（计算机应用技术专业论文）楼宇空调自控系统的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着智能建筑的快速发展，楼宇自动化系统也逐渐对建筑内的设备进行越来 越科学、经济、合理的控制和管理。自动控制技术、计算机技术、通信技术的发 展促成空调自动控制技术日益成熟。在世界能源日益紧张的今天，空调系统作为 整个建筑物的能耗最大的部分，如何节能成为一个重要而且很有意义的问题。空 调自动化系统作为楼宇自动化系统的一个最重要的部分，提高楼宇设各利用率、 优化设备的运行状态和时间、延长设备寿命，降低了设备的能耗。本文将讨论宅 调系统中的洁净室控制系统。 空调系统是一个复杂的热力系统，所受干扰多，除了天气影响，围护结构、 人员、设备都对系统造成影响。温湿度的滞后性给系统控制的反应速度提高了难 度。温湿度作为两个相关联的量，温度升高、湿度减小；温度降低、湿度增大， 被控制参数之间相互关联、相互影响。因此建立对于像洁净室这样的控制系统而 占，被控制对象多、控制精度高、反应速度快，而且还要节省能耗。因此。在节 能的前提下，建立合适的控制流程，有效的控制洁净室的各项环境参数意义重大。 本文以洁净室空调控制系统为研究内容，以西门子公司楼宇自控产品 a p o g e e 顶峰系统为研究平台。利用西门予公司的传感器、执行器、控制器，完 成了武汉光电国家实验室的洁净室空调自控系统的设计、硬件安装和软件编制的 全过程。 根据实验室环境参数的特点，采取当温湿度控制产生矛盾时，以湿度信号优 先、用再热来提高温度的策略。用大量的二次回风来取代再热量，节省能耗。为 了保证系统的洁净度，通过高效率过滤器的压差来控制风机的转速，使系统的风 量达到换气次数要求。利用夜间的低谷电价蓄热，白天使用蓄热罐的热源，节省 成本。通过系统的反复调试和对p i d 参数的整定，使控制系统在被控区域负荷发 生较大变化的时候，控制系统的反应速度能及时调整被控参数到设定范围。取得 了很好的控制效果。为今后的工程实践提供了经验基础。 软件系统提供的报警管理能监控系统的设备运行状况；趋势数据采集能从控 制器采集传感器数据并保存成历史纪录，可以随时查看历史数据；可以实时观察 动态数据的变化；动态图形显示当前现场实时数据。软件系统给系统管理提供了 一个方便的平台。 关键词：智能建筑楼宇自动化洁净室a p o g e ep i d 武汉理f 大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ( i b ) ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m ( b a s ) h a sc o m et oc o n t r o la n dm a n a g et h ee q u i p m e n ti nt h eb u i l d i n gm o r e a n dm o r es c i e n t i f i c a l l y , e c o n o m i c a l l ya n dr a t i o n a l l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f a u t o m a t i o nc e n t r e l 、c o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n ，t h ea i r - c o n d i t i o n i n ga u t o m a t i o n c o n t r o lb e c o m em o r em a t u r e t o d a y e n e r g ys o u r c e si sm o r ea n dm o r es c a r c i t ya uo f t h ew o r l d ，a i r _ c o n d i t i o n i n gs y s t e mw h i c hh a su s eag r e a td e a lo fe n e r g y ，h o wt os a v e e n e r g yb e c o m em o r ei m p o r t a n ta n ds i g n i f i c a n c e a sui m p o r t a n tp a r t o fb u i l d i n g a u t o m a t i o n ，a i r - c o n d i t i o n i n ga u t o m a t i o ns y s t e mi m p r o v eu s i n g r a t e、 o p t i m i z e w o r k i n gs t a t ea n dt i m e 、p r o l o n gl i f ea n ds a v ee n e r g y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e p u r e - r o o mc o n t r o ls y s t e mo fa i r - c o n d i t i o n i n gs y s t e m b u ta s a c