第四章-建筑设备自动化系统资料

第4章建筑设备自动化系统设计 2 本章主要内容 4 1建筑设备自动化系统综述4 2建筑设备控制系统分类4 3建筑设备自动化系统实现原理 4 5建筑设备自动化系统的工程设计 4 6BAS的发展趋势及科研选题问题讨论 3 4 1建筑设备自动化系统综述 4 1 1建筑设备自动化系统的基本概念1 BAS定义建筑设备自动化系统BAS BuildingAutomationSystem 主要内容包括由楼宇机电设备控制构成的设备环境监控系统 由消防系统和保安系统组成的安全保卫监控系统二大块 4 2 BAS基本功能 1 自动监控各种机电设备 如启 停 显示等 2 自动检测 显示 打印并存储各种设备运行参数 3 自动调节各种设备处于最佳运行状态 要求根据外界参数变化而自动调节 4 监控并及时处理各种意外 突发事件 5 实现对各种设备的统一管理 协调控制 6 实现能源管理自动化 7 停车场管理等 5 3 BAS系统的意义和作用 1 节省大规模的能耗 2 延长设备的使用寿命 3 提高楼宇管理水平 4 提高环境的舒适性 5 提高设备的安全性 6 4 1 2建筑设备自动化系统的组成 建筑设备自动化系统有狭义与广义之分从狭义的观点来看 建筑设备自动化系统的内容包括大厦各自动化设备的分系统 如采暖 制冷及空调分系统 照明设备控制分系统 给排水分系统 电梯控制分系统 供配电分系统 停车场管理分系统等 即使是由某些专用控制商提供的产品 建筑设备自动化系统也必须负责其状态监测 7 从广义的观点来看 国际上已经把安全监控系统 SecurityAutomationSystem 简称SAS 与消防监控系统 FireAutomationSystem 简称FAS 纳入BAS的范畴中 在这里由于我国国情 可暂不考虑消防监控系统 建筑设备自动化系统的组成如图4 1所示 8 图4 1建筑设备自动化系统的组成 9 1 变配电系统对智能建筑物供电设备和供电状况进行监控 包括对各级电力开关设备及电柜高低压状态 主要回路的电流 电压及功率因数 变压器及电缆的温度 发电机运行状态等的检测与控制 对故障进行报警等 通过对用电情况的计量和统计利用科学的管理方法 合理均衡负荷 以保障安全 可靠地供电 10 高压进线柜断路器状态DI高压进线柜断路器辅助触点高压进线柜断路器故障DI高压进线柜断路器辅助触点高压进线电压AI电压变送器高压进线电流AI电流变送器高压出线柜断路器状态DI高压出线柜断路器辅助触点高压出线柜断路器故障DI高压出线柜断路器辅助触点直流操作柜断路器故障DI高压出线柜断路器辅助触点直流操作柜电压AI电压变送器直流操作柜电流AI电流变送器高压联络柜母线联络DI高压联络柜断路器辅助触点开关状态 11 高压联络柜母线联络DI高压联络柜断路器辅助触点开关故障变压器温度AI温度传感器低压进线柜断路器状态DI低压进线柜断路器辅助触点低压进线电压AI电压变送器低压进线电流AI电流变送器低压进线有功功率AI有功功率变送器低压进线无功功率AI无功功率变送器低压进线功率因数AI功率因数变送器低压进线电量AI电量变送器 12 低压联络柜母线联络DI低压联络柜断路器辅助触点开关状态低压联络柜母线联络DI低压联络柜断路器辅助触点开关故障低压配电柜断路器状态DI低压联络柜断路器辅助触点低压配电柜断路器故障DI低压联络柜断路器辅助触点市电 发电转换柜断路器DI转换柜断路器辅助触点状态市电 发电转换柜断路器DI转换柜断路器辅助触点故障 13 2 空调系统为了使智能化大楼真正达到舒适 节能的效果 对不同区域的空调系统按事先编制的程序或根据环境温度自动控制建筑物内的中央空调制冷机组 冷却水泵 冷却塔风机 电磁阀门 风机的启停 监视 动态显示和记录各设备的状态 室内外各测点的温度 湿度 压力 流量 二氧化碳含量 空气负离子含量 阀门的开度和运行时间等参数 自动进行故障报警或停机 动态显示有关水泵 阀门 风机的位置和状态等 14 送风机运行状态DI送风机动力柜主接触器辅助触点送风机故障状态DI送风机动力柜主电路热继电器辅助触点送风机手 自动转换开关DI送风机动力柜控制电路送风机开 