楼宇自控基础1

1、楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇施耐德电气TAC孙靖楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇主要内容主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC C/S & B/S楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇主要内容主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC C/S & B/S楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇什么是楼宇自控系统什么是楼宇自控系统楼宇自控系统（BAS-Build

2、ing Automation System）又称为建筑设备自动化系统，它是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现建筑物设备和实施的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足广大使用者的需求。 楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇采用楼宇自控系统采用楼宇自控系统 是大型建筑物监控的必然趋势是大型建筑物监控的必然趋势 建筑物规模的增大（高度与面积） 建筑物的多功能使用 使用者对建筑物的服务要求多样化（环境的舒适性、沟通的便捷性、生存空间的安全性、设施服务的完善性、管理组织的严密性等） 服务性能要求日趋提高 建筑物内部建筑设备的复杂性（V

3、AV、群控、节能等）楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇广义广义BA系统的组成系统的组成楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇狭义狭义BA系统系统国外消防、安保等系统都属于BA的子项，但国内考虑到安全性、行业划分等原因，属于独立的系统。停车场控制与广播控制系统一般也自成系统。国内狭义的BA系统主要包括电力供应与管理系统、照明控制管理系统和环境控制与管理系统等由各系统承包商利用DDC控制器或PLC控制器对其进行监控和管理的子系统。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BA系统功能系统功能 设备运行监控 节能控制 设备信息管理与分析楼宇自控基

4、础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇设备运行监控设备运行监控 利用分散在控制现场的控制器完成设备本身的控制。 通过现场总线实现设备之间的通讯和互操作。 中央控制站集中显示和管理各控制点的状态和参数，并对整个系统进行控制和配置。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇设备运行监控的作用设备运行监控的作用 自动、远程控制，减少人力 加快系统响应时间 提高控制精度 方便物业人员对整个系统的把握 发生故障时自动报警进行处理楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇节能控制节能控制能耗分析能耗分析建筑物的能耗达整个国家能耗总量的27.4%（其中公共建筑物约占10%

5、）。目前我国年平均能耗150200Kw.h/m2，而欧洲6065Kw.h/m2。建筑物的能耗则体现在建筑设备的能耗上。冷热源与空调49%给排水15%厨房电器5%照明18%其余6%电梯7%给排水冷热源与空调照明电梯厨房电器其余楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BAS的有效节能手段的有效节能手段 最优设备投运台数控制 最优启停控制 焓值控制 工作面照度自动控制 公共区域分区照明控制 供水系统压力控制 温度自适应设定控制 VAV 冰蓄冷等楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BAS的节能控制效果的节能控制效果 通过有效控制可节约建筑物20%左右的能耗 有效地使

6、用和发挥BA系统的功能，降低能耗保护环境，是可持续发展战略的重要实施环节 节能控制方式能有效地减少设备的运行时间，降低设备的磨损与事故发生率，大大延长了设备的寿命，其间接减少设备维护与更新费用的作用也是巨大的楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BA的观念转变的观念转变 BA发展初期，人们认识到，由于BA系统收集到大量数据，为充分利用这些数据，增加利润，许多BA厂商开始致力于推广能源分析与管理系统、在线故障诊断等高端应用。（功能拉动应用） 但是欧洲从能源危机后，许多国家开始重视能源管理，推出了许多能源审计和能源标准。目前，欧美能源管理的需求反过来促进了BA的发展。（需求推进应

7、用） BA系统在能源管理与控制方面的许多应用已经突破了BA本身的控制内容，进一步渗透到建筑结构、暖通设计、照明设备等的设计、改造领域。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇设备信息综合运用水平设备信息综合运用水平 国内BA系统的设计目标大多定位在运行控制与管理，对建筑设备与系统状态检测点的确定仅是运行控制所必需的信息，功能以运行监控为主 如果不能全面及时地掌握各设备系统的信息，就不能进行综合分析，不能进行故障诊断，尤其是对于渐发性的故障不能提出预警 设备运行信息的综合分析有利于物业设施管理的设备故障诊断、设备运行状态优化、设备维护保养、降低设备能耗、提高服务质量等诸多工作项目