o m p l e xt h e r m o d y n a m i cs y s t e m a i r - c o n d i t i o n i n g h a s m a n y d i s t u r b a n c e s ，e x c e p tw e a t h e r ，s t r u c t u r e 、h u m a n 、e q u i p m e n tw h i c hm a y e f f e c ti t t h c l a go ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw h i c ht a k eg r e a td i f f i c u l to f c o n t r o lr e s p o n s es p e e d ， t e m p e r a t u r e i sa s s o c i a t e dw i t h h u m i d i t y ，t e m p e r a t u r er a i s e d 、h u m i d i t y d r o p p e d ；t e m p e r a t u r ed r o p p e d 、h u m i d i t yr a i s e d 1 1 l ec o n t r o l l e dp a r a m e t e ra s s o c i a t e 、 e f f e c te a c ho t h e r ，1 1 l cp u r e - r o o mc o n t r o ls y s t e mr e q u i r em o r ec o n t r o l l e dp a r a m e t e r 、 h i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n 、q u i c kr e s p o n s ea n de n e r g y - s a v i n g i ti sg r e a tm e a n i n gt o c o n t r o la l l k i n d o f p a r a m e t e r o f p u r e - r o o ms y s t e m w i t ht i g h t c o n t r o l f l o w t h ec o n t e n to ft h es t u d yi st h ep u r e - r o o ma i r - c o n d i t i o n i n gc e n t r e ls y s t e m b a s e d o nt h es i e m e n sa p e g e es y s t e m w i t ht h es e n s o r 、e x e c u t o r 、c o n t r 0 1 id e s i g n e dt h e p u r e - r o o ma i r - c o n d i t i o n i n ga u t o m a t i o ns y s t e ma n dc o n t r o lp r o g r a m ，a n di n s t a l lt h e e q u i p m e n to f w u h a nn a t i o n a ll a bo fo p t o e l e c t r o n i c a c c o r d i n g t ot h et r a i to fl a be n v i r o n m e n tp a r a m e t e r , w el e th u m i d i t ys i g nh a v e m o r ep r i o r i t yw h e nt e m p e m t u r es i g na n dh u m i d i t ys i g nc o m ei n t oc o n f l i c t ，l e tr e h e a t i m p r o v et e m p e r a t u r e w cu s et h es e c o n d - r e t u r nw i n di n s t e a do fr e h e a t w bu s e d i f f e r e n c ep r e s s u r eo ff i l t c rt oc o n t r o lf a ns p e e di no r d e rt ok e e pl u s t r a t i n n w eu s e l o w - p r i c ee l e c t r i c i t yo fm i d - h i g h tt or e s t o r eh e a t u s er e s t o r eh e a ta td a y t i m ew h i c h c a ns a v ec o s t w eh a v eg e tg o o dc o n t r o le f f e c ta c c o r d i n gr e p e a td e b u ga n da d j u s tp i d p a r a m e t e r i tp