楼宇自控系统（BAS）设计

摘要目前楼宇自控系统越来越被人们所重视，它可以为大楼管理部门对设备的管理提供极大的便利，也为大楼设备的管理提供强有力的数据支持。为此，作者通过从设计到调试再到使用的过程来研究楼宇自控系统的作用。本系统探讨大楼设备的自动化控制的原理和方式，通过软硬件结合的方式，对大楼的设备进行全自动的控制，提高管理的便利性，降低能源的消耗。本系统在设计过程中以人为本，充分考虑了用户的需求，界面力求简单；使用了傻瓜式人机交互模式，使各个层次的大楼管理人员都能方便使用。关键词：楼宇自动系统,DDC,inexuspro。第1章前言现代化的大楼对楼宇设备的自动化控制程度要求很高；对楼内的环境和舒适等方面的要求也很高。这就对弱电系统等楼内的机电设备的自动化控制程度以及控制精度等提出了很高的要求。智能楼宇BA系统是现代商务楼必然的趋势，己是建筑领域一致的共识。楼宇自控系统控制关系到硬件、软件、管理等诸多方面的因素，这种系统控制必然是逐步深入的过程，而非一蹴而就所能实现的。让一幢大楼的所有设施设备的运行信息集中到一个系统中，实现集中的控制能为管理者提供极大的便利，同时也大大提高工作效率，节省大量的人工，使大楼能够更加的智能化、人性化，能够提供更加优良的环境。1.1课题的来源和目的1.1.1楼宇自控系统的作用恰逢本单位最近参与了一个老楼智能化改造项目，将对一幢老办公楼增设楼宇自控系统，因此我就把这次楼宇自控系统的设计作为研究的课题。如何通过BAS的自动控制、精细化的管理实现节能是楼宇管理中值得我们研究的。智能化的大楼必然具备楼宇自控系统,BAS的一个主要的功能就是节能，目前国内的楼宇中使用BAS逐渐普及，BAS的性能也大幅改进，通过BAS的设计，施工调试及运行维护的优化，能使建筑能耗效率得以显著提高。BAS能实现节能，节省人工，方便管理，延长设备寿命等多种目的。1.1.2传统的楼宇设备控制传统的楼宇设备控制是分散的控制、手动的控制、粗略的控制。如大楼内的冷水机组是通过值班人员通过观察机组参数手动进行加减机组的控制，这既浪费人工又不能及时在负载变化的时候加减冷水机的运行；楼层内的空调机组、新风机组需要通过人工就地进行启停，或者通过定时器进行启停，出风口的温度通过人工调节冷水阀的进行控制或者根据经验把冷水阀长期处于一个固定位置不调节，这既浪费人工，有不能精确的控制出风的温度，浪费能源又影响空调的舒适性；生活水泵和污水泵通过人工巡查的方式进行检查，这浪费人工，又不能及时的发现问题；大楼内照明比较多，分布比较广，对于数量庞大的照明设备，如果采用人工控制的方法，不可避免的会产生该关的时候没关，该开的时候没开的现象，而且浪费大量的人力，且所消耗的能耗也比较大的。1.2系统软硬件的选择 1.2.1DDC简介图1-1DDC系列DDC是直接数字控制器的缩写，楼宇自控系统的现场控制器一般都是DDC，它自身具有计算能力，本地控制功能不依赖于网络。这次我们选择新加坡QA公司的DDC产品，新加坡QA公司的ICON系列控制器是能完全独立运行和联网的DDC控制器，它提供了内置的控制功能，如闭环控制、PID控制、调节型执行器的PI控制、数字输出的恒温控制、数字输入的输入脉冲计数、运行时间累计和时间调度。它具有Q-BUS、LONWORKS、BECNET三个系列产品，这次选用Q-BUS系列在一条通信总线上连接到其他31个DDC控制器。