1、第第2章章 楼楼 宇宇 自自 动动 化化2.1 楼宇自动化控制技术基础楼宇自动化控制技术基础 2.2 供配电监控系统供配电监控系统 2.3 照明监控系统照明监控系统2.4 暖通空调监控系统暖通空调监控系统 2.5 给排水监控系统给排水监控系统 2.6 电梯与停车场监控系统电梯与停车场监控系统2.7 防雷与接地系统防雷与接地系统2.8 能源管理和控制系统能源管理和控制系统(EMCS) 2.1 楼宇自动化控制技术基础楼宇自动化控制技术基础BAS楼 宇 自 动 化 系 统1.供 配电 系 统2.照 明系 统3.给 排水 系 统4.暖 通 与空 调 系 统5.电 梯 停车 场 系 统6.保 安系 统7
2、.消 防系 统8.物 业管 理高 /低 压 配 电 设 备 报 警系 统 参 数 检 测变 压 器 工 作 状 态应 急 供 电 设 备功 率 因 数 自 动 补 偿给 水 设 备 监 控排 水 设 备 监 控污 水 处 理 系 统水 位 检 测锅 炉 设 备 监 控电 梯 运 行 监 控停 车 场 监 控停 车 场 收 费 系 统设 备 联 动 控 制紧 急 广 播 系 统自 动 监 测 系 统自 动 排 烟 系 统自 动 灭 火 系 统分 区 控 制定 时 控 制事 故 照 明艺 术 照 明自 动 照 明空 调 机 组 监 控冷 热 机 组 监 控空 气 处 理 系 统通 排 风 监 控环
3、 境 检 测防 盗 报 警 监 控巡 更 对 讲 系 统闭 路 电 视门 禁 控 制周 界 设 防 系 统收 费 管 理财 务 管 理信 息 管 理报 表 管 理统 计 分 析图 2.1 假设控制中心是大脑，布线系统是血液神经系统，则建立在自动化控制技术基础之上的各类传感器和控制器就是手脚关节。通过这些自动化单元，可以获得被测对象有关物理、化学性质的信息，并根据这些信息对被测对象进行控制。如传感器、可编程序控制器(PLC)、变送器等。2.1.1 传感器概述在测量的过程中将物理量、化学量转变成电信号的装置叫传感器。而把传感器得到的电信号再转变成标准的电信号的装置叫变送器。传感器、变送器是工业自动
4、化控制及信息检测技术中不可缺少的控制元件。它可以把诸如温度、压力、流量、液位、位置等模拟量或开关量转变成电信号，再由自动化控制仪表或计算机进行控制处理和调节。借助于传感器和变送器，可以对智能建筑的各类参数进行测试和评定，并进行过程控制和调节，还可以进行远距离的传送和信号处理。当前，传感器、变送器总的发展趋势是朝着小型化、多功能化及智能化方向发展。特别是增加了数据处理功能、自诊断功能、软硬件相组合功能、人机对话功能、接口功能、显示和报警功能等。它们在楼宇自动化中得到了广泛的应用。 2.1.2 楼宇自控中的传感器与控制器1楼宇自控中常用的传感器楼宇自控中常用的传感器有如下几种：(1) 温度传感器。
5、温度传感器用于测量水管或风管中介质的温度，以此来控制相应的水泵、风机、阀门和风门等执行元件的开度。(2) 湿度传感器。湿度传感器用于测量风道中介质的湿度，以此来控制相应的加湿阀的开度。(3) 压力或压差传感器。压力或压差传感器主要用来检测水管或是风管中的压力和压差，以此来控制相应的变频器以调整水泵或风机的转速，或是调节比例阀门的开度。(4) 流量传感器。流量传感器主要是检测水系统中液体的流量，以此来控制相应水泵阀的数量。 因为它们都是传感器，所以通常用来控制模拟量，其输出模拟量是010 V或是420 A。它们的结构是传感器和变送器的组合。 除了以上常用的传感器之外，BAS中有时还会用到许多其他