r o v i d e b a s eo f e x p e r i e n c e f o r l a t e r p r o j e c t s o f t w a r es y s t e mp r o v i d et h ea l a r mm a n a g e m e n tw h i c hc a nm o n i t o rs t a t eo fa l l k i n do fe q u i p m e n t ：t r e n dd a t ac o l l e c t i o nc 挑c o l l e c ts e n s o rd a t af r o mc o n t r o l l e ra n d k e e pt h e ma sh i s t o r yn e w s r e e lw h i c hc a ns e et h e ma ta n yt i m e ；d y n a m i cp l o t t e rc a n s e ed y n a m i cd a t ac h a n g ea tr e a lt i m e ；d y n a m i cg r a p hd i s p l a yr e a l - t i m ed a t ac h a n g e s o f t w a r es y s t e mp r o v i d eac o n v e n i e n tf l a tf o rs y s t e mm a n a g e m e n t k e yw o r d ：i n t e 7 l i g a n tb u t i d i n g b u i l d i n ga u t o m a t i o np u r e r o o ma p o g e e p m 武汉理丁大学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i 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，是信息丰十会与经济国际化的需要。智能建筑主要有楼宇自动化控制系 统( b a s ) 、通信自动化系统( c s ) 和办公自动化系统( o a s ) 三大系统组成“。3 1 。 智能建筑往往是从楼宇自动化控制系统开始。智能建筑内部有大量的电气 设备，如：环境舒适所需要的空调设备、照明设备及给排水系统的设备等，这 些设备多而散：多，即数量多被控制、监视、测量的对象多多达上百到上万 点；散，即这些设备分散在各层和角落。如果采用分散管理，就地控制，监视 和测量难以想象。为了合理利用设备，节省能源，节省人力，确保设备的安全 运行，自然提出了如何加强设备的管理问题。 在众多建筑设各中，以空洞系统的能源消耗最为突出。据有关统计，写字 楼和酒店等商业建筑中空调、照明、电梯等系统的耗能情况大致如下：空调： 写字楼空调耗能占总耗能的比例平均为6 0 ，其下限为5 0 ，上限不高于7 0 ： 酒店 i v a c ( 热、通风和空调控制) 耗能占总耗能的比例为4 4 。照明：写字楼 照明耗能占总耗能的比例为2 3 5 5 ，平均2 6 ；酒店照明耗能占总耗能的比 例为2 9 。电梯；写字楼耗能占总耗能的比例为8 ，酒店电梯耗能占总耗能的 比例为1 0 。 在能源日益紧张的今天，在国家提出节约型社会的发展模式下，在没有新 能源出现的情况下，节约能源是必行之路。作为能源消耗大户的h v a c 系统，如 何提高系统的资源的有效利用，节省能耗，有非常重要的意义。由于楼字空调 控制系统能监控建筑内的所有机电设备，根据实际情况来决定设备的运行状态， 有效的控制能源的无谓的消耗，避免设备的“空转”浪费，达到节能的真正目 的。 随着计算机技术和信息技术突飞猛进的发展。对大楼内的各种空调设备的 状态监视和测量不再是随线式，而是采用扫描测量。系统控制的方式由过去的 中央集中监控，转丽由高处理能力的现场控制器所取代的集散型控制系统，中 央机以提供报表和应变处理为主，现场控制器以相关参数自动控制相关设各， 来达到控制目的。 楼宇空调控制系统能够自动控制建筑物内的空调设备。通过软件，系统地 管理相互关联的设备，发挥设备整体的优势和潜力，提高设备利用率，优化设 备的运行状态和时间( 但并不影响设备的工效) ，从而可延长设备的服役寿命， 武汉理一大学硕士学位论文 降低能源消耗，减低维护人员的劳动强度和工时数量。最终，降低了设备的运 行成本。 自动控制、监视、测量是空调设备管理的三大要素，其目的是正确掌握空 调设各的运转状态、事故状态、能耗、负荷的变动等。尤其在使用电子计算机 之后既可大力节省人力，又可节省能源。一般认为可节约能源2 5 。 根据日本电气学会技术报告：使用电子计算机的管理系统的效果与不使用 的效果相比，维修保养人员可减少约3 0 。这里讲的节能是在必要能源的最高 利用率上所采用的节能方法。此运转控制所采用的方法主要有：机械的有效运 转i 变更室内温湿度的条件；把设备运转时间控制在最小限度；减少室外空气 的取入量等。在一幢大楼内电气的消耗率占整个能源消耗的7 0 9 0 所以 节能首先应从电气方面着手，降低电能的消耗。 节能管理是建筑综合管理的重要内容，由于智能建筑的空调设备采用自动 化监控方式，使智能建筑利用先进的综合节能技术成为可能。