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西门子可编程序控制器 在药厂楼宇自控系统中的应用 学科：电气工程 研究生：于钢 导师：高勇教授 陈嘉伟研究员 摘要 ( 签名：立麴) ( 签名：盟) ( 签名：盟盟) ( 签名： 本文针对西安海欣制药有限公司的暖通空调设备所作的楼宇自控系统( b a s ) 的设计 与实施进行了总结。 首先讨论了b a s 的发展及组成结构，分析了b a s 及计算机技术在建筑工程上的设计 与应用的方法和步骤，并针对西安海欣制药有限公司的b a s 系统的设计参数和使用要求， 分析研究了多家楼宇自控系统产品的性能特点，采用西门子公司的s 7 3 0 0 p l c ，以w i n c c 管理软件作为系统平台，组成了西安海欣制药有限公司的楼宇自控系统。 其次，通过对大型的全空气系统的白控功能分析和设计，并针对国内楼宇自控系统设 计和应用中的某些不足例如计算机控制技术的理论与实际的结合、节能技术应用不 多、人机界面不友好等进行了改进。在全空气系统中应用了露点温度控制、新风节能控制、 风机速度控制等多种国内先进的控制方法，并采用模块化编程语言和程序模块设计技术， 解决了工程中的重要技术问题。 在系统调试过程中，针对空调机组的各项控制功能进行了验证，并对b a s 系统的冬 夏季控制效果分别进行了数据记录，结果表明对大型空调机组的各项控制功能设计合理、 完善。 经过长期的运行表明，该楼宇自控系统安全、可靠、控制方案先进可靠，全部指标达 到且部分超过了设计要求，整体性能达到了国内先进水平。 关键词：楼宇自控系统工程设计节能控制s i e m e n s p l c 西安理工大学工程硕士学位论文 a p p l i c a t i o no ft h es i e m e n s p l c f o rx i a nh a i x i np h a r m a c e u t i a ic o l t d b a s s p e c i a l t y = a u t h o r - s u p e r v i s o r - e l e c t r i ce n g i n e e r i n g y u g a n g p r o f g a oy o n g p r o f c h e nj i aw e i a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ：沙哆) ( s i g n a t u r e ：锄劲 ( s i g n a t u r e ：m 脚 t h ea i mo ft h ed i s q u i s i t i o ni sr e s e a r c h i n gd e s i g n sa n da p p l i c a t i o n so fab a ss y s t e mf o r h v a co f x i a nh a i x i np h a r m a c e u t i c a lc o l t d f i r s t l y , t h ea u t h o rd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n ta n df r a m e w o r ko fb a sa n dt h e na n a l y z e d m e t h o d sa n ds t e p so fd e s i g n sa n da p p l i c a t i o n sf o rc o n s t r u c t i o np r o j e c tb yb a sa n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y a c c o r d i n gt od e s i g np a r a m e t e r sa n du s a g er e q u i r e m e n to ft h eb a s o fx i a nh a i x i n p h a r m a c e u t i c a lc o l t d ，a n a l y z i n gf u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lp r o d u c t so fb a s ，t h e b a ss y s t e mo fx i a nh a i x i np h a r m a c e u t i c a lc o l t d i sc o n s t i t u t e do fs 7 3 0 0p l cw i t h w i n c cs y s t e ms o f t w a r e s e c o n d l y ；p a s s i n ga n a l y s i sa n dd e s i g no fa u t oc o n t r o lf u n c t i o nt ot h el a r g ef u l l - a i rs y s t e m ， t h ea u t h o ra