6、类型的特殊传感变送器，如用来检验空气中二氧化碳、一氧化碳浓度等的传感器，用来检测电网中电流或电压的电流电压传感器，用来检测环境明暗程度的照度传感器，还有一些是组合型的传感器，如空气品质传感器、功率因素变送器等等。 2楼宇自控中常用的控制器楼宇自控中常用的控制器有如下几种，它们输出的形式是开关量： (1) 温度控制器。温度控制器主要用来检测现场的温度，一般是由感温元件、控制电路、信号输出等三部分组成的。在楼宇自控中，温度控制器主要用于测量室内的温度，以此控制风机盘管冷、热水阀的启停。(2) 湿度控制器。湿度控制器主要用来检测现场的湿度，一般是由感湿元件、控制电路、信号输出等三部分组成的。在楼宇自
7、控中，湿度控制器主要用于室内的湿度检测，以此来控制加湿阀的启停。(3) 防霜冻保护开关。防霜冻保护开关主要用来检测新风机组或空气处理机中的盘管温度，当温度低于某一设定值时，系统自动关闭风机和新风阀门，同时打开热水电动二通阀来防止盘管的冻结。(4) 压差开关。压差开关主要用来检测新风机组或空气处理机中的滤网，当滤网发生堵塞时，装在滤网两端的压差开关会发出报警信号。(5) 水流开关。水流开关主要用来检测管道内是否有水的流动，通常应用于制冷站、热站、给排水等带有泵类的系统中。 (6) 液位开关。液位开关主要用来检测液体的液位，如清水池和污水池的液位。 2.1.3 阀门与电动执行器在气体和液体的流动控
8、制中，常常用阀门来作为介质流动的控制手段。要想实现自动化控制就得对一些阀门、风门等元件实现自动控制。这就需要用到阀门和电动执行器。1阀门常见的阀门有如下几种：(1) 风机盘管电动阀。这是一种平衡式冷热水阀，主要应用于风机盘管的控制中，这类阀所需的功率最小，是通电开启的一种阀门。阀门的开启时间仅为7 s，具有很好的密闭性，流体允许温度为095。(2) 二通螺纹线性阀。这种阀门主要应用于供热通风和空调，也可以用于饱和水蒸气。它的连接方式是采用内螺纹结构，阀体是纯铜材料。它与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。(3) 法兰式三通阀。这种阀门主要应用于供热与空调，也可以用于
9、饱和水蒸气。它的连接方式是采用法兰结构，阀体与阀座为一体化结构，泄露率极低，适应的温度为2170。它与电动执行器一起可以实现连续的开度调节，是进行自动调节的主要元件。2电动执行器电动执行器有如下几种： (1) 电动阀门执行器。这种执行器适用于HVAC阀门(HVAC：采暖、通风和空调)，内带一个选择正反作用插头，用于提供模拟输出DC 010 V的调制控制。它具有安装快捷、阀门定位准确、低功耗、高的关断压力、终端推力限位开关等优点。电动线性阀门执行器还带有手动调节和精确的同步电动机控制。阀的自身还带有位置反馈的输出信号，可以和阀门组合在一起进行PID(比例积分微分，一种闭环回路算法)调节。通常被用
10、来对液体、气体等介质进行变量的开度控制，它也是自动化控制中的主要元件。(2) 风门执行器。这种执行器用于控制风门、通风百叶窗和VAV装置的调节、浮点控制，可以和标准的圆形和方形的风门连杆进行连接，被广泛地应用在风门的开度控制，特别是在空气处理机和新风机组的回风阀、排风阀、新风阀中实行PID的控制，使之形成一定的比例连锁控制。实际的控制回路中，直接数字控制器(DDC)常常不能直接控制相关设备，中间还要用到其他各种类型的辅助控制器以完成动作，如变频器、继电器等。2.1.4 集散控制系统又称分布式控制系统(DCSDistributed Control System)，它的特征是“集中管理，分散控制”
