（制冷及低温工程专业论文）智能建筑中空调系统计算机控制的实现与节能分析.pdf

东南大学硕b 学位论文 随着计算机控制技术的不断发展建筑物内对暖通空调系统及其它设备进行全蕊计 算机管理的智能大厦也逐渐增多。妥善地运用计算机控制技术在暖通空调系统中，实现 控制管理，可以有效地改善系统运行品质，节省运行能耗，提高管理水平，并减少运行 管理劳动强度。取得良好的经济效益，这在国内有些工程中已得到证实。然而在空凋系 统中盲目地上计算机控制项目，也会因投资多，收效差而造成很大浪费，这样的工程实 例并非罕见。经验表明，只有根据暖通空调工艺过程要求，结合实际的需求情况，充分 发挥计算机技术的特点，恰当地确定系统功能，明确主要解决的问题，才能收到投资少、 效益高的效果。 本论文对智能建筑中暖通空调领域的计算机控制系统的结构进行了必要的分折，结 合空调控制系统应具备的功能，对空调系统中的冷冻站、热交换站、新风机组、风机盘 管等组成部分的计算机监测控制方案和控制策略进行了较为深入的研究。在此基础上较 详细地讨论了通过合理的计算机调节控制的空调各系统的运行特性和节能的途径。通过 应用情况的调查，分析了空调控制系统工程实拖中存在的问题与对策，总结了成功的经 验。为今后工程中合理的应用和充分的发挥空调控制系统的节能与管理功能打下了基 础。 关键词：智能建筑；空调系统；计算机控制：节能分析 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ec o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p si nr e c e n ty e a r s ，c o m p u t e r a i d e d m a n a g e m e n tu s e di nh v a cs y s t e ma n do t h e re q u i p m e n t sa r em o r ea n dm o r e t h e h v a c s y s t e m ，w h i c h r e a l i z e sc o n t r o l ，c a l l i m p r o v eo p e r a t i n gq u a l i t y , m a n a g e m e n tl e v e l ，s a v ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dr e d u c el a b o ri n t e n s i t y , t h a th a s b e e np r o v e df i n ei ne c o n o m i cb e n e f i t sf r o md o m e s t i cp r o j e c t s o nc o n t r a r y ，u s i n g c o m p u t e rc o n t r o li nb l i n d n e s s ，m u c hi n v e s t m e n th a sb e e nw a s t e de x t r e m e l y , t h e s e p r o j e c t sa r em u c hm o r e t h ee x p e r i m e n ti n d i c a t e s , t h ed e s i g nt ob ew e l l d e f i n e d f u n c t i o n ，w h i c hi sb a s e do nh v a cp r o c e s s ，a n dg i v ef r e er e i nt oc h a r a c t e r i s t i co f c o m p u t e r , t h a tw i l lr e d u c ei n v e s t m e n ta n dw o r kw e l l t h i sp a p e rh a sr e v e a l e dc o n f i g u r a t i o no ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mu s e di n h v a cr e l i g i o n s ，l i s t st h ef u n c t i o no fc o n t r o ls y s t e mi nh v a ci n i n t e l l i g e n t b u i l d i n g s ad e e p l ys t u d yo nc o m p u t e ra i d e dm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls c h e m ef o r t h ec h i l l e d - w a t e rs t a t i o n ，b e a te x c h a n g es t a t i o n ，缸s ha i rh a n d l i n gu n i t ，f a n c o i l u n i ta n ds o o n ，g i v et h ec o n t r o lp o l i c y m o r e o v e r ，d i s c