图1-1DDC系列1.2.2INEXUSPRO简介图1-2iNEXUSPRO界面inexusPro是一套功能强大的自动化监控组态管理软件，它能被用于楼宇自控系统，工业控制系统、IBMS系统集成等多个领域，内置了大量的通讯协议，使多种设备系统能和它方便的互联互通，也能很方便的和其它系统集成，它是中英文界面，说明详细，方便从专业人士到初学者的不同程度人士的学习和使用。inexusPro是一个优秀的组态和图形工具，除了本身具有完善的绘图功能外，还可以使用其它的OPC或ActiveX控件来显示对象的数值、色彩及外形的变化，系统还内置了多个行业常规的图标、小视频等的素材供用户在编程的时候使用。系统同时具有局域网和互联网的功能，能够以服务器加客户机的模式运行，也能是服务器加浏览器的模式来运行。inexusPro是一个开放的系统，它建立在微软的COM/DCOM技术之上，而其应用的ActiveX和OPC进一步提高了自身结构的开放性。同时系统提供二次开发的工具，使之不仅成为楼宇自控的应用软件，同时也是一个功能完善的系统集成平台，现已具有大多数常用系统的通讯接口程序，降低了集成工作的开发量。inexusPro具有可靠的安全机制，通过多层次的用户级别划分，制订不同用使用者的权限，保护信息、数据和系统的安全。1.2.3组网模式简介Q_BUS系统是标准的集散控制系统，由三层结构组成，分别由计算机网络和控制系统网络及现场控制器和执行器组成。 系统网络的第一层是计算机网络，根据系统的大小和需要，可以是一台电脑既是服务器又是操作站，也可以由实时服务器、历史数据服务器、若干个操作站等多台电脑以TCP/IP协议组成局域网。这个网络可以是大楼内部独立专用的网络，也可以和大楼的办公网络、互联网进行连接，实现对所控设备的远程监控，甚至掌上移动监控。 系统的第二层是网络服务器iROUTERServer，iROUTER的作用就是把底层网络的数据转换成计算机网络的数据，同时iROUTER具有同步设置和编程的功能，能够进行数据广播及不同底层总线之间的数据交换的工作，能够把上位机统一设置的数据同步下发的各条总线，也能把不同总线上DDC的数据实现逻辑关系。 第三层是现场控制器层，也就是底层网络，由设备现场的直接数字控制器(DDC)联网组成，网络为总线型结构，每条总线最多可以连接31个网络节点，每条总线的理论最长长度为1200M，总线数量理论上没有限制，因此网络规模理论上也没有限制，这为系统的设计、施工和使用带来了便利。如果需要增加数据的可靠性，因为ICON系列DDC为双通讯口结构，也可以使用双总线结构，保证通讯的正常和正确。第2章系统设计2.1楼宇自控系统设计阶段的节能研究暖通系统的节能控制设计，建筑总能耗的40%-60%是暖通系统所消耗，对暖通系统的节能控制设计十分重要。机组群控，本项目采用的是2台冷水机组构成的系统，在楼宇自控系统设计时考虑对2台冷水机组实现群控，通过传感器探测负荷，根据负荷的大小自动切投冷机的运行台数来减少冷水机组低效运行造成的能耗浪费。新风量控制，仅从节能的角度考虑，空气完全的内循环是最节能的，但是为了保证大楼内部的空气质量，一定有足够的新风进入楼内。以上海为例，上海的气候四季分明，在春秋季，有时室外温度可能低于室内温度，这时增加新风量既改善空气质量，又降低系统的冷负荷，从而降低能耗，而在夏季和冬季进入楼内的新风将显著增加耗能量，这时就要通过楼宇自控系统取得一个平衡点，在保证室内空气质量的情况下降低新风阀开度。楼宇自控系统检测室内外的温湿度和室内二氧化碳含量或检测人员密度，通过建立的新风风阀控制模型综合计算比较室内外的焓值、室内二氧化碳含量、人员密度，控制新风机启停，新风阀开启度，达到对新风量的控制。