i ma ts o m es h o r t a g e so fd e s i g na n da p p l i c a t i o no fi n l a n db a ss y s t e m - - s u c ha s i n t e g r a t e da c t u a l l yw i t hc o m p u t e rc o n t r o lt h e o r y , s a v e e n e r g yt e c h n i q u ew a sn o tw i d e l yu s e d ， n o tf r i e n d l yh u m a ni n t e r f a c e - - a n di m p r o v e do nt h e s es h o r t a g e s t h ea u t h o ra l s od e s i g n e d m a n ya d v a n c ei n t e r n a lt e c h n o l o g i e st os o l v ei m p o r t a n tt e c h n i q u ep r o b l e mi nt h i sp r o j e c tb y m o d u l ep r o g r a md e s i g n ，s u c ha sd e w p o i n tc o n t r o l ，f r e s ha i rs a v ep o w e rc o n t r o la n df a ns p e e d s a v ep o w e rc o n t r 0 1 i nt h ep r o c e s so ft h es y s t e ma d j u s t i n g ，t ov e r i f yv a r i o u sc o n t r o lf u n c t i o n so fa h ua n d r e c o r d i n gt h ed a t ao ft h eb a ss y s t e mi nw i n t e ri ns u m m e r , t h er e s u l tp r o v e dt h ed e s i g no f v a r i o u sc o n t r o lf u n c t i o ni sr e a s o n a b l ea n dc o n s u m m a t e t h r o u g hal o n g t e r mr u n n i n g ，i tw a s c l e a rt h a tt h ed e s i g n e db a sw a sas a f e ，r e l i a b l ea n d a d v a n c e ds y s t e m a l lo fi t sp a r a m e t e r sr e a c h e da n dp a r t i a l l yb e y o n dd e s i g n e dr e q u i r e m e n t sa n d w h o l ep e r f o r m a n c eg e tt od o m e s t i ca d v a n c e dl e v e l k e yw o r d s ：b a s ，p r o j e c t - d e s i g n ，s a v i n g e n e r g y c o n t r o l ，s i e m e n sp l c i i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。f 、 本论文及其相关资料若有不实之处j 由本人承担一切相关责任 论文作者签名：，： 圣呈蓟_ 孑寥夕年一，2 月必咱 学位论文使用授权声明 ，本人迎日：在导师的指导下创作完成毕业论丈。本人已通过论文的答辩，：，! 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 1 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。j ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：考主园- ，导师签名： 唧一4 移西 1 绪论 1 绪论 1 1 楼宇自控系统的国内外发展现状 当今，随着计算机技术的发展及普及，传统建筑中的电气设备，通讯设备等的控制 程度愈来愈高，其创造的舒适程度愈来愈好，使建筑物除了最早的居住或简单的办公功 能外，更向建筑者提出了信息化、集中化、舒适化、高性能等一系列环境平台要求。源 于六十年代的工业仪表控制己满足不了智能建筑对管理、集成、开放等等的要求，于是 人们迫切希望传统的大楼在管理及控制方面具有智能化，方便人员管理、提高效率、节 约能源开支并支持未来全方位的集成。 目前日益流行的智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i d i n g s ) 是建筑技术与计算机信息技术相结 合的产物，是信息社会的需要，也是未来建筑发展的方向。