u s s e st h eo p e r a t i n g p e r f o r m a n c eo f c o r n m o ns y s t e mm o d e lw h i c hc a ns a v ee n e r g y ，i nd e t a i l f i n a l l y ，a s u r v e yo fc o m p u t e rc o n t r o la p p l i c a t i o np o i n t so u ts o m ep r o b l e m si ne n g i n e e r i n g a n dp u t sf o r w a r d ss o m ep r o p o s a l so nd e s i g na n da p p l i c a t i o n t h e s eh a v el a i da f o u n d a t i o nf o ru s i n gr e a s o n a b l ya n dd e v e l o p i n gf o u n d a t i o no fs a v i n ge n e r g ya n d m a n a g e m e n t k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tb u i l d i n g s ；a i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m ；c o m p u t e rc o n t r o l ； e n e r g ys a v i n ga n a l y s e 东南大学硕士学位论文 绪论 1 选题背景 随着社会的进步、科技的发展，暖通空调的应用范围不断的扩大，空气调节己逐渐 成为现代建筑不可缺少的设施之一，空调系统的构造日趋复杂，人们对空调系统的要求 也越来越高，这就对空调的设计、施工、运行及管理提出了较高的要求；同时伴随着 各地方采用集中式空调的新建或在建的现代化多功能综合性建筑物大量涌现，建筑空涠 耗能量占建筑物总能耗的比重急剧增加，据统计，空调的运行费用约占大楼运行开支的 7 0 以上，空调系统的节能已引起了业主和设计人员的重视，我国也在这方面颁布了集 中式空调系统经济运行的国家标准，这说明国家开始执行全面的节能政策，把建筑物 的节能上升为重要的战略举措。因此如何通过合理设计并对空调系统的运行进行控制管 理，有效地改善系统运行品质，节约运行能耗，提高管理水平。并减少运行管理劳动强 度达到节能增效，使人们在享受空调系统带来的舒适感觉时付出的代价最小，已成为当 代社会、经济发展中一个不容忽视的问题。 处于世纪之交的h v a c 行业正面临现代信息革命的强大推动，智能控制技术的不 断发展和计算机硬件成本的持续下降，计算机在暖通空调领域有了广泛的应用。其应用 的一个重要方面，就是利用计算机系统取代常规仪表对空调系统进行智能化监测、控制 和管理。目前我国一半以上的房间空调器、整体式空调机和冷水机组都已采用以计算机 为核心的智能控制器。大量空调、供热系统开始使用计算机监测、控制系统。在计算机 与自动控制技术旦臻完善的条件下，大力推进建筑智能化，对建筑物的节b 进行综合管 理，已取得良好的经济效益和社会效益。以空调系统( 包括冷热源系统、通风系统，亦 即通常所称h v a c 系统) 及其计算机控制系统为核心的楼宇自动化系统( b a s ) 已成为 智能建筑中必不可少的重要组成部分。 智能建筑通常具备以计算机技术为核心的通信网络系统( c n s ) ，办公自动化系统 ( o a s ) 和楼宇自动化系统( b a s ) ，并为建筑物内的工作人员创造一个舒适、高效的 环境。因此，大面积集中式空调系统是以建立个可控制的人工环境为目的的系统，它 就成为智能建筑中不可或缺的一个重要监控对象。 在智能建筑中，为h v a c 各系统的监控点数量常常占整个建筑物监控点总数翳一 半以上，h v a c 各系统的耗电量常常占整个建筑物耗电量的一半以上。因此空调设备和 空调控制设各不仅对整个建筑物的一次投资( 包括弱电系统投资) 形成可观的比例，而 且对建筑物建成后的运行费用形成重要的影响。如果从建筑物整个生命周期的成本逆行 计算，情况就更是如此。 在智能建筑中实现节电节能，特别是耗电耗能大户空调实现节电节能，本应是 业主投资计算机控制系统( 亦即使建筑物“智能化”) 所能期待的主要回报内容之一。 在我国的智能建筑实践中，已经有一年运行费用的节雀超出弱电系统总投资的范例：事 实上，智能建筑在运行费用方面的节省，包括节能节电和节省管理工作量和管理人员， 然而目前国内在智能建筑的建设中，真正能做到这一点的是凤毛麟角。也就是说，只有 极少数智能建筑实现了节电节能绝大多数的智能建筑目前还远远地做不到这一点，这 也正是需要跟踪探索并寻求解决办法的重大工程实践问题之一。 2 课题发展概况与研究动态 东南大学硕士学位论文 掌握智能建筑中以计算机控制系统为核心的楼宇自动化系统( b a s ) 的发展概况与 研究动态是进行课题研究的前提。由于计算机控制系统在h v a c 领域的应用是以楼宇自 动化的形式开始并不断发展起来的，楼宇自动化系统的成功开发和应用实践为智能控制 技术h j 于h v a c 创造了良好条件。因此。