空调冷冻水、冷却水系统的控制，本项目的冷冻水泵为变频泵，在楼宇自控系统设计时需考虑按照负荷和机组开启的台数来确定开启水泵的台数，冷冻水泵按照末端的压差来改变水泵运行的台数及水泵的转速。在保障有足够水流量和保障散热的情况下，尽可能的提高设备能效比。新风机组(FAU)、空调机组(AHU)温度的控制，新风机组（FAU）的温度控制通过在供风管道设置供风温度传感器，通过供风温度来控制冷冻水的电控阀的开度。空调箱（AHU）的温控是通过在回风管处设置温度探头，通过回风温度来控制冷冻水的电控调节阀的开度，或者在供风服务区域合适位置设置多个温度探头，通过DDC计算出这多个温度探头的加权温度平均值来控制冷水电控阀。对照明系统的节能控制设计。除了暖通系统，照明系统也是楼内的耗能大户，楼宇自控系统通过合理的控制，也将能降低建筑的能耗。大楼大部分是办公室，办公室部分上下班时间比较固定。那么在设计的时候首先要考虑和照明系统的设计及施工协调，看能不能把照明回路尽可能分散，并在公共区域设置照度传感器和人体感应传感器。在工作时段，人员进出繁多，这个时候通过环境的照度情况来决定开启公共区域照明的回路数，非工作时间，人员走动稀少，在保证必须的最低照度的情况下，通过人体感应传感器来控制短时开启相对应的照明回路。另外大楼内很多办公室和实验室是出租的，深化设计时考虑到节能管理的方便，在通往房间的各个分路设置智能电表，通过智能电表数字可以直接自动控制回路通断，也可以通过中央控制室远程控制分路通断。2.2设备统计 系统的设计首先要统计大楼的设备情况，按照设备图纸或现场情况清点受控设备的数量及分布，针对这幢改造的大楼情况，总共地上有16层，地下有两层。地下室有两套冷水机组，冷水机3台，3台冷冻水泵，3台冷却水泵，3组冷却塔。地下室还有4个集水坑8台污水泵，2台生活水泵，公共照明8路；1楼有2台空调机组，2~16楼每层有1台新风机组，每个楼层控公共照明4路，6楼有送排风机2台，风冷热泵机组3台，屋顶有送排风机5台，大楼还具有水箱、电梯等设施设备。2.3控制功能的确定充分和业主沟通，确定设施设备控制的要求。2.3.1冷水机组控制要求机组的运行参数能远程读取，机组能远程启停。单台机组需实现顺序启动和顺序停止，具体就是开机的时候先启动冷却塔风机，延时后启动冷却泵，再延时后启动冷水机，停机的顺序是先关冷水机，延时后停冷冻水泵，再延时后停冷却水泵，最后停冷却塔风机。自动监测设备负载，自动进行加减机组的控制，单台机组负载到75%以上后自动启动第二套机组，2台机组同时运行时负载低于2台机组总负载的35%，自动停一套机组。2.3.2空调机组的控制要求机组的运行参数能远程读取，机组能远程启停,也能通过时间表调度自动启停，保持空调机组供风区域的舒适性。2.3.3新风机组的控制要求机组的运行参数能远程读取，机组能远程启停,也能通过时间表调度自动启停。保持新风机组供风区域的舒适性。2.3.4风冷热泵机组的控制要求机组的运行参数能远程读取，机组能远程启停,也能通过时间表调度自动启停。机组启动停止能自动控制循环泵按要求自动启停。按照负载自动控制机组的加减机。2.3.5送排风机的控制要求风机的运行参数能远程读取，机组能远程启停,也能通过时间表调度自动启停。2.3.6照明的控制要求照明的状态能远程读取，照明能远程开关，也能通过时间表调度自动控制。2.3.7电梯、水箱的控制要求电梯、水箱的状态及报警数据能够在远程读取。2.4软件站点的设置业主要求设置1个服务器，2个操作站，服务器和操作站以C/S的方式架设，服务器设置在中控机房，操作站一个在监控室，仅具有部分日常使用功能，不能修改参数，另一个操作站设在工程部，具有完全权限。