同时，节能是建 设智能建筑的主要目标之一，节省运行和管理费用，是智能建筑高效率和高回 报率的具体体现。 因此采用楼宇空调控制系统能很好的解决节省能源消耗问题，提高设备的 利用率，延长设备的服役寿命，降低运行成本等问题。 1 2 国内外发展趣势 随着科学技术的发展，楼宇自动化技术也经历了从原始的现场仪器仪表发 展到现在的基于w e b 的控制系统。楼宇设备自动化系统到目前为止已经历了四 代产品”： 第一代：c c m s 中央监控系统 b a s 从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和c r t 构成中央站， 打印机代替了记录仪表，散设于建筑物各处的信息采集站d g p ( 连接着传感器和 执行器等设备) 通过总线与中央站连接在一起组成中央监控型自动化系统。1 ) 6 p 分站的功能只是上传现场设备信息，下达中央站的控制命令。一台中央计算机 操纵着整个系统的工作。中央站采集各分站信息，作出决策，完成全部设备的 控制，中央站根据采集的信息和能量计测数据完成节能控制和调节。 第二代：d c s 集散控制系统 随着微处理机技术的发展和成本降低，d g p 分站安装了c p u ，发展成直接数 字控制器d d c 。配有微处理机蕊片的d d c 分站，可以独立完成所有控制工作， 具有完善的控制、显示功能，进行节能管理，可以连接打印机、安装入机接口 等。b a s 由4 级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统。集散系统的主 2 武汉理工大学硕十学位论文 要特点是只有中央站和分站两类接点。中央站完成监视，分站完成控制，分站 完全自治，与t | 1 央站无关，保证了系统的司靠性。 第三代：开放式集散系统 随着现场总线技术的发展，d d c 分站连接传感器、执行器的输人输出模块， 应用现场总线，形成分布式输入输出现场网络层，从而使系统的配置更加灵活， 由于技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。b a s 控制网络就形 成了3 层结构，分别是管理层( 中央站) 、自动化层( d d c 分站) 和现场网络层。 第四代：网络集成系统 随着企业网i n t r a n e t 建立，建筑设备自动化系统必然采用w e b 技术，并力 求在企业网中占据重要位置，b a s 中央站嵌入w e b 服务器，融合w e b 功能，以 网页形式为工作模式，使b a s 与i n t r a n e t 成为一体系统。 楼宇控制技术的发展，给空调控制技术的发展也带来了巨大的影响。作为 楼字自动控制的一个部分，在整个楼字设备中，空调作为一个耗能大户。如何 充分利用自动控铺q 技术创造一个舒适、安全的工作环境的同时，最大可能的节 省能源消耗，成为越来越让人注意的焦点。在全球能源日益紧张，又无法找到 新能源的情况下，有效地利用现有的能源只能是节省。因此，应用自动控制技 术节省能耗意义深远。 1 3 研究内容 空调自控系统的意义在于不仅为提供一个舒适、安全的工作和生活的环境。 最重要的是能最大程度的减少能耗、节省运行成本、延长设备的使用寿命。尽 管系统的初投资很高，投资效益不是能马上体现得的。但是随着能源日益紧张， 人力成本的提高，越来越多的用户开始接受。 武汉光电国家实验室空调系统是洁净室的控制系统，不同于一般的楼字空 调控制系统。洁净室的控制系统的要求高于一般的楼宇空调控制系统。除了控 制糟度要求高、控制系统对于干扰的反应速度快。控制内容也多于一般的空调 系统，除了温湿度的控制要求以外，还有正压和洁净度的控制要求。为了在能 达到实验室要求的环境的前提下节省能源。因此，对于洁净室的控制系统的研 究就有重要的实际意义。 武汝理i 夫学硕士学位论文 第二章智能建筑功能分析 2 1 智能建筑概述 高效、安全、舒适和便利是智能建筑的四大优势。这四点集中体现了当今 信息产业、控制技术和建筑学进一步结合。同时也是人们对生活质量要求的提 高的集中体现。 1 9 8 4 年一月在美国康涅狄格州h a r t f o r d 竣工的c i t yp l a c e 大楼的宣传材 料中，第一次出现“智能建筑”( i b ，i n v e l l i g e n t b u i l d i n g ) 一词，标志着“智 能建筑”概念的形成。该大楼以当时最先进的技术来控制空调设各、照明设备、 防灾和防盗系统、垂直交通运输( 电梯) 设备、通信和办公自动化等。除可实 现舒适、安全的办公环境外，还具有高效、经济的优点。大楼的用户可以获得 语言、文字、数据等各类信息服务。而大楼内的空调、供水、防火防盗、供配 电等系统均为计算机控制，实现了自动化综合管理，为用户提供了舒适、方便 和安全的建筑环境。引起全世界的关注。随后，智能建筑及其“建筑智能化系 统”蓬勃发展，以美国和日本最为突出。 智能建筑具有多学科、多技术j 高性能的综合集成特点。智能建筑是指利 用系统集成方法，将智能型计算机技术、通信技术、信息技术与建筑艺术有机 结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其 建筑的优化组合，以合理投资，适应信息社会需求并且具有安全、高效、舒适、 便利、灵活特点的建筑。