研究智能建筑中h v a c 系统运行宵能情况， 应首先分析计算机控制系统在h v a c 系统的应用。 计算机控制系统已广泛应用到国防和工业领域，由于被控对象、控制功能及控制致 备不同，因而计算机控制系统是千变万化的。计算机控制系统的最基本特征是一个实时 系统它由硬件和软件两部分组成。计算机控制系统的一般类型分为以下四种： 1 、巡回检测和数据处理系统 巡回检测和数据处理系统是计算机应用于过程控制的最早形式之一。这是一个开环 控制系统计算机不直接参与过程控制，对生产过程不会直接产生影响，结构图见图1 。 图1 巡回检测和数据处理系统结构图 2 、直接数字控制系统( d d c ) 设定值 测量值 输 d显示 控 生 入 d 通 c 打粤 产 订 制 算 报簟 过 拉制值 输 机 出 人挚 台 程 通讯 通 直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) 简称d d c ，其基本组成如图 2 所示，直接数字控制系统是利用计算 机的分时处理功能直接对多个控制控 制回路实现多种形式控制的多功能的 数字控制系统。它是在巡回检测和数据 处理系统的基础上发展起来的。直接数 字控制系统具有在线实时控制、分时方 式控制和灵活性、多功能性三个特点。 图2 直接数字控制系统结构图 3 、监督控制系统( s c c ) 监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o | ) 简称s c c ，它是利用计算机对叠i j ： 生产过程进行监督管理和控制的计算机控制系统。监督控制是一个二级控制系统，d c c 计算机直接对被控对象和生产过程进行控制，其功能类似于d d c 直接数字控制系统a 直接数字控制系统的设定值是事先规定的，但监督控制系统可以通过对外部信息的硷 测，根据当时的工艺条件和控制状态，按照一定的数学模型和优化准则，在线计葬最优 设定值并及时送至下一级d d c 计算机实现自适应控制，使控制过程始终处丁二最优 状态。监督控制系统结构图如图3 所示。 东南大学硕士学位论文 生ds 卜 cd 瑶 c产c 计计 过算算 机机 程 图3 监督控制系统结构图 4 、集散控制系统( d c s ) 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 简称d c s ，是由多台计算机分别控制 生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集散控 制系统是控制( c o n t r 0 1 ) 、计算机( c o m p u t e r ) 、数据通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 和屏幕( c r t - 一 阴极射线屏幕) 显示技术的综合应用，通常也将集散控制称为4 c 技术。 集散控制系统采用微处理器分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性 能的微处理机实现上一级的控制，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信 息。集散控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监督和管理等功能。 生产过程的控制系统经历了从模拟控制系统、直接数字控制系统、计算机监督控 制系统、多级控制系统到集散控制系统的发展过程。 伴随着计算机控制技术的发展，世界上高层建筑b a s 产品中h v a c 的控制从五十 年代就开始采用气动仪表控制系统，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用 小型专用微型计算机进行集中式控制系统，直到1 9 8 4 年，美国哈特福德市第一幢采用 微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。集散式( 即集中 管理、分散控制) 自控系统，目前技术趋于成熟，主要技术特征是采用了d d c ( d i r e c t d i g i t a lc o n t r 0 1 ) 。 九十年代中期，b a s 系统向系统集成方向发展，开始考虑上层控制总线与其他子系 统( 消防f a 、闭路电视监控c c t v 、出入口管理系统等) 连网，b a s 的信号传输和数 据通信的通信网有了统一的通信协议，对多个供应商不同系统之间的集成，采用 b a c n e t ( b u i l d i n g a u n t o m a t i o n c o n t r o l n e t w o r k ) 互联标准( n a s is p c i 3 5 ) 。该标准是由美 国暖通空调学会( a s h r a e ) 制订，世界上已有1 0 0 多个公司承认并参加，已于1 9 9 6 年正式批准成为美国标准，1 9 9 7 年成为欧洲标准。b a s 系统在下层现场总线开始采用 l o n w o r k s 技术。 美国e c h e l o n 公司于1 9 9 2 年提出了l o n w o r k s 技术它标志着控制系统网络的 新纪元。当今，l o n w o r k s 技术开始从工业自控发展至用于智能建筑b a s 自控系统， 它的开放性，互操作性，可靠性高，无中心控制等突出优点已被世人所公认。 