关控制DODDC数字输出接口到送风机动力柜主接触器控制回路回风机运行状态DI回风机动力柜主接触器辅助触点回风机故障状态DI回风机动力柜主电路热继电器辅助触点回风机手 自动转换开关DI回风机动力柜控制电路回风机开 关控制DODDC数字输出接口到回风机动力柜主接触器控制回路 15 空调冷冻水 热水阀门调节AODDC模拟输出接口到冷热水电动阀驱动器控制口加湿阀门调节AODDC模拟输出接口到加湿电动阀驱动器控制口新风口风门开度控制AODDC模拟输出接口到送风门驱动器控制口回风口风门开度控制AODDC模拟输出接口到回风门驱动器控制口排风口风门开度控制AODDC模拟输出接口到排风门驱动器控制口防冻报警DI低温报警开关过滤网压差报警DI过滤网压差传感器 16 新风温度AI风管式温度传感器新风湿度AI风管式湿度传感器室外温度AI室外式温度传感器回风湿度AI风管式湿度传感器回风温度AI风管式温度传感器送风温度AI风管式温度传感器送风风速AI风管式风速传感器送风湿度AI风管式湿度传感器空气质量AI空气质量传感器 CO2 CO浓度 17 3 照明系统按程序对各楼层的配电盘 办公室照明 门厅照明 走廊照明 庭院或停车场处照明 广告霓虹灯 节日装饰彩灯 航空照明等设备自动进行启停控制 自动实现对照明回路的分组控制 用电过大时自动切断电源 对厅堂和办公室等地进行 无人熄灯 控制等 18 室外自然光照度测量AI自然光传感器分区照明电源开 关控制DODDC数字输出口分区照明电源运行状态DI分区照明电源接触器辅助触点分区照明电源故障DI分区照明电源接触器辅助触点分区照明电源手 自动状态DI分区照明电源控制回路航标灯电源开 关控制DODDC数字输出口航标灯电源运行状态DI航标灯电源接触器辅助触点航标灯电源故障DI航标灯电源接触器辅助触点航标灯电源手 自动状态DI航标灯电源控制回路 19 景观照明电源开 关控制DODDC数字输出口景观照明电源运行状态DI景观照明电源接触器辅助触点景观照明电源故障DI景观照明电源接触器辅助触点景观照明电源手 自动状态DI景观照明电源控制回路分区事故照明电源开 关控制DODDC数字输出口分区事故照明电源运行状态DI分区事故照明电源接触器的辅助触点分区事故照明电源故障DI分区事故照明电源接触器的辅助触点分区事故照明电源手 自动状态DI分区事故照明电源控制回路 20 4 电梯控制系统电梯是建筑物内交通的重要枢纽 对带有完备控制装置的电梯 将其控制装置与楼宇自动化系统相连接 与实现相互间的数据通信 使管理中心能够随时掌握各个电梯的工作状况 并在火灾 保安的特殊场合对电梯的运行进行直接控制 21 电梯运行状态DI电梯控制箱运行状态输出口电梯运行方向DI电梯控制箱运行方向输出口所处楼层DI电梯控制箱所处楼层输出口故障报警DI电梯控制箱故障报警输出口紧急状况报警DI电梯控制箱紧急状况报警输出口电梯运行的开 关控制DODDC数字输出接口消防控制DO消防联动控制器的输出模块 22 5 消防系统消防系统实施对建筑物内消防栓 喷淋水 消防水泵 稳压水泵 火灾烟感 温度探测报警器 防火排烟阀 消防电话等设施联网进行监视与自动控制 一旦出现火灾 消防系统除了自身立即切换到消防模式 自动进行相应动作之外 还应立即通过楼宇自动化系统 向变配电 排给水 空调 电梯 保安等相关系统发出进入消防模式的命令 由这些设备自身的控制系统来协调和实现消防动作 23 6 给排水系统对各给水泵 排水泵 污水泵和饮用水泵的运行状态 各种水箱及污水池的水位进行实时监测 通过对给水系统压力的监视及其水位 压力状态 启停相应的水泵 以保证给排水系统的正常运行 24 R3 R2 R1 T3 T2 T1 C KA1 KA1 KA1 D DZ TC 低水位 高水位 8 4 3 2 1 5 6 7 正常 T2截止 T1导通 KA1有电高 低 水位T2导通 T1截止 KA1无电 25 7 停车场管理系统停车场管理常采用读卡方式 内部车库不计费时 汽车经读卡器确认属该系统后 即可进入停车场 另一种为停车计费方式 通常分为两种计费方法 一种是当汽车读卡器进入车库后即开始计时 在出口处按时收费 另一种是在停车场的每个车位设一车位传感器 当车停在车位时开始计时 