智能建筑主要由楼字自控系 统( b u i d i n g a u t o m a t i o ns y s t e m ，缩写为b a s ) 、通信自动化系统( c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ，c a s ) 和办公自动化系统( o f f i c e a u t o m a n c t i o ns y s t e m ，o a s ) 三 大系统组成【1 1 。其中，楼宇自控系统是智能建筑中最基本和最重要的组成部分，它是以 计算机技术为基础，结合现代控制技术、网络通信技术及信息技术( c 3 i ) 综合而成的 面向建筑内机电设备的一套计算机自动管理系统。 1 1 1 国外楼宇自控系统的发展现状 国外智能建筑的发展起步较早，到目前已经取得了一定的成绩。1 9 8 4 年，美国康 涅狄格州的哈特福市将一幢旧金融大厦进行了改造，建成了称之为( c i t yp l a c e ) 的大厦， 从此诞生了世界公认的第一座智能大厦。它是时代发展和国际竞争的产物；为了适应信 息时代的要求，各高科技公司，纷纷建成或改建具有高科技装备的高科技大楼( h i t e c h b u i l d i n g ) ，如美国国家安全局和五角大楼等；同时，高科技公司为了增强自身的应变 能力，也对办公或研究环境进行了创新和改进。日本在1 9 8 5 年开始建设智能大厦，新建 的大厦中有近7 0 为智能型；另外，新加坡在智能建筑方面也处于世界领先地位，如新 加坡建设“智慧岛”的经验就值得借鉴。欧洲国家智能建筑的发展基本上与日本同时启 动，智能大厦主要集中在各国的现代化首都，亚太地区智能大厦主要集中在汉城、香港 等中心城市l 2 。 进入9 0 年代以后，智能大厦蓬勃发展，步美、日之后尘，法国、瑞典、英国等欧洲 国家以及香港、新加坡等地的智能大厦如雨后春笋般地出现。 国外的楼字自控系统有以下特点： ( 1 )自2 0 世纪8 0 年代中期9 0 年代末的建筑热潮过后，国外的新建建筑( 特别是 欧洲) 大幅减少，市场容量小，在一定程度上促使国外先进的楼宇自控系统和富有经验 的控制工程公司向新兴市场( 如中国、俄罗斯、印度等) 发展和竞争； 西安j e z 大学工程硕士学位论文 ( 2 )由于先行之利和研发上的充足资金投入，国外的楼宇自控系统的产品已非常 成熟且性能先进，其品牌也经过十余年甚至数十年的发展和磨砺； ( 3 )国外从事楼宇自控系统的控制工程公司的技术经验和储备较为雄厚，并已经 过兼并和资源整合，形成大规模的、具备一定垄断能力的跨国工程公司。 ( 4 )国外楼宇自控系统的生产厂商较多，多数厂商的产品都具备较先进的性能和 可靠的质量，但也有少量的实力弱小、售后服务差的产品进入我国。 1 1 2 国内楼宇自控系统的发展现状 我国对智能建筑和楼宇自控系统的研究起始于9 0 年代，1 9 9 0 年，在北京建成的北京 发展大厦可谓我国智能建筑的雏形，随后建成了上海金茂大厦( 8 8 层) 、深圳地工大厦 ( 8 1 层) 、广州中信大厦( 8 0 层) 、南京金鹰国际商城( 5 8 层) 等一批具有较高智能化 程度的智能大厦。据不完全统计，国内已建成的智能建筑超过3 0 0 0 幢( 2 0 0 4 年统计) 。 但是，目前我国智能大厦和楼宇自控系统无论从建设标准、建设质量方面与国外先进水 平相比，还只能算是“准 智能大厦，而且其中一部分的智能化系统设计还是由国外的 专业公司完成的。然而，我国智能大厦发展迅猛，市场潜力巨大。据国外权威机构预测， 在2 1 世纪，全世界智能大厦的4 0 将兴建在中国的大城市r 里【2 1 。 近年来，我国楼宇自控系统随着节能和舒适的使用要求，得到了更加广泛的发展空 间，但同时在楼宇自控的设计方面也存在着许多问题： ( 1 ) 对受控对象的工艺要求的了解不准确。目前，电气工程师( 或自控工程师) 对 其他专业受控对象的工艺要求理解上的肤浅，甚至存在认识上的错误，而导致b a s 运行 效果欠佳的事例屡屡发生，其中以暖通空调系统占较大比重【3 1 。 ( 2 ) 在楼宇自控系统中的实际应用中对控制技术和计算机技术的理论研究不足。 ( 3 ) 我国跨纬度大、南热北冷，多数地方冬夏均需要空调制冷( 热) ，能源消耗 大。但对b a s 核心h v a c ( 供热、通风、空气调节) 系统的节能控制技术在目前的 建筑里应用还不广泛l 训。 ( 4 ) 工程的人机界面不好、操作人员学习困难、使用时容易引发误操作。 针对以上的问题和不足，本文以楼宇自控系统实现对h v a c 中组合式空调机组为代 表的全空气系统的控制，提出本文作者的设计及应用方法。 1 2 主要工作 本文从西安海欣制药有限公司的楼宇自控系统的设计和实施角度出发，介绍楼宇自 控系统的组成、结构及其实际的解决方案，在设计过程中，按照系统设计的概念自顶而 下的进行图纸及功能设计；在人机界面设计中，着重从以人为本的角度出发，做好楼宇 自控系统的界面设计。本文主要进行了以下几个方面的工作： ( 1 ) 根据西安海欣制药有限公司对楼宇自控系统的要求、设计参数等技术指标， 并且分析了各楼宇自控系统的性能特点，最后确定采用西门子s 7 3 0 0 p l c 系统作为西安 2 1 绪论 海欣制药有限公司楼宇自控系统的应用平台。 ( 2 ) 在设计西安海欣制药有限公司的楼宇自控系统方案时，阅读和分析了大量国 内外相关文献，在熟悉b a s 系统理论的基础上，着重解决被控对象控制方式的合理性， 做到实现性强、维护性强。 ( 3 ) 通过对大型的全空气系统的自控功能分析和设计，并采用模块化编程语言和 程序模块设计技术，解决了工程中的技术难题，使其达到在楼宇自控系统的良好运行、 满足工艺要求、顺利满足验收条件的目的。 ( 4 ) 通过对实际b a s i 程的设计流程的探讨，论述b a s 系统的总体设计、图纸设 计、电气设计、控制功能设计、程序流程设计等设计过程的方法和细节。 ( 5 ) 阐述了b a s 的系统结构和相关技术，介绍了s i e m e n ss 7 3 0 0 p l c 系统组成和 应用，以及楼宇自控系统的产生、发展和主流产品现状，并对楼宇自控系统的现场网络 总线技术进行了分析比较。 1 3 本文各章节内容说明 第一章，介绍了楼宇自控系统的国内外发展现状及本篇文章的主要内容介绍。 第二章，本章内容有两节，第一节首先对楼字自控系统作了较详细的阐述，对传统 机电控制的缺陷作了说明，介绍了楼宇自控系统的结构、优点及主流产品的现状，并对 楼宇自控系统的现场网络总线技术进行了分析比较。第二节在分析了西安海欣制药有限 公司楼宇自控系统的技术要求和设计参数后，对选择西门子s 7 3 0 0 p l c 系统作为西安海 欣制药有限公司楼宇自控系统的应用平台作了简要说明，介绍了s 7 3 0 0 p l c 系统的软 件、硬件结构。 第三章，介绍了西安海欣制药有限公司楼宇自控系统的总体设计，对工程概况、系 统方案、设计要求、设计思想作了逐一说明。 第四章，对西安海欣制药有限公司楼宇自控系统各功能模块作了详细介绍。首先说 明了系统结构配置，然后根据典型设备的工艺要求、f o 点表分析了控制系统的各个功 能模块的软件设计，给出了各模块功能的流程图。在本章的最后，介绍了控制系统操作 界面的设计。 第五章，结论。介绍了西安海欣制药有限公司楼宇自控系统的调试运行结果，通过 对运行参数的比较，验证了系统的设计方案，实现了楼宇自控系统的设计要求。 3 西安理工大学工程硕士学位论文 2 楼宇自控系统及系统平台选择 2 1 楼宇自控系统 目前日益流行的智能建筑( i n t e l l i g e n t b u i d i n g s ) 是建筑技术与计算机信息技术相结 合的产物，是信息社会的需要，也是未来建筑发展的方向。智能建筑主要由楼宇自控系 统( b u i d i n g a u t o m a t i o n s y s t e m ，缩写为b a s ) 、通信自动化系统( c a s ) 和办公自动化 系统( o a s ) 三大系统组成。其中，楼宇自控系统是智能建筑中最基本和最重要的组成 部分。楼宇自控系统是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度 自动化的综合管理和控制系统，将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络 对其进行综合的控制，这些设备包括空调、照明设备、电梯、消防设备、安防设备等等。 它确保建筑物内的舒适和安全的办公环境，同时实现高效节能的要求【5 1 。 由于概念引进和实际发展的影响，楼宇自控系统有狭义和广义之分，狭义的楼宇自 控系统是将建筑物( 或建筑群) 内的电力、照明、空调、给排水、电梯、暖通、等设备 采用“集中管理、分散控制策略而构成的一个综合系统。它使建筑物成为安全、健康、 舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。 广义的楼宇自控系统( 又称b m s ) 则还包括了综合保安监控、消防自动化系统。本文所 探讨的，是狭义的楼宇自控系统( 又称b a s ) 所包括的空调控制的内容。 2 1 1 传统机电控制的缺陷 对于一座现代化大楼，在没有安装b a s 的时候，使用这些设备往往存在以下问题： ( 1 ) 控制、管理问题 对于空调系统，系统的控制管理水平较低是造成空调系统高能耗的原因之一。系统 在实际运行中没有根据人员的变化和实际负荷进行必要的调整，致使供冷量、供水量和 送风量都大于实际的需求。即使进行调节，也具有随意性和滞后性，由此就会造成大量 的能源浪费【6 1 。 对于照明系统，没有有效的灯光管制方案，经常会造成长明灯、节假日不关灯等情 况的出现，事实也证明，照明系统控制管理不当也是造成大楼高能耗的主要原因之一f 7 1 。 对于送排风系统，由于不能对环境的空气品质进行检测，就不能及时通风，从而保证 室内及车库等环境的空气品质，同时对人体造成伤害，另外，由于现场管理人员和消防 系统管理脱节，在有火警时打开新风机势必会造成火灾的蔓延，同时不能协调其他如门 禁、c c t v 的系统联动。 ( 2 ) 维护问题 大楼内机电设备需要经常进行维护保养，如果发生损坏，就不能及时进行设备的维 护，如排污系统、生活供水系统、变配电系统损坏，不及时处理就可能造成污水泛滥、 停水、停电等事故出现，电梯如无累计运行时间的纪录，不及时维护，就可能造成关人 卡人等严重事故的出现。