另外要求楼宇自控服务器接入大楼OA系统，有权限的管理层能通过B/S的方式，通过浏览器查看楼宇自控系统的情况。2.5输入输出点位确定按照业主的要求和设备控制的实际情况，确定设备的输入输出点位表2-1系统点位表序号设备数量UIDOAODIAIB2F1公共照明480402集水井480003污水泵824080B1F4生活水泵260205变压器220006冷水机组3154327冷冻水泵3120308冷却水泵3120309风冷机组3963010循环泵31203011热水管道1020112膨胀水箱2400013冬夏季转换4004014公共照明480401F15空调机组212104416公共照明480402~5F17新风机组424208818公共照明4804019室外温度1010020室外湿度101006F21新风机组1652222公共照明4804023送排风机2822224电梯260007~16F25新风机组106050202026公共照明40800400机房层27生活水箱1200028消防水箱1200029冷却塔31505030电梯41600031送排风机52055532公共照明120102.6配置DDC数量新加坡QA的icon系列DDC有46个点位、34个点位、19个点位、16个点位、8个点位这几种，46个点位DDC的主要用于控制冷水机组，34个点位DDC的主要用于控制空调机组、新风机组等，19个点位的DDC主要用于控制简单的新风机、送排风机等，16个点位的是纯数字量输入输出的DDC，主要用于水泵、送排风机、照明回路等的数字量控制。DDC配置的原则以冷水机组、空调机组、新风机组等重要设备来确定DDC类型及数量，注意单台受控设备的所有点位全部接入一个DDC，不出现单台受控设备的点位分散在2个DDC，那么所有控制功能都在同一个DDC中，以避免出现因网络故障原因造成单台设备的控制出现问题。DDC选型要注意留一定的冗余点位，照明等设备如附近控制重要设备的DDC有足够多的空点位，也可共用DDC。表2-2系统DDC配置表序号设备数量备注iCON16iCON19iCON34iCON46B2F1公共照明44共用DDC2集水井43污水泵8B1F4生活水泵21共用DDC5变压器26冷水机组32共用DDC7冷冻水泵38冷却水泵39风冷机组31共用DDC10循环泵311热水管道1共用DDC12膨胀水箱213冬夏季转换4共用DDC14公共照明41F15空调机组22共用DDC16公共照明42~5F17新风机组44共用DDC18公共照明419室外温度120室外湿度16F21新风机组11共用DDC22公共照明423送排风机2124电梯2通讯接口7~16F25新风机组1010共用DDC26公共照明40机房层27生活水箱16共用DDC28消防水箱129冷却塔330电梯4通讯接口31送排风机511共用DDC32公共照明4总计1111932.7规划网络Q-BUS总线每条最多能连31个DDC，每条总线的最长距离不超过1200米，根据功能划分及通讯线最短的原则，这个项目分3条总线，地下室为一条总线，1楼到6楼为一条总线，7楼以上到机房层为一条总线，每条总线的最首端接入一个智能路由器（iROUTER），把底层网络信号转换成TCP/IP网络信号，通过一个交换机，把3个智能路由器、1台服务器和2台操作站电脑组成局域网。DDC控制箱放在受控设备附近，智能路由器的控制箱放置在每条总线的首端第一个DDC箱的附近，交换机和服务器放在中控机房，2台操作站电脑1台放在中控值班室，另1台放在工程部值班室。