8、楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇主要内容主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇直接数字控制系统的组成直接数字控制系统的组成楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇闭环计算机控制系统闭环计算机控制系统楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇PID（比例（比例/积分积分/微分）控制算法微分）控制算法 模拟调节器的理想PID算法： 计算机系统中的差分PID控制算法：tdipdttdeTdtteTteKtu0)()(1)(

9、)(kjdipTkekeTTjeTkeKku0) 1()()(1)()(e(t)：偏差u(t)：控制量Kp：比例放大系数Ti：积分时间常数Td：微分时间常数e(k)：第k次采样所得偏差值e(k-1)：第k-1次采样所得偏差值u(k)：第k时刻的控制量楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇PID的几种控制效果的几种控制效果楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇继电器控制算法继电器控制算法楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇集中控制系统的不足集中控制系统的不足整个系统的控制、管理依赖于中央控制站，一旦中央控制站崩溃，整个系统将陷入瘫痪；全部控

10、制运算功能由中央控制站控制主机完成，对控制主机中断优先级、分时多任务操作等控制都提出了极高的要求，同时控制主机的运算处理能力限制了整个控制系统的规模和实时响应能力；所有现场采集的数据都要通过网络系统传送给控制主机进行处理，然后由控制主机发出命令指挥现场执行机构的动作，信息传输线路长、网络传输数据量大，当系统监控点数较多时实时响应能力差。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇集散控制系统集散控制系统基本思想：集中管理、分散控制楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇集散控制系统的组成集散控制系统的组成操作管理装置通讯装置分散过程控制装置楼宇自控基础楼宇自控基础自

11、动控制及网络篇自动控制及网络篇集散控制系统的发展集散控制系统的发展70年代，以Honeywell TDC-2000为代表的第一代产品（分散过程控制器、良好的人机界面、数字通讯系统）；第二代DCS产品最主要的改进是从主从式星型结构转变为对等的总线结构（算法扩充、过程操作范围扩大、多处理器应用）；第三代DCS产品向上能与MAP与Ethernet接口，相下支持现场总线，从而打破了“信息孤岛”（算法上增加了自适应、自整定等功能，支持第三方应用软件）。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇DCSDCS层次结构层次结构 操作员站（图形/系统组态、数据分析与决策、报表生成与报警） 数据通讯

12、（分层结构满足不同场合的需求） 分散过程处理装置（数学运算、逻辑运算、时间控制、输入输出控制、PID运算、专用处理模块等）楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇主要内容主要内容楼宇自控概述自动控制原理及集散控制系统BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC C/S .&. B/S楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇典型楼宇自控网络系统典型楼宇自控网络系统楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇名称通讯速率 通讯距离Bitbus62.5Kbit/s2.4Mbit/s30m1.2kmProfibus500Kbit/s1.2

13、kmHART3updates/s3kmCAN1Mbit/s110kmL29.61500Kbit/s9.6kmModbus9.9K10M bit/s450m1.5kmSDS125Kbit/s500mControlNet5Mbit/s330kmFF31.25Kbit/s2.5Mbit/s500m1/9kmLonWorks78.8k/1.25Mbit/s130m2.7km现场总线常见类型现场总线常见类型楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇LON总线的基本概念总线的基本概念LON: 全称为Local Operating Networks，即局部操作网络。是由美国Echelon公司推

14、出的，是目前最流行的现场总线之一LonWorks: 是Echelon公司为支持LON总线的设计而开发的一整套完整的开发平台LonTalk: 是LonWorks中使用的开放式通信协议，其最大特点是对ISO/OSI七层参考模型的完全支持LonMark: 是与Echelon公司无关的LonWorks用户标准化组织，按照LonMark设计规范设计的LonWorks产品均可非常容易地集成在一起楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇神经元芯片（神经元芯片（neuron chip）神经元芯片（neuron chip）是LonWorks技术的核心，它不仅是LON总线的通信处理器，同时也可作为