当车辆同一车位时计费停止 26 8 保安系统保安系统一般包括视频监视系统和安全保卫系统 它们通过对闭路电视监视 出入口控制 防盗报警 保安巡逻等手段 辩识出运行物体 火焰 烟和其他异常情况 并立即进行报警及自动录像 一旦有情况 自动对出入口门进行控制 启动自保护措施 最大限度地保证安全 27 9 监控中心智能化大楼自动化是由各个子系统组成的 子系统之间相互协调 具有互操作的特性 监控中心的服务站的主要功能就是对这些子系统进行集中管理和协调 共同组成一个完整的控制网络 28 10 信息系统信息系统主要是对整个大楼的Internet网络进行监控和管理 首先要对网络设备进行监控 保证对外信息畅通 其次要保证本大楼重要资料的信息安全 最大限度地防范网络黑客的进攻和破坏 楼宇自动化系统应该是一个开放的系统 大楼网站和楼宇自动化系统相连 可以实现楼宇的远程监控 从而使大楼监控人员对大楼的监控不受时间和地点的限制 29 1 BAS的系统结构智能建筑的核心是系统集成 BAS与CAS OAS相似 各系统均分别采用计算机控制与管理 并联网运行 各子系统自成智能体系 系统之间亦联网 智能建筑3A系统结构见图4 2 4 1 3建筑设备自动化系统的结构 30 图4 2智能建筑3A系统结构图 31 2 BAS体系结构按系统规模及管理和控制方式可分为三种类型 1 集中式BAS集中式BAS将所有现场信号集中于同一场地 通常由一台工业控制计算机 通过过程通道实现集中数据采集和控制 并实现异常状态报警 报表生成 费用计算等基本设备管理功能 由于单机处理能力有限 或是不适宜管理人员进入的场地 如变电站 集中式BAS更多地采用双机结构来实现 32 33 2 分布式BAS分布式BAS是目前广为采用的BAS体系结构 它的特点是分布控制 集中管理 体系结构具有层次化的特征 34 35 3 综合化BAS特点是分布控制 综合化管理 它以传统的分布式BAS为基础 通过计算机网络与OA CA系统整合 因而能够支持综合化服务和管理功能 如多功能电话 OA终端的远程操作 综合计费等 整个系统用楼字自动化局域网 BA LAN 连接起来 以网络的单机数据库代替了传统集中式数据库 36 37 4 2建筑设备控制系统分类 4 2 1计算机控制系统 38 1 直接数字控制系统DDC DirectDigitalControl 直接数字控制系统是计算机的过程输入 通过控制算法得到控制输出后 以计算机取代模拟调节器 直接通过接口控制执行机构 从而实施对现场被控过程的控制 使被调量保持在给定值 主要用于较小的回路控制 DDC系统由被控对象 生产过程 检测仪表 执行装置和数字控制调节器组成 39 40 2 设定值控制系统 SCC 设定值控制系统是根据过程输入和控制算法求得一个指导性的设定值 再以其来规定回路控制的目标值 最后由回路控制设备 自动化仪表或DDC级计算机 完成具体的控制输出 因此SCC属于层次较高的间接控制 SCC和DDC都是闭环控制系统 但是控制的层次有所不同 41 设定值控制系统 SCC SupervisoryComputerControl SPC SetPointControl SCC系统有两种结构形式 即SCC 模拟调节器和SCC DDC控制系统 42 给定值测量值 A D 多路开关 检测元件 生产过程 T T SCC SCC 模拟调节器控制系统原理图 T表示模拟调节器 报告 管理命令 43 给定值测量值 A D 多路开关 检测元件 SCC SCC DDC控制系统原理图 生产过程 DDC D A 逆向多路开关 管理命令 报告 44 3 集散型控制系统DCS集散型控制系统DCS Distributedcontrolsystem 以多台计算机分别承担不同的控制功能和处理范围 不仅使处理能力大大提高 而且将危及系统安全的因素降低 45 图4 8DCS系统结构图 46 现场总线控制系统FCS是一种全数字 半双工串行双向通讯系统 作为一种局域网 用于连接现场智能仪表 其信号传输采用全数字化 见图4 9 4 2 2现场总线控制系统FCS Fieldbuscontrolsystem 47 图4 9现场总线控制系统的结构形式 