我国在h v a c 系统中使用集散控制系统是从2 0 世纪8 0 年代开始随着智能建筑的 建设才开始使用，9 0 年代逐渐广泛应用。1 9 9 6 年建设部科技委智能建筑技术开发拄f 。 中心调研了近7 0 座智能大楼，清一色的全部使用的是国外公司系统和产品。直到现在， b a 系统设备仍很难见到国内产品基本上是国外公司垄断国内市场a 由北京市科扔下达的“智能建筑软课题”。曾对智能建筑的国内外发展状况和技术 内涵进行过调查研究。在一年零三个月( 1 9 9 6 3 1 9 9 7 6 ) 的时间内，组织了北京工业 大学及兄弟院校，从事自控、计算机、通讯、空调方面的教授、专家，对北京6 5 座大 楼进行了普查：对北京京信大厦、京城大厦、中化大厦、长安俱乐部、远南饭店、发展 3 东南大学硕士学位论文 大厦、徐卅i 中房大厦、上海博物馆、上海市政府大厦、上海金茂大厦、郑州期货商城等 建筑物进行了实地考察。用户对楼宇白控系统运行情况的品价是：满意的仅占3 0 ，一 般的占4 0 ，差的竞占到3 0 在调查中发现：除少数建筑物技术先进、运行良好外， 瞥遍存在着各种各样的问题：有的技术不先进，有的运行中存在严重缺陷，有的根本不 能开通。e 1 日 经投入巨资设计安装的计算机控制系统，如果根本不能开通，或者在运行一段时间 后由于这样那样的故障而被拆除，这不能不说是一种严重的教i j i i ，有关各方都应正视问 题、认真分析原因并采取切实有效的措施，避免重复发生。 应该指出，空调及其控制系统在运行中出现问题并非我们国家所独有。一个英国专 家b u i l b i n ge n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m s ( 建筑能量管理系统) 一书的作者，g j l e v e r m o r e 在他著作的前言中写到：“我确实经常询问设计人员、用户和学生们他们是否知道任 何建筑物在调试后运行良好，然而回答是极为稀少。我希望我的书会帮助减轻此类问 题。”2 日在我国的智能建筑中，由于发展极为迅速而市场管理和技术管理等方面又 存在着一定程度的混乱，因此所暴露出来的问题就更广、更深、更严重一些。 随着计算机控制技术的发展对建筑设备系统进行全面计算机管理的智能大厦等也 开始增多。妥善地把计算机技术运用于空调系统的控制管理中，已取得良好的经济效益 和社会效益。这在许多工程中都已得到证实。然而，不恰当地使用计算机，盲目地上计 算机控制项目，也会因投资多，收效差而造成很大浪费，这样的工程实例并非罕见。经 验表明只有根据空调工艺过程要求。结合实际的需求情况，充分发挥计算机技术的特 点，恰当地确定系统功能，明确主要需解决的问题，才能收到投资少、效益高的效果。 3 论文工作的目标及主要任务 l 、论文工作的目标 本论文是通过对智能建筑b a s 系统中涉及h v a c 的计算机监督与控制系统部分的 使用情况与应用中的问题进行了适时的调研、总结、思考。就计算机控制技术在h v a c 系统应用中的若干技术环节进行探讨：分析了智能建筑中空调系统的运行特性以及空调 系统节能与计算机控制系统的关系，对目前暖通空调领域的计算机监督管理和控制系统 方案进行了归纳与优化，力图不仅使计算机控制系统更好得服务于受控的h v a c 系统， 而且让二个系统在技术上紧密结合成为一个智能化的密不可分的机电系统。 应用情况的调查表明，目前大多数智能建筑空调系统达不到节能的目的。这固然有 理论和认识上的误区，但应用过程中工程实施阶段存在的问题也不容忽视。本论文还分 别从设计、施工、运行管理等诸方面分析了问题的现状和成因，对工程实践经验进行了 总结，以达到充分的挖掘智能建筑空调系统中的节能潜力，为空调系统智能化的可持续 发展提供可靠的依据。从而进一步推动智能建筑工程的发展。 2 论文工作的主要任务 ( 1 )从智能建筑b a s 中的计算机控制系统总体结构着手，分析控制系统的管理和控 制功能实现方法。结合h v a c 探讨实现这些功能所要求的系统配置，以求达到 结构与功能的统一。 ( 2 )结合智能建筑中h a v c 的特点，对h a v c 系统各组成部分的控制机理进行较为 深入的研究，探索高效、可靠的智能控制形式，对系统方式进行选型和优化。 ( 3 ) 分析实现计算机过程控制的空调系统各部分运行特性及可能出现的问题。通过 一些典型案例对智能建筑中h a v c 系统节能情况进行评测。以取得完善其雏 4 东南大学便士学位论文 ( 4 ) 构和功能的第一手资料。 对在建、已建工程中各阶段出现的问题作客观评价和总结。在总结现阶段研究 和应用工作的基础上，就以i i 彳在集中式空调工程中应用计算机控制系统提出具 体的设想和建议。 东南大学硕士学位论文 第一章智能建筑中计算机控制系统的结构 1 1 概述 改革开放和国家经济的增长带动了建筑业的发展，高层建筑不断涌现。这随之带米 高层建筑内部大量机电设备的应用，为了提高设各的利用率合理地使用能源，加强对 各机电设备的监控和管理，自然地就提出高层建筑设备监控和管理自动化系统。返也是 近来国内建筑业兴起的智能大厦的重要原因。 智能大厦对计算机控制系统提出了更新、更高的要求。并主要表现在数据通讯辛：高 度综台型管理两个方面。在数据通讯方面，不但要求系统具备快速性，而且具备较商的 可靠性和抗干扰能力。