包括： 建筑设备自动化系统( b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ，b a s ) 通讯自动化系统( c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，c a s ) 办公自动化系统( o f f i c ea u t o m a t i o ns y s t em ，o a s ) 称为3 a 系统，并利用综合布线系统( p r e m i s e sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，p d s ) 连接和控制。 我国的钽能建筑起步较晚，8 0 年代末9 0 年代初，智能建筑的概念刚传入 我国，由于当时我目经济和信息网络发展水平的限制，我国建筑电气、自动控 制、计算机应用等相关专业人员对智能建筑这一概念的认识只是出于学术探讨 阶段。当时建筑设计人员对建筑智能化这一趋势认识不足，没有为建设方提供 与社会发展相适应的新设计思想和新内容，建设方对建筑智能化没有认识和要 求，因而这一时期建设的楼宇今天都面临着改造，因为其通信基础设施已落后 于信息时代的发展需要。 4 武汉理工大学硕士学位论文 9 0 年代中期，随着计算机和信息网络技术的发展，社会各个领域应川计算 j l , r l 网络技术同益普遍。使我国建造智能建筑的技术日益成熟，因而在我【 1 1 迎 筑q k 、房地产业形成了建造智能建筑的热潮“”。 2 2 智能建筑功能 智能建筑作为计算机技术、电子技术、自动化技术和现代通讯技术e 速发 展的产物。它随着科学技术和社会的进步，持续不断的发展和充实新的内容。 随着它在信息化社会中的应用，它为人类社会带来很多质的变化。 首先，智能建筑为人类g j 造一个更为安全、舒适的生活和工作环境。智能 建筑系统中的安防和火灾报警系统能保证提供一个安全的环境。楼宇自控系统 能有效控制空气质量，并能对环境的温度、湿度、压力和照度进行与环境状况 变化的相对应的自动调节。满足人们的学习和工作的需求。提供给人们一个安 全，舒适的环境。 第二：对于一座现代化的办公楼而言，里面的机电设备多而分散，空调和 照明的系统的能耗在众多建筑设备中，以空涌系统的能源消耗最为突出。据有 关统计，写字楼和酒店等商业建筑中空调、照明、电梯等系统的耗能情况大致 如下：空调：写字楼空调耗能占总耗能的比例平均为6 0 ，其下限为5 0 ，上限 不高于7 0 ；酒店h v a c ( 热、通风和空调控制) 耗能占总耗能的比例为4 4 。 照明：写字楼照明耗能占总耗能的比例为2 3 5 5 ，平均2 6 1 酒店照明耗能 占总耗能的比例为2 9 。电梯：写字楼耗能占总耗能的比例为8 ，酒店电梯耗 能占总耗能的比例为l 嘶。作为能源消耗大户的h v a c 系统，如何提高系统的资 源的有效利用，节省能耗。在能源日益紧张的今天有非常重要的意义。由于楼 宇空调控制系统能监控建筑内的所有机电设备，根据实际情况来决定设备的运 行状态，有效的控制能源的无谓的消耗，避免设备的“空转”浪费，达到节能 的真正目的。 第三：现代化的办公环境保证了智能大楼内的办公高效率。在通讯网络的 支持下，在办公自动化平台上，可以实瑶完全意义上的无纸化办公，不仅能提 高效率，而且可以节约成本。由于有快速通讯网络的保证，远程办公及视频会 议等已经成为可能。在办公自动化的基础上，企业不仅可以加强自身的经营管 理，而且可以提高的素质和企业的竞争力1 1 9 。 2 3 智能建筑发展方向 随着与智能建筑相关技术的发展，智能建筑的发展也出现了新的趋势。 武汉理工大学硕士学位论文 一最初的智能建筑指的是智能大厦，随着人类生活水平的逐步提高，近 年来智能建筑逐渐向智能小区的方向发展。随着大量智能建筑和智能小区的 兴建，在一定意义i 二来讲，每一个智能建筑和智能小区由于其相互的独立性， 并不能最大程度的发挥其功能，随着“数字化城市”的提出，有效的将各种智 能化的建筑连接成为一个大范围的智能建筑群，更能体现智能建筑采用先进技 术所带来的功能。 二智能建筑技术的发展带动了与其相关的技术的飞速发展。由于智能建 筑涉及的专业很多，为了与智能建筑进行相关的配套和协调，很多设备越来越 智能化。相关技术的发展也促进了智能建筑技术的发展，随着通讯技术的发展， 无线通讯网络技术已经应用到了楼宇控制系统中来，由于无线通讯网络技术的 应用，对于需要经常变化的系统而言，将带来很大的便利性。 武汉理l ：大学硕士学位论文 第三章楼宇自动化系统基本理论和技术研究 3 1 楼宇自动化系统概述 建筑物自动化系统，又称楼宇自动化系统b a s ( b u i l d i n ga u t o m a tj o i q s y s t e m ) 。它被列为智能建筑的重要组成部分，包含了对空调通风系统、给排水 系统、照明系统等的管理与协调，将对整座建筑的机电设备进行信号采集和控 制，实现大楼设备管理系统自动化，起到改善系统运行品质、提高管理水平、 降低运行管理劳动强度、节省运行能耗的作用”。 高新信息技术和计算机网络技术的高速发展，对建筑物的结构、系统、服 务及管理的最优化组合的要求越来越高，要求提供一个合理、高效、节能、舒 适的工作环境。节能是一项基本国策，也是建筑电气设计全面技术经济分析的 重要组成部分。