是根据冷站设备工艺要求配置相应的监控点、安装相应的传感器采集现场参数，根据监控点配置满足要求的DDC进行冷冻站设备的控制，进行设备的合理调配和能源管理。具体监控内容如下：冷水机组1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制5) 冷冻水蝶阀开关控制6) 冷却水蝶阀开关控制冷冻水/冷却水1) 冷冻水供回水温度2) 冷冻水供回水压力3) 冷冻水回水流量4) 冷却水供回水温度5) 旁通阀调节冷冻水泵1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制5) 水流开关状态冷却水泵1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制5) 水流开关状态冷却塔1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制设备的启停顺序如下图所示：控制程序：l 启停控制装于冷冻机房内的现场控制器(DDC)，按内部预先编写的时间程序或通过管理中心操作员，启动各相关设备（冷却塔，热水机组等）的连锁控制。 l 延迟功能根据对各系统的热泵机组工作状态的检测，确定空调水泵的开启，为防止误操作，在启动水泵时给与3分钟的延迟，关闭时给予5分钟的延迟。l 季节调节供冷季节，通过设在冷却塔供回水总管上设温度传感器的检测。通过DDC的PID计算，分四级调节控制冷却塔风机转速（0、25%、50%、75%、100%），从而控制冷却塔供回水温度。供热季节，人工关闭冷却塔进出水电动蝶阀。l 冷 /热水机组台数控制根据大楼所需冷负荷的计算，自动控制冷/热水机组及每台冷机压缩机的运行台数，以实现节能的控制。l 冷负荷的计算公式如下：Qw=(T2-T1)*Ql其中，T2为冷冻水回水温度，T1为冷冻水供水温度，Ql为冷冻水流量，Qw为系统的冷负荷。当系统总的冷负荷Qw超过一台冷机额定负荷时，启动第二台冷机。如果系统总的冷负荷Qw低于一台冷机额定负荷的85%时，关闭运行时间较长的冷机。以上各项均在现场控制器的监视下完成，并可在中央工作站上显示，在机组运行正常时，系统累计机组的运行时间，在机组出现故障报警时，及时在中央工作站或通过网络控制器提示，提示可以是在屏幕显示、讯响报警、打印输出等几种方式。1.3.4.2 空调机组空调机组由新风阀、回风阀、排凤阀、过滤器、表冷器盘管、送风机组成。控制系统的现场元件由风道温湿度传感器、压差开关、风阀执行器、电动调节阀组成。具体监控内容如下：l 运行状态l 故障报警l 手/自动状态l 启/停控制l 滤网压差报警l 防冻报警l 回风温湿度l 送风温湿度l 水阀调节l 新风阀调节l 回风阀调节通过安装在机房内的直接数字式控制器DDC，由内部预先编写的软件程序来进行自动节能及控制功能：l 按软件程序控制风机的启停；l 根据室内温度与设定值的偏差，用比例积分微分等运算规律来控制回水电动二通阀的开度；l 当风机停止后，回水电动二通阀返回全闭位置；l 监测风机手/自动转换状态，确认空调机组风机现是否处于楼宇自控系统控制之下，同时可减少故障报警的误报率；l 当机组处于楼宇自控系统控制时，可控制风机的启停；l 过滤网淤塞报警，DDC 控制器会监察过滤网两端的压差，当过滤网淤塞时，两端的压差有变化，超过设定值就以声光报警形式在操作站上显示，以提醒操作人员安排有关人员做检修工作。l 调节新/回风阀门，冬夏季节在保证满足空调空间新风量需求的前提下，尽量减少室外新风的引入，以达到充分节能的目的；在过渡季节，通过调节新、回风阀门，充分利用室外新风，一方面可推迟用冷/热水的时间可达到节能的目的，另一方面可增加空调区域内人员的舒适感；l 通过对安装于水盘管回水侧二通电动调节阀的自动调整，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；焓值控制：通过对安装于水盘管回水侧二通电动调节阀的自动调整，实现对回风温度的控制，DDC 控制器会监测回风温度并将它与预设的温度值（可供用户调较）作比较，进行PID运算，然后输出至冷/热水或热水阀门，以作温度调节作用。