在综合性方面则要求系统能广泛地深层次管理大楼中的机电设 备，使这些设备不但能满足大楼的基本使用要求，而且具有灵活的操作和调配能力、较 强的故障、事故预报和处理能力，并最大限度的节约能源。 大系统理论证明集散式控制系统是实现大系统综合控制的理想方案。集散式控制系 统采用了先进的计算机控制技术和分级分散式的体系结构，有效地克服了常规仪表控制 系统和集中式控制系统两者的缺点，被认为是目前较为先进的建筑物自动化系统。它与 常规控制系统和集中式控制系统相比具有显著的优点，具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 控制功能分散整个系统由各种控制功能站组成，以微处理器为核心的控制 站，不但能代替常规仪表完成规定的过程控制，而且能实现复杂的控制。 所有站都采用功能模块化、标准化的硬件和软件。 ( 2 ) 集中监视与操作采用c r t 显示及键盘操作技术，可以实现多种画面、参数 和变量的显示。 ( 3 ) 通信系统速度高采用现代的通讯技术高速数据公路。系统中各站之间信息 传递速度高且安全可靠可实现整体化运行控制，解决了整体优化问题。 采用数据通信系统，不但减少了布线，节省了工程费用，而且系统容易扩 展，便于用户分期投资 ( 4 ) 软件可以生成集散控制系统的软件可以生成的，它是一种面向用户的图形 语言甚至不熟悉计算机的人也可以掌握使用，这就带来了极大的灵活性 和方便性。 ( 5 ) 具有冗余度和自诊断功能提高了系统的可靠性、维修效率和设备利用率。 由于它的先进性、可靠性、灵活性、操作方便和良好的性能价格比，所以在智能 建筑中得以广泛的应用。 1 2 集散型计算机过程控制系统的基本结构 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 简称d c s ，是由多台计算机分别控制 生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据和集中管理的自动控制系统。集敖控 制系统是控制( c o n t r 0 1 ) 、计算机( c o m p u t e r ) 、数据通讯( c o m m u n i c a t i o n ) 和屏幕( c r t - 一 阴极射线屏幕) 显示技术的综合应用，通常也将集散控制称为4 c 技术。 集散控制系统采用微处理器分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性 能的微处理机实现上一级的控制，各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信 息。集散控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监督和管理等功能。 集散控制系统大致可分为以下几部分：具有各种不同功能的“站”，又称基本控制 单元或过程控制站：具有管理功能的人一机联系装置，通过常是以c r t 为基础i ： 勺操作 站：连接各站的高速数据公路( 通信网络) ，以及通信接口和扩展接口等。 6 东南大学颁士学位论文 1 过程控制站 过程控制站是集散控制系统的主要工作站是集敬控制系统中直接控制生产过程的 那一部分硬件和软件的总称。过程控制站一般由通讯接口、1 6 位或3 2 位微处理器、一 定容量的r a m 、r o m 、e p r o m 或e 2 p r o m 以及内部总线、各种输入，输出模块耵i 机柜 等构成，并配有冗余的电源系统。其控制功能由组态来实现。组态，就是根据功能需要 从一组常用的固定子程序( 称为功能块) 中选择所需的子程序，用填表格的方法指定功 能块的参数和地址，进行功能块的连接并把组态信息记入e 2 p r o m 中。通过组态改变 软接线，从而使控制方案的变化十分方便灵活。控制器参数也可由软件来设定和改变。 用于控制的功能块有上百种可组成简单到复杂的各种控制系统。 控制站可以是单回路的，也可以是多回路的，通常是把闭环控制和顺序逻辑控制结 合在一起，完成常规模仪表所能完成的一切控制功能。 2 、高速数据公路( 通信网络) 高速数据公路( 又称高速数据大道或通道) 实际是一种具有高速通信能力的总线， 该总线多采用双绞线、同轴电缆或光导纤维等，它是集教控制系统的支柱。 由于集散控制系统是一个多处理机集散设置构成各种站的系统，因此，它们之间 的信息传递就显得十分重要，必须选择适当的通讯网络结构、通讯控制方式和通讯介质， 以保证信息高速可靠地传送。集散控制系统的通讯网络在结构上是多种多样的。目前用 的最多的是总线形结构、环形结构和星形结构，在比较大的集散控制系统中，为了提高 系统的性能。常把几种网络结构合理地运用于一个系统中，以充分利用各网络的优点。 各集散控制系统的网络通信的存取方式不统一。大致有两种类型：一是存储转发式：二 是广播式，广播式又可分为自由竞争、令牌和时间片等几种方式，目前用得比较多的是 令牌、自由竞争广播式。 3 集散控制系统的人机接口 集散控制系统的人机接口应由操作员接口和工程师接口两种。工程师接口通常用 于系统组态的修改，操作员接口常用于对生产过程的控制操作和监视。 操作员接口和工程师接口都可分为低级接口和高级接口。低级操作员接口使现场 工作人员对系统直接操作、监视和设定；高级接口为操作员站和工程师站。