图2-1系统图第3章系统实现3.1安装调试阶段节能研究楼宇自控系统的调试是一个关键性的工序，包括单调、联调系统能不能达到设计想要的功能，设备能否正常工作都要通过调试来实现。在保证DDC本身正常工作、基本控制逻辑正常工作、网络通讯正常的基础上，通过选择合适的控制参数，可以使受控设备稳定工作在较高能效比的状态。（1）冷热源机组部分控制的调试要实现机组各设备的顺序启停以及相互之间的联锁。根据项目实际的负载情况、机组的配置、负载变化的规律，选择合适的负荷设定点参数和延时参数来自动投切地源热泵机组。使地源热泵机组随负荷的变化自动投切又不会因为负荷的突波变化而频繁自动投切。（2）新风系统的调试，根据设计提供的最小新风量及换气次数要求确定最小新风阀开度（例如最小新风阀开度为10%），确定室内二氧化碳含量的设定值。夏冬季工况，通过探测到的室内二氧化碳含量和设定值比较，在10%~100%的范围内调节新风阀开度。过度季工况，比较室内外焓值，如果室外焓值大于室内焓值，通过二氧化碳含量控制新风阀在10%~100%范围调节，如果室外焓值小于室内焓值，则新风阀全开。(3)AHU和FAU的温度控制通过DDC内部的PID来调节。室内的温度随人员多少、外界温度的变化等情况一直在变化，这个时候选择合适的PID参数就显得极其重要，目前因为多种原因（如工期的限制），通常的做法是采用一套PID的参数来给不同的机型，不同的模式使用，甚至有的系统仅使用比例调节，这就造成温度的控制精度不高或稳定性差温度波动频繁，影响舒适度，浪费能源。制冷和制热工况差别较大，制冷水温10℃左右，制热水温50℃多，换热温差差别较大，这就需要在DDC中建立两套PID参数，根据制冷制热模式的切换来自动选择使用相应的那套参数。每个型号的机组因为换热面积不同，调节水阀的全行程时间不同，制冷量不同，所服务的房间面积不同，需要对每台机组单独设置不同的PID参数。PID参数设置的目标就是通过调整PID的参数使系统的动态特性、静态特性和稳定性选取最优状态。因选用的产品是新加坡厂家的产品，在新加坡只有制冷模式，因此厂家只提供了制冷模式PID参数的经验值，这就需要分别在制冷和制热地工况下，特别是厂家没有提供经验值的制热工况，通过对每台AHU、FAU的PID参数多次调整，观察机组的运行状态，以选取最优的PID参数，使AHU、FAU工作在最优状态。3.2设备输入输出接口的统一设备安装前，和受控设备的厂家充分沟通，确定楼宇自控系统和受控设备的输入输出接口标准，要求受控设备厂家按照标准提供相应的接口，以求数据通讯无障碍。要求数字量输入点为无源干接点型号，数字量输出点为干触点信号，220v1A的触点容量，有源模拟量输入信号为0-5V、0-10V、1-5V、2-10V、4-20mA等信号，无源模拟量信号可以是PT100、1K、10K等可变阻值信号，模拟输出信号是0-10V电压信号。对于电梯等提供通讯接口的设备，要求厂家提供通讯协议技术说明及通讯协议文本。3.3现场DDC编程调试现场DDC编程调试是DDC的单体调试，是楼宇自控系统调试的最基础工作，主要是对每个接入点位进行定义，按照设计要求编程来实现逻辑控制功能，测试连接点位的正确性，测试单体DDC逻辑控制功能的正确性。Icon系列DDC是通过厂家专用的调试软件进行调试，首先对每个点位按照各自用途定义技术规格，用调试软件提供的逻辑块的组合实现逻辑功能。图3-1调试软件界面3.4总线调试总线调试是在单体DDC调试完成的基础上测试整条总线的通讯情况，现场的情况比较复杂，有时单体调试通讯正常的设备，因为现场的各种干扰，施工质量的问题导致总线通讯产生问题，比如变频器的高频干扰对通讯的影响较大，需要把变频器良好的接地，或者在变频器的信号线输入输出端装信号隔离器隔绝干扰。