所以，机电设备维护直接关系到大楼能否正常、安全运转，楼 4 2 楼手自控系统厦系统平台选择 宁自拧系统就给系统维护提了完整的解决方案i 。 ( ： 能耗司题 矬筑能耗在总能耗中所占的比例越柬越大，而在建筑能耗罩，用r 暖通窄调的能耗 义占建筑能耗的3 0 5 0 。立l 】果采用节能技术，同时对设备进行高效管理，现有空碉 系统可以完全节能2 0 一5 0 。摒统计，我国一般酒店每年的电力y 自耗在： ( ) 万一l5 0 万度 之t h 】，星绒酒店每年的电力消耗在1 0 0 万一1 0 0 0 万度之n u | 9 】。电赞成本通常是酒店除场地 费用和人i 碱奉以外的最人支 r 。对多数酒店而言，电赞也足未被酒店有效控制的最后 颂成本。国内酒店的电能损耗比例如酗2 1 所示。 图21 国内酒店电能消耗构成圈( ) f i g u r e2 1c o s t s f o r mo fe l e c t r i cp o w e ro fh o t e l i n c h i n a 从图2i 町清晰看出：在洒脯的电能消耗中，空调是耗能大广，热水供应次之而 照明用i u 量仅仅排在第= 位。因此，空调系统的节能对于般的大厦而占足非常有价值 的，这也是楼字白控系统的绿色节能的目标之一。 2 1 2 楼字自控系统结构及优势 采川楼字自控系统的h 的是通过计算机技术及现场总线网络，控制建筑内部的各种 机电没蔷，为建筑创建舒适的人上环境，方便人们对于楼内运行的机电设备的管理，最 大限度的节约和利f 】能源。楼。j 白控系统分为新m 、空调系统控制、冷冻水系统控制、 供热系统控制、给排水系统控制、灯光系统控制、电力系统雌说等项口，它们形成了 个先档控制体系。b a s 系统的楼+ j 自控系统是智能化人厦一个重要也是基本的个子系 统。 楼j7 白控系统般足现场传感器、执行器、控制器及监控i 作站组成。其巾传感 器和执行器做安黻j 。现场负l 收集数士l l ：和完成控制器发出的命令。控制器作为集散，数 字控制器( d d c ) ，它们分巾于建筑内部再区域，通过总线力式连接成个摔制措l 叫绍， 西安j g _ z _ 大学工程硕士学位论文 控制器通过与它连接的传感器和执行器来负责本区域的设备的监控工作，控制器本身有 中央处理器( c p u ) 可以按事先编制的程序运行，以完成控制任务。监控工作站可有一 个也可以有多个，当有多个监控工作站它们自己形成一个网络。监控工作站与控制器网 络相连接，通过图形控制软件和数据库管理软件作为界面实现人对整个系统的管理。 楼宇自控系统的优点： ( 1 ) 创建舒适的人工环境 楼宇自控系统可按人们的要求自动调节建筑内部温度、湿度、空气质量、灯光照度 及相关设备的运行，创建一个舒适的人工环境，保证人们的健康。 ( 2 ) 有效的节约能源 由于楼宇自控系统可以根据建筑内外环境自动调节，使所有设备的运行在满足人们 需求条件下以节能方式运行。这样可比不用自控系统的建筑节能3 0 左右【1 0 l 。 ( 3 ) 提高管理效率，方便人们管理 楼宇自控系统按程序自动操纵建筑内的机电设备，一般不需要人直接在现场操作设 备，如果需干涉系统运行可以通过修改程序或使用监控工作站控制设备的方式进行，对 于设备的异常情况，自控系统可以自动报警。这样就使管理人员的工作效率大大提高。 2 1 3 楼宇自控系统发展及主流产品 世界上高层建筑b a s 产品从五十年代就开始采用摸拟式自控，六、七十年代改进为 数字式自动控制，八十年代采用专用微型计算机进行管理、监控与显示，技术趋于成熟， 取名为集散式( 即集中管理、分散控制) 自控系统【l ，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 ) 。它是8 位或1 6 位微处理机、运算存储模块及输入输出模块构成的控 制单元。也是目前社会上广泛应用的b a s 产品，j t l h o n g y w e l l 公司e b i 和e x c e l5 0 0 0 系 统，s i e m e n s 公司$ 6 0 0a p o g e e 系统，j o h n s o n 公司m e t a s y s 系统，t a c 公司的 x e n t a t m 3 0 0 系统等。 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，对多个供应商来说，不同系统之间的集成，可采用 b a c n e t ( b u i l d i n ga u t o m a t i o nc o n t r o ln 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 凡垣) 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。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的发展方向【1 2 】。当今，l o n w o r k s 技 术开始从工业自控领域延伸到民用智能建筑的b a s 自控系统，它的开放性，互操作性， 可靠性高，无中心控制等实出优点已被世人所公认。