由通用或专 用计算机，配以c r t 、键盘为基础的操作控制台和相应的打印机等外部设备，并通过通 讯接口与网络和网络中各工作站进行信息变换 上述几部分的协调作用完成了集敖控制系统的工作过程，具体描述如下：来自过 程变送器的过程变量送入控制站，控制站的基本控制罂按照预先设计的控制规律经运算 后输出控制变量，并通过执行机构控制生产过程。控制站可以通过高速数据公路把过程 信息送往c r t 操作站，运行人员通过c r t 屏幕即可了解每个控制回路的工作情况，并 且能够通过键盘来改变每个控制回路的给定值和控制方式。所以控制站也可以通过高速 数据公路获得操作站发出的实现优化控制所需要的有关指令和信号。不需要直接进行控 制的过程参数可以通过输入，输出通道和高速数据公路送到c r t 操作站进行显示、报警 和记录。 集中控制系统具有硬件组装积木化、软件模块化、组态控制系统、应用先进的通 信网络并具有开放性、可靠性等特点。 1 3 智能建筑中的集散型计算机过程控制系统 智能建筑的集散型计算机过程控制系统和集散过程控制系统( d c s ) 一样是现代控 制技术、通信技术、计算机技术、屏幕显示技术即所谓四c 技术相结合的产物，可以把 它看成一种特殊的d c s 系统区别在于它主要对建筑物内所有公用机电设施进行控制， 7 东南大学硕士学位论文 设备控制要求和工作环境相对于复杂的工业控制和恶劣工业现场要好得多。所以，可以 通过优化对系统可靠性的要求和控制功能，降低系统的造价，以适应对建筑物的控制要 求。另一方面建筑物内各种机电设备种类繁多，往往配有各种的控制装置，如何将这些 由多个生产商提供的设备与楼字自控系统集成在一个系统中，己成为楼字自控系统厂商 必须考虑的问题。因此，系统开放、便于集成，应该是楼宇自控系统追求的目标。 智能建筑的集散型计算机过程控制系统是一个由中央计算机站( 可有多个工作蛞、， 及直接联结在同一条通信线路上的若干个分布在所属受控对象附近的现场直接数字控 制器( d d c ) ，以及传感器、执行器等现场设备所组成的集散型计算机过程控制系统， 系统框图见图一。它主要是对建筑物内空调及冷冻水、冷却水、热水系统，给、排水系 统，电梯、扶梯运行系统，送、排风系统等机电设备进行自动监控和管理。 图1 1 集散型计算机控制系统 l 、中央计算机系统 中央计算机站为人机对话的主要桥梁，操作员可通过计算机和系统软件直接监控和 管理所有输入，j 俞出的状态。中央计算机站由一台计算机，一块插于计算机内的通讯模块 ( 或网络控制器) ，打印机、管理软件组成，它具备以下这些功能： ( 1 ) 按预先编制的工作程序、参数、启停时间、故障处理等实行自动的监测和控 制： ( 2 ) 对各监控对象的运行状态高低峰值和实际监测数据等分析处理，以表格、 图形等显示，并进行记录各档，作为设备管理和维护的依据； ( 3 ) 随时实施人机对话功能，按指令实现自动监控； ( 4 ) 当受控设备工作参数超出监控范围或设备发生故障等实现声、光报警，根据 各种具体情况提供解决的参考方案。并把故障情况、解决办法等自动记录， 以备查询或下次同类故障解决所用； ( 5 ) 中央计算机对现场直接控制器进行集中管理，具备完善的系统自诊断和故障 处理功能，具有高可靠性和容错性，同时可以防止非授权人员的非法侵入； ( 6 ) 具有高级控制策略和优化控制计算的能力： ( 7 ) 与其他计算机系统联网功能。 2 、直接数字控制器( d d c ) 何为d d c ；d d c 是英文d i r e c t d i g i t a l c o n t r o l ( 直接数字控制) 的缩写。 在a s h r a e1 9 8 7s y s t e m sa n da p p l i c a t i o n sh a n d b o o k 中是这样定义拘：“从 传感器来的电信号被d d c 接收，将电信号转变成数字。并在计算机的输出采用数字方 式，并且能转换成一种电压或气动的信号去控制执行器。这种数字控制系统必须进行数 字取样，因为除读数据外，计算机必须要有时间去进行其它运行。如果直接数字控制的 取样问歇选择正确在完成控制时，将不会因为数字的取样而产生比较重大的性能降 低。”从此定义我们可以看出：d d c 是采用微机控制技术，将空调系统中的各种信号( 如 温度、湿度、压力、壮态等) ，通过输入装置输入微机，按照预先编制的程序逆行运算 处理，而后将处理后的信号通过输出装置输出再去控制执行器，实现特定的功能同 8 衷南大学硕士学位论文 它执行中央计算机站发来的指令并把所有的信息传到中央计算机站中央计算机站与 d d c 之间、d d c 与d d c 之间采用点对点的通讯，共享信息，实现协调策略。d d c 具 有自治性和独立性在与中央计算机站失去联系的情况下，能继续工作。 。毪鎏摩州窆。咀。划剽。捻巨橱旱 l h o l - 一o 襻 匕骥匕 图i 2 2 1 d d c 的基本组成： 直接数字控制器是现场控制器，它自带微处理器和时钟，并可任意编程或进行预设 编程，以适应控制的要求。任何厂家的d d c 控制器，其基本组成是相同的，如图12 所示。 a 时钟：微处理器的时间可以是内置时间或外设时钟。时钟用来对输入数据的读入、 各种逻辑运算及各种输出数据的时间调整进行控制。 b 程序存储器：它是d d c 控制器中的比较重要的基本单元，用来存储各种应用程序。 用户为控制各种空调系统所编制的控制及节能程序均存于其中。 