有时施工把强弱电电缆共槽，这也将对通讯造成极大的影响，DDC的通讯线必须是屏蔽线，按照规范的要求单独走线槽。3.5服务器软件的编程设置服务器软件的编程设置是把底层的数据格式导入到服务器软件，使上位机软件能够识别底层数据。配置每条总线，每个网络节点，每个信道的数据格式。图3-2通讯设置界面建立服务器软件的数据库，建立需要的变量，然后把变量和通讯数据连接起来。图3-3数据库建立界面最后设计上位机软件的界面，直观的显示各个受控设备的状态，方便的参数设定界面，让人机界面更加友好，操作更加简便。图3-4上位机操作界面3.6用户权限配置在楼宇自控系统中需要对登录的用户进行权限配置，可以区分有的用户只具有查看的功能，有的用户既可以看又可以控制，也可以按设备分类进行区分，空调工只能查看空调系统的部分，电工只能查看照明相关的部分。本次项目按照管理权限的不同进行配置，工程部人员具有完全权限，主管级人员也具有完全权限，中控值班人员只具有查看的功能。每个人都分配了不同的账号，登录及登出及操作的信息将在记录库中保存。3.7系统联调所有单体调试结束，服务器软件编程完成后，将进行系统联调。这是对楼宇自控系统投入运行前的最后的检验。首先要对上位上所有输入信号输出信号进行校验，看是不是有错误，按照设计要求，通过上位机控制所有受控设备，验证控制功能的正确性，检查受控设备是不是按照设定的逻辑进行联动或运行。第4章系统的使用4.1系统使用阶段的节能研究楼宇自控系统需要有好的运行管理才能发挥系统的作用，达到降低建筑能的目的，还能延长系统正常运行的寿命。室内温度的情况与大楼节能有着紧密的相关性，因此为了降低能耗需要设置合理的温度设定点。建议业主把大厦内部不同的区域由外到内设置阶梯式的温度，如在夏季把大堂温度设为27℃，走廊温度设为26℃，房间温度设为25℃，人由大楼外进入，经过大堂、走廊进入房间，环境温度逐步降低，人体的感觉逐步凉爽，既提供了舒适性,又节省了能源。另外根据大楼办公室的上班时间，通过楼宇自控系统设置空调自动提前半小时启动，自动全开新风阀，把室外清晨凉爽的空气导入室内，把室内污浊的空气排出室外，同时又起到了预冷的作用。对照明系统的运行管理最基础的就是定时控制，运行管理的内容就是根据大厦运营的需要，合理设置照明各回路的启停时间，DDC实现自动开关，避免不必要的浪费。现在的楼宇自控系统对控制回路基本都能提供多段时间表供用户设定，可实现24小时内多次启停的控制。进一步的管理是详细分析大厦内各区域的功能和人员活动情况，通过这些信息的分析来确定各区域需要的照度，按照不同的需要开启不同数量的照明，实现照明的精细化控制。对BAS的运行管理还包括对BAS本身的检查、保养和维修。定期检查各传感器、各执行器、各分站，中央总控站的工作状态是否良好，通讯的情况是否正常，如果发现有故障要及时维修。只有保持BAS各个组成部分始终处于正常的状态，才能发挥BAS的作用。4.2系统使用说明首先系统服务器上软件，待服务器软件启动正常后，在操作站启动用户软件，用户软件启动成功后将显示登录界面，点击进入按钮将弹出登录对话框，输入用户名和密码进入系统。图4-1软件登录页面进入系统后将显示系统图页面，分别点击各个系统将跳转到各个系统的分页面。图4-2软件系统图页面如点击空调机组按钮，将进入空调机组分页面。在这个页面上可以查看这台空调机组的控制模式、手自动状态、运行状态、报警状态滤