各发达国家都在向这一技术靠拢， 目前世界上各大b a s 公司纷纷推出这类新产品，s i e b e 公司i a ( i n t e l l i g e n t a u t o m a t i o n ) 系统，之后有h o n e y w e l le x c e l 5 0 0 0o p e n 型，西门子楼宇科技$ 6 0 0a p o g e e ，t a c 公司v i s t a 等。 6 2 楼宇自控系统及系统平台选择 2 1 4 楼宇自控系统的现场总线( f c s ) 技术对比 上个世纪9 0 年代以来，随着控制技术、计算机技术、通信技术的发展，楼宇自控 系统出现了基于现场总线的控制系统( f c s ) ，f c s 克服了d c s 的缺点，它是一种全数 字化的、全分散的、全开放、可互操作和开放式互连的新一代控制系统。 由于诱人的市场商机和不同的应用领域的存在，世界一些大公司或公司联盟纷纷提 出自己的现场总线协议标准。据不完全统计，目前国际上有4 0 种宣称为开放型的现场 总线标准。这些协议根据国际标准化组织( i s o ) 的计算机网络开放式互连系统的o s i 参考模型来制定的。大多数现场总线只是用其中的一、二和七层协议【1 3 l 。于是现场总线 呈现杂乱纷呈的局面。在这些现场总线中不乏优异的现场总线，如c a n 、m o d b u s 、 p r o f i b u s 、l o n w o r k s 、b a c n c t 、d e v i c e n e t 等等。其中l o n w o f k s 、b a c n e t 、a 悄、e i b 等现场总线在楼宇自控领域获得了较广泛的应用。 ( 一) l o n w o r k s 美国e c h e l o n 公司1 9 9 1 年推出了e o n ( l o c a lo p e r r a t i o n g n e t w o r k s ) 技术，又称 l o n w o r k s 技术。它得到了众多计算机厂家、系统集成商、仪器仪表以及软件公司的大 力支持，已经在楼宇自控、工业自动化、电力系统供配、消防监控、停车场管理等领域” 获得广泛应用。具体地说l o n w o r k s 具有以下优点： ( 1 ) 网络结构灵活、组网方便。它支持多种网络拓扑形式，包括总线型、星型、 树型、自由拓扑型等，这样可适应复杂的现场环境，方便现场布线。 ( 2 ) 支持多种传输介质。包括双绞线、同轴电缆、电力线、光纤、无线射频等； 两种传输速率：7 8 b p s 和1 2 5 m b p s ，最大传输距离由网络拓扑形式和传输介质决定，一 般可从5 0 0 m 至u 2 7 0 0 m ，可接入的节点最多为3 2 3 8 5 个1 1 4 1 。 ( 3 ) 完善的开发工具。提供完善的系统开发环境，采用开放的n e u r o n c 语言。 ( 4 ) 无主的网络系统。l o n w o r k s 网络中各节点的地位相同，网络管理可设在任一 节点处，并可安装多个网络管理器； ( 5 ) 开发l o n w o r k s 网络节点的时间较短，也易于维护。l o n w o r k s 采用的l o n t m k 协议固化在e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片中，这样可以节省开发l o n w o r k s 网络节点的时间， 也方便维护。 同其它现场总线一样，l o n w o r k s 也有自身的缺点。首先，l o n w o r k s 的实时性、处 理大量数据的能力有些欠缺；其次，由于l o n w o r k s 依赖于e c h e l o n 公司的n e u r o n 芯片， 所以它的完全开放性也受到一些质疑。 尽管l o n w o r k s 存在一些不足，但是l o n w o r k s 的f c s 还在楼宇自控领域获得了广 泛的应用。世界上有2 万多家o e m 厂商生产l o n w o r k s 相关产品，其中种类己达3 5 0 0 多种。目前世界上已安装有5 0 0 多万个l o n w o r k s 节点【1 4 1 ，l o n t m k 协议也被接纳为欧 洲c e n t c 2 4 7 、c e n t c 2 0 5 的一部分。自1 9 9 6 年以来，l o n w o r k s 也开始在国内获得大 量的应用。 7 西安理工大学工程硕士学位论文 ( 二) b a c n e t b a c n e t 是作为世界上第一个楼宇自动控制网络的数据通信协议。它代表了智能建 筑发展的主流趋势。严格地说，b a c n e t 并不是现场总线，而是一种网络协议，即通信 规则。为不同商家产品的系统之间进行信息交流提供平台和支持。b a c n e t 详细阐述了 系统组成单元相互分享数据实现的途径、使用的通信介质、可以使用的功能以及信息如 何翻译的全部规则。 b a c n e t 采用了e t h e r n e t 、a r c n e t 、m s t p 、p t p 、l o n t a l k 五种网络技术进行通 信【1 5 】。