c 工作存储器：用来进行读一写、随机存取和临时储存数据。 d 多路输入控制器：它可在一定时间内将一种输入信号送入a d 转换器中，将a i 转 换成数字量，输入微处理器中运行运算。 2 , 2d d c 控制系统的结构： 将空调控制系统中各检测点和控制点及管理站相互连接得方式称为拓扑结构。在计 算机网络技术中常用得拓扑结构有：星形；环形；树形：网状：总线形等拓扑结构。 d d c 控制系统的结构按目前国内几家外商的产品来分可分为： a b u s 总线结构：在这种结构中d d c 控制器和中央主机均挂于总线上。所有d d c 均 处于同一等级，无主次之分。这是目前最常见的系统形式。其构成如图1 3 所示。 图 1 3 图1 4 ( n c u ：网络控制器) 采用这种形式的自控厂家有l a n d i s & g y r ，h o n e y w e l l 等。 而在以上这种结构的基础上又派生出j o h n s o nc o n t r o l s 公司的m e t a s y s 系 统的结构形式，如图1 4 所示。 在这种结构中有= 级网络结构，即n l 、n 2 网络结构。n l 级的通讯速度高达2 5 0 万 波特( b i f f s ) 。并且n c u 自身也具备控制功能。 b环流网络结构：在这种结陶中采用两根总线形成环渡如图i 5 所示。 9 东南大学硕上学位论文 i l ti ) l rd i 圮d i cj l 圮n l 请最蜂曲 图1 5 系统中通过一些控制模块可组成多个环流网络。每个环流网络中可挂近百个d d c 。 采用这种系统的厂家为t r a n d ( 特灵) 。 2 _ 3d d c 控制系统中主要软件功能的要求 无论其硬件设置如何出色，对于有效地利用d d c 控制系统控制设备、创造舒透的 空间、达到节能的目的d d c 控制系统中的软件设置是非常重要的它直接影响到该 系统的正常运行及业主对设备接资的回收周期。d d c 控制软件通常可分为两类： 操作软件：用来控制d d c 的基本操作。在设计中这部分的内容一般不需要设计人 员介入。各t l 控厂家为使其d d c 能正常有效地工作，在配置了较为完善的操作软件系 统。 应用软件：用来对各项专业设备进行控制。应用软作一般可分为直接数字控制软件、 能量管理软件、照明控制软件、报警处理及监视软件、楼宇管理功能软件。 a 直接数字控制软件：包括提供p 、p i 或p i d 控制，自适应等功能。 b 能量管理软件：此软件在d d c 控制中是非常重要的软件。其编制的好坏直接影响 d d c 控制系统的应用效果。它通常包括下列内容：i 最佳起停控制：i l 夜间循环控 制；i i i 夜闻净化控制；i v 焓值控制；v 零能区设置；v l 负荷重设；v i i 电负荷分配控制；v i i i 假日程序控制 c 楼宇管理软件：其主要功能是对d d c 控制系统中的设定点参数、运行设备等进行显 示、监测，对报警进行处理。可进行系统报表的打印汇总，以方便管理。 3 、通讯 复杂的控制规律要求控制系统中的设备能相互通讯、共享信息。空调系统中动态热 工过程的时间常数一般在几分钟至几十分钟的范围内，对通讯协议及通讯接口的传输速 率没有特别的要求。在传输距离方面，空调控制系统一般限于大楼以内，传输距离约为 几十米至几百米。检测与控制的点数一般在几十点至几百点。 通讯方式分为并行通讯和串行通讯。一般地，并行通讯能提供较快的速率，但传输 距离短。而且通讯线路成本高，适合板级和机内以及短距离的通讯协议。串行通讯则相 反，通讯速率较慢但传输距离远，通讯线路成本低。很明显，智能建筑中集中空调控 制系统应采用串行通讯协议。 目前，楼宇自控系统的网络数据通讯一般采用b a c n e t 标准，它是由美国供热、制 冷及空调工程协会制定的，于1 9 9 6 年成为美国的国家标准和欧共体标准草案。现在国 际上已有1 0 0 多家厂商遵循这个标准进行智能建筑系统集成产品的生产。在主干网上， 较多使用t c p i p 协议。 4 、监控和管理内容 楼宇设备监控和管理自动化系统主要对以下系统实行监控和管理： 空调用水自控系统： 空调机组、新风机组自控系统： l o 五霹 东南大学硕士学位论文 玲水机组、锅炉监测系统； 送、排风自控系统： 变配电、自发电监测系统： 照明控制系统； 电梯、扶梯监测系统； 给、排水自控系统； 东南大学硕士学位论文 第二章计算机控制系统在h v a c 系统中的实现 2 1i - i v a c 对控制系统的功能要求 一楼宇自动化系统的功能 1 控制功能，单就空调系统而言，应具备对冷水机组、锅炉、新风机组、空凋机 组的工艺流程参数进行自动控制和实时监测功能，使空调系统设备完全处于最 佳状态下运行。除此之外，节能运行也是楼宇自动化系统的主要功能，工程中 通常要编制节能程序，并按节能程序运行。诸如： 1 ) 系统应设置空调分区和分时间带控制，只在需要空调的地点和需要的时间 内才使用空调。 2 ) 在使用新风机组的建筑内把新风量控制在最佳值，在夏季、冬季以节约空 调冷( 热) 源，新风量维持室内微正压为原则。 3 ) 空调系统运行进入稳定状态后，实时计算大楼内所需要的冷( 热) 负荷， 按照实际冷、热负荷决定冷水机组的运行台数或锅炉运行的台数。 4 ) 在热交换系统中，实时计算二次水侧的实际冷( 热) 负荷，自动起停热交 换器和二次循环水泵的运行台数。 