11、，即以分布在现场被控设备处的各种功能性微机(下位机)完成被控设备的实时监测、保护与控制。该系统克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性；以安装于中央监控室并具有很强的数字通信、CRT显示、打印输出与丰富的控制管理软件功能的中央管理计算机(上位机)完成集中操作、显示与优化控制功能，避免了因常规仪表分散控制而造成的人机联系困难，且便于统一管理。传感器/控制器群针对水、电、气、报警、消防等终端设施进行检测与控制，一般根据监控需求按类或按组控制。对大型DCS，中间还有区域控制中心。 分布式系统将许多台计算机联合起来，共同承担监测与控制管理的工作，所连接的每台计算机既可以独
12、立进行监测和控制工作，又可以在中央控制机指导下工作，还可以与其他计算机协调交换信息，共同完成某项控制任务。其灵活性、可靠性要远高于单台控制器。如图2.2所示，集散型计算机控制系统主要由四部分构成。 本单位相关 职能部门 政府相关职能部 门：如110/119 有关收费部门：如电 力/煤气/自来水公司等下位机传感器/控制器下位机传感器/控制器下位机传感器/控制器中央控制室： 装备了各种上位机、显示系统、 传输控制系统、信息存储、打印 输出、客户查询等设备 图 2.2 1中央管理计算机(或称上位机、中央监控计算机)中央管理计算机设置在中央监控室内，它将来自现场设备的所有信息数据集中提供给监控人员，并
13、接至室内的显示设备、记录设备和报警装置等。由于中央管理计算机是整个BAS的核心，相当于人的大脑，其重要性是不言而喻的。普通商用个人计算机用作中央控制机显然是不合理的。一般为了提高计算机的可靠性通常采用两种方法：一种是直接采用工业控制 计算机；另一种就是采用容错计算机。工业控制计算机(也称IPC)由于采用了特殊的生产工艺和手段,其稳定性是普通商用PC所无法比拟的。而所谓容错计算机就是采用两台普通PC通过互为冗余备份的方法来充当中央控制主机，一旦其中一台PC出现故障，作为备份的另一台主机可立刻被专用的总线控制电路启动，从而不会导致系统瘫痪。2DDC(直接数字控制器，亦称下位机)DDC作为系统与现场
14、设备的接口，它通过分散设置在被控设备的附近收集来自现场设备的信息，并能独立监控有关现场设备。它通过数据传输线路与中央监控室的中央管理监控计算机保持通信联系，接受其统一控制与优化管理。 3通信网络中央管理计算机与DDC之间的信息传送，由数据传输线路(通信网络)实现，较小规模的BAS系统可以简单地使用屏蔽双绞线作为传输介质。 4传感器与执行器BAS系统的末端为传感器和执行器，它被装置在被控设备的传感(检测)元件和执行元件上。这些传感元件如温度传感器、相对湿度传感器、压力传感器、流量传感器、电流电压转换器、液位检测器、压差器和水流开关等，将现场检测到的模拟量信号或数字量信号输入至DDC，DDC则输出
15、控制信号传送给继电器、调节器等执行元件，对现场被控设备进行控制。 2.1.5 现场总线技术集散型控制系统还没有从根本上解决系统内部的通信问题和分布式问题，只是自成封闭系统，以固定集散模式和通信约定构成。因此，这种控制系统还很难适应智能大厦种类繁多的设备检测和控制要求。近年来，专门为实时控制而设计的、能在控制层提供互操作的现场总线技术逐渐成熟，如著名的LonWorks技术。 现场总线网络是局域网络技术在控制领域的延伸和应用，它是将控制系统按局域网络(LAN)的方式进行构造，用网络节点代替LAN中的工作站，并将其安装于监控现场，直接与各种监控传感器和控制器相连。现场总线网中每个节点间可以实现点到点