另外冷/热水阀门会与风机状态联锁，在没有风机状态的情况下，夏天将冷/热水阀门关死，冬季保留热水阀门30%的开度。这样，既满足了节能的需要，又能对水盘管起到保护作用。新风阀全开后，如果室温仍超过设定值上限，则说明只靠新风冷源已不能承担室内全部冷负荷，因此必须对空调机组供冷/热水。在这时有两种情况将决定新回风比的控制： （1）通过测量室内外温湿度，计算出室内外空气焓值，当室内空气焓值大于室外空气焓值时，很显然机组处理全新风的耗冷量小于利用回风时的耗冷量，因此这时应采用全新风，新风及排风电动阀全开，回风电动阀全关，同时室温控制冷/热水阀。这种情况即是夏季过渡季的控制方式；（2）如果这时室内空气焓值小于室外空气焓值，则说明利用回风是更节能的方式。这时应采用最小新回风比，室温仍然控制冷/热水阀，自控系统由此进入夏季工况的控制。夏季状态向冬季状态过渡时的转换过程与上述正好相反。为了防止系统振荡，在工况转换过程中，各转换边界条件留有适当的不灵敏区。安装在机房内的直接数字式控制器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。以上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。1.3.4.3 新风机组新风机组由新风阀、过滤器、表冷器盘管、送风机组成。控制系统的现场元件由送风温度传感器、压差开关、风阀执行器、电动调节调节阀组成。具体监控内容如下：1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制5) 滤网压差报警6) 防冻报警7) 送风温湿度8) 水阀调节9) 新风阀控制通过安装在机房内的直接数字式控制器DDC，由内部预先编写的软件程序来进行自动节能及控制功能：l 按软件程序控制风机的启停；l 根据室内温度与设定值的偏差，用比例积分微分等运算规律l 来控制回水电动二通阀的开度；l 当风机停止后，回水电动二通阀返回全闭位置；l 监测风机手/自动转换状态，确认新风机组风机现是否处于楼宇自控系统控制之下，同时可减少故障报警的误报率；l 当机组处于楼宇自控系统控制时，可控制风机的启停；l 过滤网淤塞报警，DDC 控制器会监察过滤网两端的压差，当过滤网淤塞时，两端的压差有变化，超过设定值就以声光报警形式在操作站上显示，以提醒操作人员安排有关人员做检修工作。l 通过对安装于水盘管回水侧二通电动调节阀的自动调整，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；以上各种监控功能均在工作站上以图形和数字的形式进行显示，并可累计工作时间，打印记录，提供维修保养单。1.3.4.4 送排风机具体监控内容如下：1) 运行状态2) 故障报警3) 手/自动状态4) 启/停控制风机的开关控制主要是通过BA系统预设的时间表来进行启停控制的。 在一些特别的情况，如加班情况，风机有需要在预先设定时间表之外的时间启动，用户可选择在BAS操作站上手动启停风机。l 风机连锁控制 BA 系统允许用户自行设定风机状态与控制之间的连锁监察功能。 在设定此功能后， BA 系统会自动监察风机的状态是否与控制要求一致， 如果不一致时， BA 系统会同时定义此状态点与控制点是故障的， 并以声光报警形式在操作站上显示， 以提醒操作人员做出相应的处理工作。 而 BA 系统也会将有关的事项一一记录， 以作日后检查之用。 l 风机跳闸报警监察DDC 控制器会监察风机跳闸报警。 在有报警时， 停下风机并以声光报警形式在操作站上显示， 以提醒操作人员安排有关人员做检修工作。 而 BA 系统也会将有关的事项一一记录，以作日後检查之用。l 风机状态监测BA 系统对风机运行时间予以积累，并允许用户自行设定测量设备的累积运行时间， 以便维修人员在设备运行至一定时间後， 进行维修工作。l 风机手/自动状态监测BA 系统对风机处于手动或自动状态进行监测。当处于手动状态，用户在中控室无法对风机的启停进行遥控；处于自动状态时则可以遥控。不同的状态在操作站上有不同的显示，而 BA 系统也会将有关的事项一一记录，以作日後检查之用。1.3.4.5 给排水系统1、 给水系统具体监控内容如下：生活水泵1) 运行状态2)