楼宇自动化系统正是顺应了这一潮流，它的建立，对于大厦机 电设备的正常运行并达到最佳状态，以及大厦的防火与保安都提供了有力的保 证。同时，依靠强大软件支持下的计算机进行信息处理，数据分析，逻辑判断 和图形处理，对整个系统作出集中监测和控制；通过计算机系统及时启停各有 关设备，避免设备不必要的运行，又可以节省系统运行能耗。这样，b a s 的主 要目的就是：提高系统管理水平，节省运行能耗。 当前现代化大厦就空调系统而言，是一栋大楼耗能大户，也是节能潜力最 大的设备。从统计数据来看，中央空调系统占整个大楼的耗能5 0 以上，而大 楼装有楼宇自动化系统( b a s ) 以后，可节省能耗约2 5 ，节省人力约5 0 。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。当前 随着建筑物规模增大、标准提高，大厦的机电设备的数量也急剧增加，这些设 备分散在大厦的各个楼层和角落，若采用分散管理，就地监测和操作将占用大 量人力资源，有时几乎难以实现。如采用楼宇自动化系统，利用现代的计算机 技术和网络系统，实现对所有机电设备的集中管理和自动监测，就能确保楼内 所有机电设备的安全运行，同时提高大楼内人员的舒适感和工作效率。 ( 1 ) 延长设备使用寿命 设各在电脑的统。管理下始终处于最佳运行状态，及时报告设备的故障情 况并进行处理：按照设备的运行状况打印维护、保养报告，避免超前或延误维 护，相应延长设备使用寿命；也等于节省了资金。 ( 2 ) 有效加强人员管理 在不采用楼宇自动化的建筑中，操作人员是否及时处理设备故障及维护保 养，有关领导根难掌握；但楼宇自动化系统由电脑统一管理设备，计算机不会 7 武汉理工大学硕士学付论文 隐瞒、欺骗任何人，使有关领导及时掌握第一手资料避免人员管理的各种问 题。 ( 3 ) 保障设备与人身的安全 此系统对各设备的运行进行监测。可使值班人员及时发现故障、问题与意 外；消灭故障于隐患之中，排除意外于防范之中保障设备与人身的安全。 ( 4 ) 充分满足用户需求 可根据用户的需求，适时地调整设备，充分保证用户环境。如果全用人工 调节，一则监测手段滞后，二则调节结果滞后，不可能充分满足用户需求。采 用电脑管理设备，监测手段丰富灵活，反应时问快，可以充分满足用户需求。 3 2 楼宇自动化系统构成 楼宇自控系统一般包括：中央管理操作站系统、冷热源系统、空调系统、 通排风系统、给排水系统、变配电系统、照明及电梯监控系统。 ( 1 ) 冷热源系统 为满足冷负荷变化，在分、集水器之间设旁通平衡阀，旁通量按照一台冷 冻水泵流量设计。在分、集水器之间设水管压差变送器，系统根据分、集水器 问压差变化，自动调节旁通阀开度，维持一定压差，确保空调用水需要。在集 水器总管路设流量传感器，在分集水器处安装水管温度传感器，系统根据冷冻 水供、回水温度差及流量计算冷负荷，进而控制冷水机组的开启台数，使机组 尽量处于额定负荷工作状态，以提高机组工作效率、节约能源。 在冷却塔进出水管路安装温度传感器，在冷却水总回水管安装温度传感器， 根据冷却水总回水温度控制冷却塔启停台数。 一冷水机组的启停指令、运行状态、故障状态； 一冷冻水总供回水温度； 一冷冻水总流量： 一冷冻水泵的启停控制、故障状态；利用水流开关监测水泵状态： 一分水器、集水器压差检测；根据压差调节旁通阀开度； 一冷却水泵的启停控制、故障状态；利用水流开关监测水泵运行状态： 一一冷却水塔的启停控制、运行状态、故障状态； 一冷却水总回水温度； 一根据冷却水供回水温度控制冷却塔风机开启台数； 一b a g 会自动安排机组及系统各设备的领先和滞后次序； 一一当运行中的冷水机组或冷冻、冷却水泵发生故障，b a s 会自动启动各 用设备； 8 武汉理j 大学硕十学位论文 显示各测量参数；g a s 可通过系统的数据转换成各种图象，使用户可 迅速直接地掌握系统各方面情况。 一监测补水箱液位情况： 一一控制设各的定时启动和定时切换： 一记录设备运行时间； 一设定故障报警； 一系统专家诊断。 一一自动累计运行时间，开列维护保养清单； ( 2 ) 热交换盘管监控： 一一检测二次回水温度，调节一次蒸汽电动阀开度： 监测蒸汽温度； 监视热水循环泵故障状态，用水流开关检测运行状态、； 一一系统按程序控制循环水泵启、停及自动转入备用状态： 一一自动累计运行时间，开列维护保养清单； ( 3 ) 空调系统 检测新风、回风、送风温度；检测回风c 0 2 浓度；系统依据回风温度调节表 冷器盘管冷热水阀开度，维持室内温度恒定。 排风机运行状态、故障状态监控及分时间段控制启停。 一一检测空调机组新风、回风、送风温度；检测回风c 0 2 浓度； 一一系统依据回风温度值调节电动调节水阀开度； 一系统监测过滤器压差；堵塞报警；通知清洗或更换； 一空调机组风机运行状态、故障状态监控及分时间段控制启停。 一自动累计运行时间，开列维护保养清单； 一一排风机运行状态、故障状态监控及分时间段控制启停。 ( 4 ) 变配电系统 t 3 a s 监控功能包括： 一一b a s 自动监测两路高压主进线三稆电压、电流、频率、功率因数和有 功电度； 一一监测低压主进线三相电压、电流、有功功率和无功功率； 一一监测高、低压主开关柜开关状态、故障状态； 一一监测高、低压母联开关状态； 一监测变压器温度报警信号； 一一监测柴油发电机启停状态； 一一监测柴油发电机供电电压、电流、功率因数、电量和油箱液位； 9 武汉理 大学硕士学位论文 一一j 监测高、低压母联丌关状态。 ( 5 ) 给排水控制 给排水系统包括：生活水泵、水池、污水坑、排污泵等。b a s 监控水泵的 1 ：作状态，检测水池的液位。当设备发生故障，液位异常时，b a s 将马上 发出报警，记录各案，并自动显示故障的情况和区域，提示工作人员进行 解决。 生活水系统：包括地下生活水池和屋顶生活水箱，2 台生活水泵： 一一系统监测水箱液位，控制生活水泵启停。 一一低液位启泵、高液位停泵； 一生活水泵运行状态、故障状态、启停控制； 污水系统： 一一排污水泵运行状态、故障状态、启停控制； 一一污水池的高低水位检测： 一一低液位停泵、高液位启泵； ( 6 ) 照明及电梯监控系统 系统监测停车场、公共区域、屋顶霓虹灯、外立面灯光照明开关状态、按 时间程序控制启停。 检测照明主回路电流、电压及电度计量。 电梯系统仅实施检测，不参与控制。b a s 检测电梯运行状态、故障状态。 3 3 楼宇自动化系统技术基础 楼宇自动化系统涉及的设备很多，包括电力设备、空调设备、照明设备、 通风设备、给排水设备等。为了对于每类设备进行监控和控制，就必须要设置 相应的传感器，控制技术等。尽管各种设备控制方式不同，但控制原理基本相 同。 3 3 1 检测技术及常用传感器 作为控制技术自卜个重要环节，数据采集就好比人的眼睛。数据采集技术 是将非电量如温度、力( 压力) 、湿度、气体、位移等模拟量转换为数字信号， 再收集到计算机并进一步处理，传送显示与记录的过程，称为“信息采集”， 相应的系统即为数据采集系统( i g 称d a s ) 。 数据采集技术已在非电量检测、通讯、雷达、遥测、勘探、智能仪器、工 业自动控制等领城有着广泛的应用。例如化工企业中用计算机控制生产过程时， 武汉理工大学硕十学位论文 首先由传感器对生产过程中有关参数，如温度、压力、位移等参数进行舱测 然后这些参数经转换电路变换为工业计算机所要求的电流或电压等标准模拟信 号。这些模拟信号由采样保持电路将模拟信号按一定周期，依一定次序逐个采 入，并经放大器、a d 转换器变换成相应的数字量信号，再将这些数字量信g 输入计算机。然后计算机运行相应程序对采集的信息进行综合分析、计算、判 断，并将其处理结果传送到各种执行机构、伺服机构，就能实现各种复杂过程 和系统的自动检测、自动控制和自动调整，这样就可控制整个生产过程了。 数据采集系统原理方框图如图3 - 1 所示，主要电路由传感器电路、信号处 理电路、模一数( 或数一摸) 转换电路以及微机系统等四部分组成。 3 3 1 1 传感器电路 图3 - 1 数据采集系统 传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制( 包括遥 感、遥测、遥控) 的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在 和发展的物质与技术基础。现代传感技术与信息技术、计算机技术并列成为支 撑整个现代信息产业的三大支柱。可以设想如果没有高度保真和性能可靠的传 感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句空话，信息技 术和计算机技术就成了无源之水。目前，从宇宙探索、海洋开发、环境保护、 灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人民群众的日 常生活等等，几乎无一不与传感器和传感器技术紧密联系着。因此，毫不夸张 地说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。 所谓的传感器是指一种具有特殊变换功能的装置，这种装置能够感受、检 测到某种形态的信l 扣并将它变换成为另一种形态的信息。通常把传感器看成 各种机械和电子设备的感觉器官，它能感觉到诸如光、色、温度、压力、声音、 气味、湿度、长度、转角等物理量，酸碱度( p h 值) ，百分比含量等物理、化学 量，心电、心音、脑电、脉相、血液分析等生物信息。从而扩大了人类的视觉、 听觉、嗅觉、触觉和味觉等五官的功能。而且随着传感技术不断发展和新型传 感器的研制成功，传感器功能将日趋完善，有的功能已经超过人类五官的感觉 1 1 武汉理1 人学硕士学位论文 能力和范围。如现在有不少传感器已能应用于人类无法经受的恶劣条件和无法 感知的微弱信息。 传感器电路包括图3 - i 所示部什。其中敏感元件是指能直接感测或响应被 测量的n 1 q ，转换元件是指传感器中能将敏感元件感测或响应的被测量转换成 可用的输出信号的部件，通常这种输出信号以电量的形式出现。而信号调节和 转换电路是把输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号 所涉及的有关电路。有的也称这一部分电路为信号调理电路。 型匣m 董匣严 l 竺j 图3 - 2 传感器的组成框图 传感器种类繁多，原理及构造各异，分类方法亦很多。按照功能分，有单 功能、多功能、智能和仿生传感器；按照所用的材料，可分为半导体、陶瓷、 光学和有机高分子传感器；按所检测信息种类，分为物理量传感器、化学量传 感器和生物量传感器。