16、的信息传送，具有极其良好的互操作性，这样便使整个网络实现了无中心的真正的分布式控制模式。这种网络集数据采集、分析、控制和网络通信为一体，十分适合于智能建筑进行分布式网络管理和控制。近年来，楼宇自动化正 在向着开放系统迅速发展。在实时控制方面，实现可互相操作的现场总线技术的通信协议如LonTalk等也应运而生，为楼宇自动化中的传感器、执行器和控制器之间的网络化操作奠定了基础。图2.3为一典型现场总线系统结构图。其中，NCU是网络控制器，NCU与中央管理计算机间以N1总线连接，而NCU与下位机(DDC)之间则以N2总线(现场总线网)相连接。METASYS操作站METASYS操作站METASYS操作
17、站管理层N1 LANNCUNCUNCU给排水RS-485RS-485RS-485变风量箱控制器N2 busN2 busN2 bus单元型控制器智能型照明控制器冷冻站能量管理空气处理机组控制器图 2.3 2.1.6 直接数字控制器直接数字控制器(DDCDirect Digital Controller)，又称下位机，从某种意义上讲，它是整个楼宇自控系统的关键。“控制器”指完成被控设备特征参数与过程参数的测量并达到控制目标的控制装置。“数字”的含义是指该控制器利用数字电子计算机来实现其功能要求。 “直接”意味着该装置在被控设备的附近，无需再 通过其他装置即可实现上述全部测控功能。因此,DDC实际上
18、也是一个计算机，它应具有可靠性高、控制功能强、可编写程序等特点，既能独立监控有关设备，又可通过通信网络接受来自中央管理计算机的统一控制与优化管理。 1DDC支持的监控点DDC能够支持以下不同性质的监控点：(1) 模拟量输入(AI)；(2) 开关量输入(DI)；(3) 模拟量输出(AO)；(4) 开关量输出(DO)。 2DDC的主要功能DDC的主要功能包括以下几个方面：(1) 对第三层的数据采样设备进行周期性的数据采集。 (2) 对采集的数据进行调整和处理(滤波、放大、转换)。(3) 对现场采集的数据进行分析，确定现场设备的运行状态。(4) 对现场设备运行状况进行检查对比，并对异常状态进行报警处
19、理。(5) 根据现场采集的数据执行预定的控制算法(连续调节和顺序逻辑控制的运算)而获得控制数据。(6) 通过预定控制程序完成各种控制功能，包括比例控制、比例加积分控制、比例加积分加微分控制、开关控制、平均值控制、最大/最小值控制、焓值计算控制、逻辑运算控制和连锁控制。 (7) 向第三层的数据控制和执行设备输出控制和执行命令(执行时间、事件响应程序、优化控制程序等)。 (8) 通过数据网关(DG)或网络控制器(NCU)连接第一层的设备，与各上级管理计算机进行数据交换，向上传送各项采集数据和设备运行状态信息，同时接收各上级计算机下达的实时控制指令或参数的设定与修改指令。DDC拥有BAS所要求的几乎
20、所有功能，基本上已经可以完成所有运作，只是在监控的范围和信息存储及处理能力上有一定限制。因此，直接式数字控制器可以看作是小型的、封闭的、模块化的中央控制计算机。在很小规模、功能单一的BAS中可以仅仅使用一到多台控制器完成控制任务；在一定规模、功能复杂的系统中可以根据不同区域、不同应用的要求采用一组控制器完成控制任务，并依靠中央管理系统随时监视控制和调整控制器运行状态，完成复杂周密的控制操作。 3常见的专用控制器类型常见的专用控制器主要包括下述几类：(1) 空气处理机组控制器；(2) 空调控制器；(3) 照明控制器；(4) 变风量控制器；(5) 消防报警控制器。更常用的是模块化控制器。模块化控制
21、器是可编程的、以计算机模块为基础的直接数字式控制器。其基本结构包括一个可内插多个模块的机架，一个计算机模块和一个电源供应模块。根据不同的具体应用，还可以内插各种不同用途的通信模块、辅助控制模块和输入/输出(Analogy/Digital)模块。返回返回2.4 暖通空调监控系统暖通空调监控系统 良好的工作环境，要求室内温度适宜，湿度恰当，空气洁净。暖通空调监控系统(HVACHeating Ventilate Air Conditioning)就是为了营造良好的工作环境，并对大厦大量暖通空调设备进行全面管理而实施监控的系统。 2.4.1 新风机组的监控新风机组中空气水换热器，夏季通入冷水对新风降温