可根据系统通信速度选择不同的网络技术。相对其它现场总线，b a c n e t 标准最 大的优点是可以与e t h e r n e t 、l o n w o r k s 等网络进行无缝集成。不过b a c n e t 主要为解决 不同厂家的楼宇自控系统相互间的通讯问题设计，并不太适用于智能传感器、执行器等 末端设备。b a c n e t 标准已在全球得到了广泛的应用，全球生产和经营楼宇设备和楼宇 自控设备的主要厂商均支持b a c n e t 标准。b a c n e t 在不到1 0 年的时间内就从一个行业 学会标准迅速成为楼宇自控领域中唯一的i s o 标准。虽然我国是w t o 和i s o 成员国， 但是b a c n e t 在我国建筑领域中的应用范围还相对较小，而且在工程中采用的b a c n e t 产品和技术也基本上全部是从国外引进的，还没有真正意义上的国产化b a c n e t 相关产 品。 ( 三) c a n c a n 总线最初是德国b o s c h 公司为汽车监控控制系统设计提出的，现在它已经成 为一种国际标准，在电力、石化、空调、建筑等行业均有应用。c a n 具有以下优点： ( 1 ) 采用8 字节的短帧传送，故传输时间短、抗干扰性强【2 】； ( 2 ) 具有多种错误校验方式，形成强大的差错控制能力。而且在严重错误的情况 下，节点会自动离线，避免影响总线上其它节点； ( 3 ) 采用无损坏的仲裁技术； ( 4 ) c a n 芯片不但价格低而且供应商多； ( 5 ) c a n 缺点：c a n 总线上最多可挂接1 1 0 个节点，这不完全能满足整个智能 建筑的需要。不过可以通过利用中继器进行扩展，相对其它一些现场总线，c a n 总线技 术比较简单，c a n 相关产品的开发费用也远远低于其它现场总线技术产品的开发费用。 ( 四) p r o f i b u s p r o f i b u s 产品在世界市场上已被普遍接受，1 9 9 6 年3 月1 5 日批准为欧洲标准，即 d i n5 0 1 7 0v 2 。市场份额占欧洲首位，年增长率2 5 。目前支持p r o f i b u s 标准的产 品超过1 5 0 0 多种，分别来自国际上2 5 0 多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的 p r o f i b u s 设备已超过2 0 0 万台，到1 9 9 8 年5 月，适用于过程自动化的p r o f i b u s p a 仪表设备在1 9 个国家的4 0 个用户厂家投入现场运行。1 9 8 5 年组建了p r o f i b u s 国际 支持中心；1 9 8 9 年1 2 月建立了p r o f i b u s 用户组织( p n o ) 。目前在世界各地相继组 建了2 0 个地区性的用户组织，企业会员近6 5 0 家。1 9 9 7 年7 月组建了中国现场总线 8 2 楼宇自控系统及系统平台选择 ( p r o f l b u s ) 专业委员会，并筹建现场总线p r o f i b u s 产品演示及认证的实验室。 ( 1 ) p r o f i b u s 是一种国际化开放式不依赖于设备生产商的现场总线标准。广 泛适用于制造业自动化流程工业自动化和楼宇交通电力等其他领域自动化。 ( 2 ) p r o f i b u s 由三个兼容部分组成，即p r o f i b u s d p ( d e c e n t r a l i z e d p e r i p h e r y ) p r o f i b u s p a ( p r o c e s sa u t o m a t i o n ) p r o f i b u s - f m s ( f i e l d b u sm e s s a g e s p e c i f i c a t i o n ) 。 ( 3 ) p r o f i b u s d p 是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i o 的通信。使用p r o f i b u s d p 可取代办2 4 v d c 或4 - - 2 0 m a 信号传输。 ( 4 ) p o r f l b u s p a 是专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线 上，并有本征安全规范。 ( 5 ) p r o f i b u s - - f m s ：用于车间级监控网络，是一个令牌结构实时多主网络。 ( 6 ) p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制 的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络， 从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 ( 7 ) 与其它现场总线系统相比，p r o f i b u s 的最大优点在于具有稳定的国际标准 e n 5 0 1 7 0 作保证f 1 6 1 ，并经实际应用验证具有普遍性。