48 DCS虽然号称是分布式控制系统 但事实上DCS只是做到了半分布 测控层并没有实现彻底分布 控制依赖于控制站 而FCS系统结构是全分散式的 它将DCS中现场信息的4 20mA模拟量信号传输变为全数字双向多站的数字通讯 放弃了传统的集散控制系统所必需的输入 输出模块和现场控制站 因此DCS是半数字化系统 而FCS则是全数字化系统 49 有人预测 基于现场总线的控制系统FCS将取代DCS而成为控制系统的主角 但也有人认为 在现场总线出现以后 现场控制站将向总线结构发展 其控制功能将进一步分散到现场设备上 而现场控制站的主CPU则越来越像一个通讯控制器 因此说DCS将被FCS取代 还不如说DCS将向更加分散化的方向发展 DCS与FCS结构示意图4 10所示 50 51 4 3建筑设备自动化系统实现原理 52 53 1 高压配电子系统监控变配电子系统采用双路供电和柴油发电机组成的供电保障系统 主要监测点有 1 双路高压供电的进线开关状态 为开关量DI 2 母联柜与出线柜开关状态 为开关量DI 3 主供电电源的电流 电压监测 为模拟量AI 4 3 1变配电及电源监控子系统 54 图4 12变配电及电源监控子系统 55 Y 1段220 380V 1TM1600kVA 自总变压器10KV 1段 Y 2段220 380V 2TM1600kVA 自总变压器10KV 2段 应急段220 380V 柴油发电机400KW 380V ATS 某综合楼供电系统方案 56 低压配电屏 低压配电屏 低压配电屏 a 放射式配电系统 b 树干式配电系统 c 混合式配电系统 低压配电方案 57 2 低压配电系统监控主要监测点有 1 双路高压经变压器降压成380V电压后 进入各自的低压进线柜 每路低压开关柜 有DI监测信号 2 双路低压侧主进处的电压 电流 功率 用电量 频率的监测 为AI监测信号 3 发电机供电低压开关柜 有DI监测信号 4 对发电机的监测 为AI监测信号 5 变压器温度监测AI 58 图4 13低压配电系统监控 59 配电线路采用380 220V三相四线制供电 包括 1 双电源切换照明配电箱 设备启停DO 设备控制状态DI 2 照明配电箱 设备启停DO 设备控制状态DI 3 立面照明配电箱 设备启停DO 设备控制状态DI 4 庭院照明配电箱 设备启停DO 设备控制状态DI 4 3 2照明管理系统 60 图4 14照明电源供电与状态监视 61 1 空调机组监控功能 1 风机控制 由系统按每天预先编排之时间 假日程序来控制风机启停 2 温度控制 使送风温度维持在允许偏差范围之内 3 风门控制 新风 回风风门控制调节 4 监测 回风温度 新风温度 新风湿度 风压差 设备启停状态 设备控制状态 温度 湿度 5 报警 过滤器阻塞报警 设备故障报警 6 显示与打印 参数状态报警 动态流程图 4 3 3空调机组监控 62 空气热湿处理系统 房间 房间 房间 其余房间 送风 回风 风机 回风 新风 排风 混合方式 中央空调系统的运行方式 63 图4 15二管制空调机组监控图 64 2 新风机监控功能 1 风机控制 由系统按每天预先编排之时间 假日程序来控制风机启停 2 温度控制 根据回风温度与设定值的偏差来调节电动阀 使送风温度维持在允许偏差范围之内 3 监测 送风温度 设备启停状状 设备控制状态 4 报警 过滤器阻塞报警 设备故障报警 5 显示与打印 参数状态报警 动态流程图 65 图4 16新风机组监控原理图 66 3 变风量末端装置 VAVBox 监控功能VAV VariableAirVolume 系统一般由带变频调节电机的空调机组和变风量末端装置组成 监控内容包括控制风机的启停 并监视其启停状态和控制状态 根据室内温度的测量值 调节风门大小和水阀的开启度来实现对温度的控制 使室温保持稳定 67 图4 17带盘管的变风量末端监控原理图 68 4 3 4中央直燃机组监控 监控内容包括中央直燃机组 冷热水泵 冷却塔 由压缩机 冷凝器和蒸发器组成的燃气发动机驱动热泵系统 GEHP 既向楼宇提供冷热源 也通过将冷冻水注入水冷风机盘管来吸收空气中的热量 以热水注入风机盘管来加热空气 