15、采集和控制的通用处理器，LonWorks技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。一个神经元芯片拥有三个单元处理器。一个用于链路层的控制（MAC处理器）；一个用于网络层的控制(网络处理器)；另一个用于用户的应用程序（应用处理器）。另外，还包括11个I/O口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇LonWorks节点节点LonWorks节点包括：应用CPU、I/O处理单元、通信处理器、 收发器和电源LonWorks两种节点的构成形式：1）以神经元芯片为核心的控制节点：一个神经元芯片几乎包含了一个现场节点的大部分功能模块应用

16、CPU、I/O处理单元、通信处理器，因此，一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现场控制节点。2）采用MIP（Host Base）结构的控制节点：对于一些复杂的控制，可将神经元芯片作为通信协处理器，用高级主机资源来完成复杂的测控功能，从而提高节点的运算、控制能力。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇路由设备在路由设备在LonWorks技术中的作用技术中的作用正是由于路由设备的使用，使LON总线突破传统现场总线的限制不受通信介质、通信距离、通信速率的限制。在LonWorks技术中，路由设备包括以下几种：中继器、桥接器、路由器。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控

17、制及网络篇LonWorks控制网络的基本要素控制网络的基本要素Lon网络服务器LNS NSS网络服务服务器 NSI网络服务器接口 LCA对象服务器 LCA数据服务器工作站通讯接口(PCLTA、SLTA等; LonMaker)通讯通道路由器子网节点楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇1.25Mbps 双绞线到网络管理工具1.25Mbps 双绞线电力线1.25Mbps 双绞线到电力线LonMark典型典型LON网络示意图网络示意图楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇LonWorks技术特点包括技术特点包括在一个神经元芯片上可以完成网络和控制的功能。支持多种通

18、信介质（双绞线、电力线、光纤、无线等），以及它们的互连。LonTalk是支持ISO/OSI七层参考模型，提供了一个固化在神经元芯片内的网络操作系统。提供给使用者一个完整的开发平台，这包括现场调试工具LonBuilder、协议分析工具、网络开发语言Nenron C等。由于支持面向对象的编程（网络变量NV），从而很容易实现网络的互操作。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BACnet: 楼宇自动控制网络数据通讯协议（即: A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，简称BA

19、Cnet协议）由美国暖通、空调和制冷工程师协会(ASHRAE ) 组织的 标准项目委员会135P (Stand Project Committee: SPC135P)历经八年半时间开发的。 协议是针对采暖、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时也为其他楼宇控制系统（例如照明、安保、消防等系统）的集成提供一个基本原则。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇随着信息技术及整个信息产业的发展，楼宇自动化系统（BAS）正朝集成化、智能化和网络化方向迈进。现场总线仅对楼宇自控系统的现场控制级网络进行了定义，而楼宇自控系统网络的标准化进程并不满足于现场控制级网络的公开化和标准化，而进一步

20、追求整体通信解决方案的标准化。长期以来，众多厂家各自不同的专有协议阻碍了BAS系统的发展。一个不具备开放性、不能实现互操作的系统给系统的运行、维护和升级改造带来不便。因此，用户期望不同厂家的产品能使用同一种标准通信语言，实现互操作和开放性。 楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇受上世纪70年代能源危机的影响，在楼宇自控系统中，空调与冷热源系统（ HVAC&R）最先意识到开放性标准的重要性。1987年，在美国纽约召开了由楼宇自控领域专家组成的关于“标准化能量管理系统协议”的圆桌会议，会议决定由ASHRAE资助制定一个标准楼宇自控网络数据通信协议。楼宇自控基础楼宇自控基

21、础自动控制及网络篇自动控制及网络篇通过定义工作站级通讯网络的标准通信协议，以取消不同厂商工作站之间的专有网关，将不同厂商、不同功能的产品集成在一个系统中，并实现各厂商设备的互操作，从而实现整个楼宇控制系统的标准化和开放化。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇1987.1 ASHRAE发起成立SPC135p委员会-Standard Project Committee 135p1991.8 第一个公开评审草案标准1994.3 第二个公开评审草案标准1995.3 第三个公开评审草案标准1995.6 正式成为 ASHRAE 标准1995.12 被批准为美国国家标准，并正式命名为AN