5 ) 在变风量系统中，实时调节送风量以适应冷( 热) 负荷的变化，在变频调 速中节省电能。 2 运行管理功能，在中央操作站应具有如下管理功能 1 ) 控制点报警 2 ) 控制点摘要 3 ) 工作时间及假日起停控制程度 4 ) 控制点历史纪录 5 ) 参数动态显示记录 6 ) 各机组动态图形显示 7 ) 按需要实时打印运行参数、数据 二h y a c 系统对楼宇自动化系统的控制要求 1 计算机控制 f t 在管理中心操作站可以对冷冻站、锅炉房、热交换站、新风机房、 定风量空调机房、变风量空调机房( 以上统称为中央空调设备机 房) 的动力设备进行自动操作。 b 应能对中央空调设备机房按预先设定的程序表控制。 c 应能按预先设定的节能程序表对中央空调设备机房的动力设备进 行节能控制。 d 可以通过现场d d c 直接数字控制器对各机房进行通用程序控制。 以上四条其优先权顺序为a b c d 2 工艺流程图在中央操作站进行动态显示 在智能大楼中。中央空调系统的机房有冷冻机房、锅炉房、热交换站，新风机房及 空调机房。各机房分布在大楼内由楼宇自动化系统的d d c 直接数字控制器监测和控 制。、 2 2 集中式空调的检测与控制 h v a c 系统的控制，目的是创造一个良好的空气环境，下面重点探讨计算祝控制罩 1 2 东南大学硕士学位论文 统在集中式空调系统中的应 ； ；i ，而空调系统是由冷热源及空调机组组成的。 ( 一) 水循环系统的监测与自动控制 智能大楼内的冷冻站一般有多台冷水机组及辅助设备共同构成了冷冻水系统和冷 却水系统，由d d c 控制器直接控制每台冷水机组的运行和监测冷冻水，冷却水的流量窭、 温度和压力等参数。 冷冻水系统：把冷水机组所制冷冻水经冷冻水泵打入分水器，由分水器向各空调分 区的风机盘管、新风机组或空调机组供水后返回到集水器经冷水机组循环制冷的冷却水 环路，称为冷冻水系统。 冷却水是指制冷机的冷凝器和压缩杌的冷却用水。在高层建筑内通常采用循环冷却 系统。冷却水由冷却水泵打入冷冻机进行冷却，然后循环进入冷却塔再对冷却水进行冷 却处理，这个冷却水环路称为冷却水系统。 图2 i 是冷冻站控制原理图 ! 掣r ，c 墨。 、 南回、 1 薛 。团宁困m 回田田 殳 匣回盆 r ：一 】挣鼽国一 眄广 匕_ 世h 石瓠 毋 甲盛圃 、们 偶 【升回回 圳i d h，封 乡 石忑 蓼 l 一 鬯夕i 团 适一】降槲【革妒 蔫 c t i l 豁i 困 l 融 圃 l _ x 捌盏 挂* 匠 蛞 t 判； 硎 士童 蒜 弱 憎蕃l l善 g 鐾 l l 差 麓 ；竺 羁出 靶 丽 - l j | i ( 七 毒 壁 鐾 辱 - i l 粤 测 li 抽l l i 壤目公旬名肄日期l 墨毫桃站使材曩理匝最计i 幸接口l 呲m 1 本系统中：2 台冷水机组、3 台冷冻泵、3 台冷却泵、2 台冷却塔。 2 自控系统控制的设备为：冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷冻水蝶阀、冷却水碟阀、 冷冻水旁通阀。 3 自控系统监视的内容为：冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔的运行状态。冷冻水 供回水温度及流量，冷却水进出水温度，冷冻水及冷却水的水流状态，冷冻水供回 水压差。 4 冷冻站控制方案 1 ) 自控系统根据冷冻水供回水温差及流量自动计算出大楼内的冷负荷( 热负荷) ， 既当前韵制冷( 制热) 需要。自动调节冷水机组( 热泵机组的制冷广串4 热) 能力 以及投入运行的台数。根据工况需求，自动组合起动冷冻水泵的台数达到最 佳节能效果。并根据工况需求自动组合冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔的投_ i 誊 台数。 1 3 东南大学硕士学位论文 2 ) 冷水机组的开、关取决于定时时间表、热负载情况和顺序时间表。定时时间表 决定每天在什么时间开机、关机，弗自动打开或关闭相应的冷却水泵、冷冻水 泵、冷却塔风扇及相应电动碟阀。 3 ) 集水器和分水器之间的电动调节阀用来起旁通作用。集水器和分水器之间的压 差若大于设定值，自控系统将开火旁通调节阀，以使压差回到设定值；相反， 压差若小于设定值，自控系统将关小旁通调节阀，以使压差回到设定值。它的 最大调节能力为一台冷水机组的供水量，一旦旁通阀达到这个调节量，说明目 前负载变小，系统供冷能力过剩，需关闭一台冷水机组和一台冷却泵，达到稳 定系统压力和节能的目的。当所有的空调机单元( a h u ) 阀和风机盘管( f c u ) 阀关闭后，旁通阀应全开；当所有的空调机单元( a h u ) 阀和风机盘管( f c u ) 阀全开后旁通阀应全关。 4 ) 冷冻水系统为闭路循环水因此在该水系统最高点设有膨胀水箱，使冷冻水始 终充满管道。自控系统自动检测水箱水位，通过控制补水阀使水箱保持一定的 水位。 5 ) 自控系统根据冷却水温度，自动控制冷却塔风机的启动台数。 6 ) 自控系统使长期运行的设备( 冷水机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔) 交替运行， 避免某台设备长期运行，提高设备使用寿命。楼字自控系统( b a s ) 存储每台 冷冻机、每台冷冻水泵、每台冷却水泵、每台冷却塔的运行时间。这些数据将 按需要在p c 工作站给操作员显示。