22、除湿，冬季通入热水对空气加热，干蒸汽加湿器用于冬季对新风加湿。具体功能如下所述：(1) 检测功能：监视风机电机的运行/停止状态；监测风机出口空气温度和湿度参数；监测新风过滤器两侧压差，以了解过滤器是否需要更换；监视新风阀打开/关闭状态。 (2) 控制功能：控制风机启动/停止；控制空气水换热器水侧调节阀，使风机出口温度达到设定值；控制干蒸汽加湿器阀门，使冬季风机出口空气湿度达到设定值。(3) 保护功能：冬季当某种原因造成热水温度降低或热水停止供应时，应该停止风机工作，关闭新风阀门，以防止机组内温度过低导致冻裂空气水换热器；当热水恢复正常供热时，应该能启动风机，打开新风阀，恢复机组正常工作。(4)
23、 集中管理功能：智能大楼各机组附近的DDC控制装置通过现场总线与相应的中央管理机相连，于是可以显示各机组启/停状态；传送温度、湿度及各阀门状态值；发出任一机组的启/停控制信号；修改送风参数设定值；任一新风机组工作出现异常时，发出报警信号。2.4.2 空调机组的监控 空调机组的调节对象是相应区域的温度、湿度参数，因此，送入装置的输入信号还包括被调区域内的温、湿度信号。当被调区域较大时，应安装几组温、湿度测点，以各点测量信号的平均值或重要位置的测量值作为反馈信号；若被调区域与空调机组DDC 装置安装现场距离较远时，可专设一台智能化的数据采集装置装于被调区域，将测量信息处理后通过现场总线送至空调DD
24、C装置。在控制方式上，一般采用串级调节方式，以防室内外的热干扰、空调区域的热惯性以及各种调节阀门的非线性等因素的影响。对于带有回风的空调机组而言，除了保证经过处理的空气参数满足舒适性要求外，还要考虑节能问题。由于存在回风，需要增加新风、回风空气参数测点。但是回风道存在较大的惯性，使得回风空气状态不完全等同于室内空气状态，因此，室内空气参数信号必须由设在空调区域的传感器取得。另外，新风和回风混合后，空气流通混乱，温度也很不均匀，很难得到混合后的平均空气参数。因此，不测量混合空气的状态，也不用该状态作为 DDC控制的任何依据。图2.6是一个典型的双风空气处理机系统原理图。由图可见，若调节风量阀处于
25、全关死状态亦即全新风运行状态，则双风机就变成了两个独立的新风机和排风机了。全新风运行虽然使空气品质较好，但是热量(或冷量)利用率较低，不利于节约能源。这种系统一般只在大楼一层大厅等场所采用。MMMAO3调节风量新风TOHODIDI温度湿度送风机PDIQDDIDIDO状态启停 故障 手/自动温度湿度送风回风排风PDIDO2QDDIDIDO送风机PDIT3AIH3AIT2AIH2AI启停 故障手/自动 温度湿度压差报警调节热水量数量名称4AI3AO9DI4DOHC图 2.6 2.4.3 变风量系统的监控变风量系统(VAV)是一种新型的空调方式，在智能化大楼的空调中被越来越多地采用。带有VAV装置的
26、空调系统各环节需要协调控制，其内容主要体现在以下几个方面：(1) 由于送入各房间的风量是变化的，空调机组的风量将随之变化，因此应采用调速装置对送风机转速进行调节，使之与变化风量相适应。(2) 送风机速度调节时，需引入送风压力检测信号参与控制，从而保证各房间内的送风压力不会出现大的变化，使系统装置正常工作。(3) 对于VAV系统，需要检测各房间的风量、温度以及风阀位置等信号，并且经过统一的分析处理后才能给出送风温度设定值。(4) 在进行送风量调节的同时，还应调节新风、回风阀，从而使各房间有足够的新风。2.4.4 暖通系统的监控暖通系统主要包括热水锅炉房、换热站以及供热网等。根据智能化大楼的特点，