22、SI/ASHRAE 135-1995标准2002.1 正式发布新版本 ANSI/ASHRAE 135-2001标准2003.1.18 成为 ISO 的正式标准 ISO16484-5楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BMA - BACnet 制造商协会 非赢利性学术组织，致力于推进楼控系统的开放，通过互操作性试验、教学媒体和奖励活动，促进BACnet在楼宇自控系统中 的成功应用。BTL - BACnet 测试实验室 负责检验产品是否符合 BTL 基于 ASHRAE 标准的要求， 符合 BTL 要求的产品才能进入BTL 列表， 并向行业发布符合 BACnet 标准的产品。 的

23、一个相关标准 - “ASHRAE 135.1P BACnet 一致性测试方法”就是由该机构授权。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇对象是楼宇自控设备的模型化和抽象化的描述。BACnet对象为不同属性（Property）组成的集合，实质上就是一个由数据项组成的数据结构。对象的属性是楼宇自控设备互操作过程中所表现的外部特性的反映。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇标准对象是BACnet所定义的最常用的对象，是表示具体楼宇自控设备的基本元素。实际具体的楼宇自控设备可以“映射”为不同的BACnet标准对象实例的组合。 BACnet在1995年的第一个正式版本

24、中定义了18种标准对象。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇11个“Device”对象实例 1个“Analog Input”对象实例楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇应用层网络层 ISO 8802-2(IEEE802.2)类型1 MS/TP（主从/令牌传递） PTP（点到点协议） ISO 8802-3（IEEE 802.3）ARCNETLonTalk EIA-485（RS485) EIA-232（RS232）应用层网络层 数据链路层物理层的协议层次对应的OSI层次楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及

25、网络篇自动控制及网络篇在楼宇自控网络环境中， “对象”作为一个抽象的互操作接口，楼宇设备间的互操作可以看作是BACnet对象之间的信息交换。对BACnet对象的访问必须定义操作的“命令”或“消息”，这种“命令”或“消息”就定义为“服务”。通过“服务” ，BACnet设备就可以读/写另一个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操作。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BACnet在1995年的第一个正式版本中定义了35个“服务”，分为6个功能组： 对象访问服务组（Object Access Services ）； 远程设备管理服务组（Remote Device Manageme

26、nt Services） ； 文件访问服务组（File Access Services） ； 安全服务组（Safety Services）； 报警和事件服务组（Alarm and Event Services）; 虚拟终端服务组（ Virtual Terminal Services）。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇 BACnet网络层位于多种局域网技术之上，其作用是屏蔽不同局域网的差异，并向应用层提供统一的“视图”。BACnet 网络层的互联设备包括BACnet路由器和半路由器，其作用是连接BACnet网络，形成BACnet互联网络。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及

27、网络篇自动控制及网络篇BACnet互联网结构楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇BACnet局域网的作用是传输BACnet服务数据单元。BACnet标准根据性能价格比定义了四种局域网和一种远程连接技术。楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇综上所述， BACnet标准可概括为：BACnet标准对象模型应用层服务网络层多种局域网楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇楼宇自控基

28、础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇Native 内部以及对外的通讯均为 BACnet 所有 BACnet 设备制造商 均可将他们的设备全透明、无缝地接入网络的任何一个级别 为业主提供最大限度的、长时间的自主性Gateway 网关通常只支持有限量的信息 (点) 信息量的不同，向用户的收费不同 每次新增信息点都需修改网关软件 挂在网关后面的设备仍使用由单一制造商提供的私有协议进行通讯楼宇自控基础楼宇自控基础自动控制及网络篇自动控制及网络篇OPC是英文OLE for Process Control的缩写，意为过程控制中的对象嵌入技术，是一项工业技术规范与标准。 OPC标准是开发者在Windows的对象链接嵌入（OLE, Object Linking and Embedding）、部件对象模块（COM, Component Object Model）、分布部件对象模块（DCOM, Distributed Component O