目前己应用的领域包括加工制造过 程控制和自动化等。p r o f i b u s 开放性和不依赖于厂商的通信的设想，已在1 0 多万成 功应用中得以实现。市场调查确认，在德国和欧洲市场中p r o f l b u s 占开放性工业现场 总线系统的市场超过4 0 。p r o f i b u s 有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，它 们都具有各自的技术优势并能提供广泛的优质新产品和技术服务。 2 2 西安海欣制药有限公司b a s 系统技术要求 2 2 1 设计目标 ( 1 ) 为西安海欣制药有限公司暖通空调设备配置一套高性价比的集散型控制系统。 实现“集中管理，分散控制”的控制方式。 ( 2 ) 基于先进的控制系统，按功能对设备进行完善控制，使故障引发的链式反应 减至最小。在中央控制站上提供友好的人机界面，能方便的管理各系统的工作。 ( 3 ) 通过系统软件的功能设计，对被控对象进行时间、逻辑、顺序、优化节能等 控制。从而达到在工作站上实现动态的图形监控和报表记录等功能。任一主要设备均设 手动自动两种操作方式，便于调试、检修。； ( 4 ) 实现“无人管理、鼠标操作 的自动控制方式，报警、故障处理、数据记录 体化。 2 2 2 设计参数 各空调机组处理区域的室内空气温度、湿度设计数据见表2 1 所示。 9 西安理工大学工程硕士学位论文 表2 1 空调机组设计参数 空调机组夏季 冬季 k 3 0 1 ，k 3 0 3t = 2 4 1 、= 5 5 5 t = 2 4 1 、= 5 5 5 k 3 0 2 、k 3 0 4 t = 2 4 2 、= 5 5 1 0 t = 2 4 2 、= 5 5 1 0 k 2 0 2 - k 2 0 4t = 2 4 1 、= 5 5 5 t = 2 4 1 、= 5 5 5 k 2 0 5 、k 2 1 0 、k 2 l lt = 2 4 2 、巾= 5 5 1 0 t = 2 4 2 、= 5 5 + 1 0 2 2 3 控制对象 空调自控系统的控制对象包括： 空调用冷冻站( 简称冷冻站) 的自动控制； 固体制剂车间k 2 0 1 - - k 2 0 5 、k 2 1 0 、k 2 1 1 等7 台空调机组及相应排风系统的自动控 制； 输液车间k 3 0 1 - - k 3 0 4 等4 台空调机组及相应排风系统的自动控制； 固体制剂及输液车间的室内压差检测( 共2 5 点) ； 在以上空调机组中，k 2 0 2 - - k 2 0 4 、k 3 0 1 、k 3 0 3 为洁净空调机组，其余为生产空调。 2 2 4 控制要求说明 各空调机组的控制应满足以下各项内容要求： 室内温度( 以回风温度代表) 控制； 新风量和回风风量调节； 室内湿度( 以回风湿度代表) 调节； 室内空气微压差调节； 节能变频控制； 相关的排风系统控制； 空气过滤网( 初、中效) 的检测和报警； 其它相应的温度、湿度、流量等检测、显示和报警。 洁净空调机组控制功能描述，k 2 0 2 k 2 0 4 、k 3 0 1 、k 3 0 3 等5 台机组为万级净化区 域专用空调，其控制功能的描述如下： ( 1 ) 新风量调节 最小室内新风换气次数锁定；按照工艺，在制冷制热季节中，新风阀的开度应不小 于1 5 。在过渡季节，新风阀开到5 0 。 依照昼夜及冬夏季节的室外空气品质的不同，实现空气质量和节能的双重控制。 ( 2 ) 回风门控制和反馈 新风回风比例调整，根据新风加入的比例调整回风比，保持空调机组入口风量的恒 定。 1 0 2 楼宇自控系统及系统平台选择 与新风风阀组合，即在负荷很大或机组刚开启时，将不开新风，进行迅速预冷( 预 热) 处理。 ( 3 ) 初效、中效过滤网压差检测 对初效过滤网，采用空气压差开关监视过滤网压差，在超过设定值时，压差开关动 作指示过滤网脏堵，其压差报警设定点可调。 对于中效过滤网( 即空调机组中效过滤) ，采用高精度压差传感器，精确的测量滤 网两侧的空气压降，使操作人员能随时掌握风量的损失。 ( 4 ) 冬季温度调节( 蒸汽加热阀) 标准p i d 加热调节( 控制变量一回风温度) 。 送风温度过高过低超越：如果送风温度超过高限低限并报警时，系统将超越p i d 控制而将蒸汽阀全关全开。 防冻联锁控制。 ( 5 ) 湿度调节( 蒸汽加湿阀) 标准p i d 加湿控制( 控制变量一回风湿度) 。 夏季除湿调节。 蒸汽温度低限联锁。如果蒸汽加湿阀后的温度超越低限，将关闭加湿阀，防止凝水 进入加湿器。 ( 6 ) 夏季温度调节( 冷水阀) 标准p i d 制冷调节( 控制变量一回风温度) 。 ( 7 ) 交频风机控制 室内微压差调节。 ( 8 ) 送风温度、湿度检测 温度、湿度的检测和高低越限报警。 ( 9 ) 送风风量检测 总送风风量的检测和高低越限报警。 ( 1 0 ) 排风机控制 换气次数控制，参考设计的换气次数要求，进行风机的最小开启时间控制。 室内正压联锁，为保证空调区域内有一个微正压条件，将参考当前的送风机频率， 安排开启或停止排风机。 ( 1 1 ) 中问温度检测 防冻保护监视，在冬季中间温度过低时，报警指示