从而调节楼宇室内的温湿度 其中 中央直燃机组通过串行接口与系统通讯 中央直燃机组的部分监控内容见表4 1 69 压缩机 低压蒸汽 高压蒸汽 低压液体 高压液体 放热液化 吸热汽化 冷凝器 冷却水 冷冻水 蒸发器 供水水温32度 回水水温12度 供水水温7度 回水水温37度 冷媒 制冷剂 膨胀阀 压缩式制冷机原理图 70 表4 1中央直燃机组的部分监控内容 71 4 3 5给排水系统与恒压供水 监控对象为各类水池和水箱的工作状态 见表4 2控制原理图如图4 18所示 72 表4 2给排水系统监控内容 73 图4 18控制原理图给排水系统 74 图4 19全自动变频调速恒压供水系统原理图 75 4 3 6电梯控制 图4 20电梯控制原理图 76 4 4 1控制器 4 4产品介绍 77 远程楼宇控制器 远程楼宇控制器 RBC 是S600顶峰楼宇管理和控制系统的有机组成部分 在不以较高层级处理器的情况下 现成控制器可独立操作或联网以完成复杂HAVC控制 监视和能源分配管理等功能 78 MC5000楼宇自控系统 GD 8000智能楼宇控制系统 79 LCU300智能电梯控制器 LCE200电梯扩展控制器 80 报警控制器AIO 168 报警控制器APA 16 报警控制器APD 16 报警控制器ARM 16 报警控制器ASA 72 81 温度传感器 相对湿度传感器 水流传感器 POLYGYRAce温度控制器 水流量计 4 4 2传感器执行器系列 82 RCV系列风机盘管温控器 电子感温探测器 光电烟感探测器 83 电压变送器 电压流变送器 无功功率变送器 84 4 4 3Lonworks系列产品 Lonworks神经元芯片 LTM 10LonTalk模块和母板 85 86 87 LonWorks双绞线控制模块 LTS 20串行适配器核心模块 PSG 20可编程串行网关核心模块 88 RTR 10路由器核心模块 LonPoint路由器 CVX 232通讯转换器 习题 4 5建筑设备自动化系统的工程设计 90 4 5 1建筑设备自动化系统设计的基本要求 1 BAS系统设计应根据建筑物的整体功能需求和物业管理方式确定控制水平 根据建筑物内的不同区域的要求和被控系统的分布特点 选择技术先进 成熟可靠 经济合理的控制系统方案和设备 2 BAS系统设计与施工应遵循国家有关标准和规范 3 对于不同建筑的不同机电系统 应选择不同的控制方案 以最大限度的满足机电系统的要求 91 4电缆的选择与敷设BAS系统中的中央操作站与现场控制器DDC及现场控制器之间采用截面积为1 0mm2的RVVP聚乙烯绝缘 聚氯乙稀护套铜芯电缆或DJYP2V计算机专用通讯电缆 DDC与现场控制设备如传感器 阀门之间的控制电缆 一般采用1 1 5mm2聚氯乙稀绝缘 聚氯乙稀护套铜芯电缆 是否需要采用软线及屏蔽线应根据具体设备而定 DDC与就地仪表 阀门的信号线的规格和芯数 亦随具体控制系统设备与控制要求而定 92 5现场控制器DDC的设置原则计布线方式 1 DDC的设置应主要考虑系统管理方式 安装调试维护方便和经济性 一般按机电系统的平面布置进行划分 如布置在 冷冻站 热交换站 空调机房 新凤机房等控制参数较为集中之处 也可根据要求布置在弱电竖井中 箱体一般挂墙明装 2 每台DDC的输入输出接口数量与种类应与所控制的设备要求相适应 并留有10 15 的余量 93 6BAS中央控制室要求 1 BAS中控室的位置 应尽量靠近控制负荷中心 注意远离变配电室等电磁干扰源 并注意防潮 防震 BAS中控室可与消防中心 保安监控中心等合并组成楼宇控制中心 此时位置应满足消防中心的要求 94 2 BAS中央控制室室内设备布置时应满足 a控制台前应留出大于3米的操作距离 控制台离墙布置时台后应留出大于1米的检修距离 并注意避免阳光直射 b当控制台横向排列总长度大于7米时应在两端各留大于1米的通道 c当控制室内安装模拟显示屏时应留有足够的安装和观察面积 d当BAS系统单独设置不间断电源 并采用集中供电方式时 应考虑放置电源设备的面积和位置 e应适当考虑工作人员值班 维修及休息所需的面积 95 3 BAS中央控制室其他要求 a控制室