27、下面主要针对供暖锅炉房的监控进行概要介绍。供暖锅炉房的监控对象可分为燃烧系统和水系统两大部分。其监控系统可以由若干台DDC及一台中央管理机构成。各DDC装置分别对燃烧系统、水系统进行监测控制，根据供热状况控制锅炉及各循环泵的开启台数，设定供水温度和循环流量，协调各台DDC完成监控管理功能。1锅炉燃烧系统的监控 热水锅炉燃烧过程的监控任务主要是根据对产热量的要求，控制送煤链条速度及进煤挡板高度，根据炉内燃烧情况、排烟含氧量及炉内负压控制鼓风、引风机的风量。为此，应检测的参数有：排烟温度，炉膛出口、省煤器及空气预热器出口温度，供水温度，炉膛、对流受热面进出口、省煤器、空气预热器、除尘器出口烟气压力
28、，一次风、二次风压力，空气预热器前后压差，排烟含氧量信号以及挡煤板高度位置信号。燃烧系统需要控制的参数有炉排速度，鼓风机、引风机风量及挡煤板高度等。2锅炉水系统的监控锅炉水系统监控的主要任务有以下三个方面：(1) 保证系统安全运行：主要保证主循环泵的正常工作及补水泵的及时补水，使锅炉中循环水不中断，也不会由于欠压缺水而放空。 (2) 计量和统计：测定供回水温度、循环水量和补水流量，从而获得实际供热量和累计补水量等统计信息。(3) 运行工况调整：根据要求改变循环水泵运行台数或改变循环水泵转速，调整循环流量，以适应供暖负荷的变化，节省电能。 2.4.5 冷热源及其水系统的监控智能化大厦中的冷热源主
29、要包括冷却水、冷冻水及热水制备系统。其监控特点如下所述。1冷却水系统的监控 冷却水系统的作用是通过冷却塔和冷却水泵及管道系统向制冷机提供冷水。监控的目的主要是保证冷却塔风机和冷却水泵安全运行；确保制冷机冷凝器侧有足够的冷却水通过；根据室外气候情况及冷负荷调整冷却水运行工况，使冷却水温度保持在要求的范围内。 2冷冻水系统的监控 冷冻水系统由冷冻水循环泵通过管道系统连接冷冻机蒸发器及用户的各种冷水设备(如空调机和风机盘管)而组成。对其进行监控的目的主要是要保证冷冻机蒸发器通过足够的水量以使蒸发器正常工作；向冷冻水用户提供足够的水量以满足使用要求；在满足使用要求的前提下尽可能地减少水泵耗电，实现节能
30、运行。图2.7是一个典型的冷源系统监控原理图，实际应用中冷冻机组可能不止一个，但是多台机组的监控方法是基本一样的。流量回水TM2PPF水流水流F电控箱2212故障报警运行状态本远控反馈启停控制FMFM膨胀水箱压差传感器T供水温度供水D冷冻机组DODODI启控制DIDIDI停控制故障报警稀释状态运行状态本远控反馈DIDIDIDOPPDIFDI水流TAIAIDODOAIDIBIDIAIAIDIDI故障报警启停控制运行状态手/自动状态DIDIDIDO类型数量AI6AO0DI26DO10冷却水供水温度冷却水回水温度电控箱2212故障报警运行状态本远控反馈启停控制DIDIDIDOF水流DIDITAI回水温度过滤器碟阀控制图 2.7 3热水制备系统的监控 热水制备系统以热交换器为主要设备，其作用是产生生活、空调及供暖用热水。对这一系统进行监控的主要目的是监测水力工况以保证热水系统的正常循环，控制热交换过程以保证要求的供热水参数。图2.8为一热交换系统监控图，而实际的热交换器可能不止一台，其中，热水供水常用于空调和生活供水等情况。DOMPDIAI电控箱2212故障报警运行状态本远控反馈启停控制DIDIDIDO热水回水热水供水汽水汽水热交换器蒸汽进冷凝水出类型数量AI2AODI6DO42AI图 2.8