其中物理量传感器种类最多，它包括力学量传感器( 如力 传感器、速度传感器、位移传感器等) 、光学量传感器( 如图像传感器、红外线 传感器等) 、热学量传感器( 如温度传感器) 、电学量传感器( 如电流传感器、电 压传感器、电阻传感器) 、声学量传感器、磁学量传感器等。 尽管传感器种类繁多，功能各异，但是对传感器的要求是一致的，即：输 出信号与被测量成比例，误差小，反应速度快，迟滞小，受外部干扰小，内部 噪音小，动作能量小，使用寿命长，使用维修方便，成本低等。 传感器常用的几种性能指标是：量程、测量范围、过载能力、灵敏度、分 辨力、误差、非线性、迟滞、重复性以及一致性。 当今传感器和传感技术能得以急速扩大应用，一个是新材料的推出，使得 传感器从单一尺寸发生变化的结构型传感器开始向半导体材料、高分子材料的 固态型传感器演变，这样就使得有可能在小块半导体上集成包括传感器、放大 器、补偿器甚至微处理器。从而向高性能化、智能化方向迈进一大步。另外微 型计算机日益普及和极低的售价，使许多低电平，非线性严重的传感器在高性 能放大器和微型计算机帮助下使其测量糟确度大大提高。 3 3 1 2 信号处理电路 信号处理电路其功能是将传感器输出信号转换为a i d ( 模一数) 转换器所需要 止t 汉理工大学硕士学位论文 的信号，使a d 转换器的变换精度得到充分发挥。主要包括： 1 模拟开关电路用在多路模拟信号共用一个a d 转换器的场合。 2 放大器电路大部分甲片转换器都设计成能接收差动信号，或单极性的 单端输入信号。这些输入信号必须符合规定的输入范围。最常用的输入范围是 0 l o v 及o s t 两种。如果实际输入信号不能跨越整个输入范围，转换器输出 的某些代码就会永远使用不到。这就构成转换器动态范围的浪费，并使转换器 误差对输出的相对影响加大。避免这个问题的最好办法是，首先选择最合适的 转换器输入范围，然后再用一个运算放大器对输入信号进行预换算。在大多数 系统中，通常要对输入信号作预处理。 3 采样一保持器电路采样一保持电路是数据采集系统的基本部件之一，模 数转换器a i ) 对模拟量进行采样与量化的过程需要有一定的时间，也即在转换 时间内，只有保持采样点的数值不变，才能保证转换的精度，用于解决快速变 化的模拟信号与较低a d 转换速度的矛盾。 采样一保持电路是一个具有信号输入、信号输出以及由外部信号控制模拟门 电路。在控制信号作用下，采样一保持电路跟踪采样，并保持输入信号。 3 3 1 3 模一数( 或数一摸) 转换电路 l 数一模转换器( d 强转换器) 在数据采集系统中，不仅需要将被采集的模拟量转变为数字量送入计算机 进行处理，而且也需要将计算机处理后的数字量转变为模拟电压或电感量以再 控制模拟系统的执行机构，或者送入模拟显示，记录等等。因此，需要解决模 拟量与数字量之间相互转换的向题。 2 模一数转换器( d 转换器) 数据采集系统应具有把模拟信号转变为数字信号的功能，所谓数字信号， 是指在时问上和幅值上经过采样和量化的信号。数字信号可用一序列的二进制 数来表示。 模拟信号数字化时，是用一基本量对与基本量具有同一量纲的一个模拟量 进行比较，这一过程称为量化。把量化的结果用代码( 可以是二进制，也可以是 二一十进制) 表示出来，称为编码，这样代码就是a d 转换器的输出结果。 h o 转换器的分蚨率可以用二进制码的位数表示。如一个8 位二进制的a d 芯片，其分辨率为8 位，即该转换器的输出数据可用2 8 个二进制数表示，其分 辨率为1 l s b 。如用百分数表示其分辨率时，其分辨率为 砉x l o o ，了1 x 1 0 0 - 0 3 9 2 武汉理t 大学硕士学位论文 如模拟输入量满量程信号值为i o v 时，则基本量为3 9 2 m v 。 模数( a d ) 转换电路适用于仪器仪表中将模拟量转换为数字量的测黾领域。 比如，可以组装数字电压表、数字秤、数字温度计、数字大气压计等体积小、 重量轻的数字式仪器仪表。也可用于遥测遥控系统、数控系统，担负a d 转换 的任务。 3 3 2 自动控制基本原理及系统组成 3 3 2 闭环控制系统 一般的自动控制系统由被控对象、检测仪表、调节器控制器几个基本部分 组成1 。检测仪表对被控对象的被控参数进行测量，调节器根据给定值与测量 值的偏差并按照一定的调节规律发出调节命令，控制执行器对被控对象的被控 参数进行控制，使被控参数满足要求。这类控制系统就是闭环控制系统，也称 为调节系统。如图3 - 3 所示。 图3 - 3 闭环控制系统原理图 控制系统根据组成机构的不同可分为：单回路系统、多回路系统、比值系 统、复合系统。在榜字控制系统中单回路系统能满足大部分的控制要求，而且 单回路系统结构简单。单回路系统一般指在一个控制对象上用一个调节器来控 制一个被控参数，调节器只接受个测量信号，其输出也指控制一个执行机构。 单回路控制系统框图如下。 图3 - 4 单回路控制系统框图 1 4 武汉理1 1 人学硕士学位论文 3 3 22 控制器调节特性 闭环控制系统控制器( 调节器) 的作用是把测量值和给定值进行比较，得 出偏差以后，根据一定的调节规律汁算出输出信号，控制执行器对被控制对象 进行自动控制，实现对被控变量的调节。 调节器经历了气动调节、液动调节、电动模拟调节、数字调节等不同的发 展阶段，但其基本的控制规律也在不断的改进，但是并没有发生根本的变化。 在楼宇自动化系统中的调节器，控制规律基本上采用的都是位置式、比例式、 积分式、比例