智能建筑的概念和楼宇自动化系统

一 关于智能建筑
　　智能建筑的概念，在本世纪末诞生于美国。第一幢智能大厦于1984年在美国哈特福德 （Hartford）市建成。我国于90年代才起步，但迅猛发展势头令世人瞩目。
　　智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界科学技术发展的主要标志是4C技术（即Computer计算机技术、Contro控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）。将4C技术综合应用于建筑物之中，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使建筑物智能化。4C技术仅仅是智能建筑的结构化和系统化。
　　智能建筑应当是：
　　“通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计， 提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑物能够帮助大厦的主人，财产的管理者和拥有者等意识到，他们在诸如费用开支、生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。”
　　建筑智能化结构是由三大系统组成：楼宇自动化系统（BAS）、办公自动化系统（OAS）和通信自动化系统（CAS）
  
二、楼宇自动化系统简介
　　楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统（BuidingAutomationSystem简称BAS），是智能建筑不可缺少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。
  
三、楼宇自动化系统的组成与基本功能：
建筑设备自动化系统通常包括暖通空调、给排水、供配电、照明、电梯、消防、安全防范等子系统。根据我国行业标准，BAS又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统。一般情况下，这两个子系统宜一同纳入BAS考虑，如将消防与安全防范子系统独立设置，也应与BAS监控中心建立通信联系以便灾情发生时，能够按照约定实现操作权转移，进行一体化的协调控制。
建筑设备自动化系统的基本功能可以归纳如下：
　　（1）自动监视并控制各种机电设备的起、停，显示或打印当前运转状态。
　　（2）自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。
　　（3）根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使之始终运行于最佳状态。
　　（4）监测并及时处理各种意外、突发事件。
　　（5）实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制。
　　（6）能源管理：水、电、气等的计量收费、实现能源管理自动化。
　　（7）设备管理：包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。
  
四、楼宇自动化控制系统的原理
楼控系统采用的是基于现代控制理论的集散型计算机控制系统，也称分布式控制系统（Distributedcontro systems简称DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在现场被控设备处的微型计算机控制装置（DDC）完成被控设备的实时检测和控制任务，克服了计算机集中控制带来的危险性高度集中的不足和常规仪表控制功能单一的局限性。安装于中央控制室的中央管理计算机具有CRT显示、打印输出、丰富的软件管理和很强的数字通信功能，能完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制等任务，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难、无法统一管理的缺点，保证设备在最佳状态下运行。
  
五、 楼宇自动化系统设备的发展历史及相关产品简介
　　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：CCMS中央监控系统（20世纪70年代产品）
　　BAS从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和CRT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DGP（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。DGP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：DCS集散控制系统（20世纪80年代产品）
　　随着微处理机技术的发展和成本降低，DGP分站安装了CPU，发展成直接数字控制器DDC。配有微处理机芯片的DDC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、安装人机接口等。BAS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，与中央站无关，保证了系统的可靠性。
　　第三代：开放式集散系统（20世纪90年代产品）
　　随着现场总线技术的发展，DDC分站连接传感器、执行器的输人输出模块，应用ON现场总线，从分内部走向设备现场，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onWorks技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。BAS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（DDC分站）和现场网络层（ON）。
　　第四代：网络集成系统（21世纪产品）
　　随着企业网Intranet建立，建筑设备自动化系统必然采用Web技术，并力求在企业网中占据重要位置，BAS中央站嵌入Web服务器，融合Web功能，以网页形式为工作模式，使BAS与Intranet成为一体系统。
　　网络集成系统（EDI）是采用Web技术的建筑设备自动化系统，它有一组包含保安系统、机电设备系统和防火系统的管理软件。
　　EBI系统从不同层次的需要出发提供各种完善的开放技术，实现各个层次的集成，从现场层、自动化层到管理层。EBI系统完成了管理系统和控制系统的一体化。
      目前，规模和影响较大的楼宇设备供应公司有美国霍尼维尔公司、江森公司、KMC公司、德国西门子公司等。

结束语
　　楼宇自动化控制技术在我国还是一个新兴的技术领域，随着更多智能建筑的出现，将有更加先进的技术补充到这一领域中，使这一技术更加成熟、完善。
     几家影响较大的楼宇设备供应公司系统及功能简介：
     美国江森自控metasys系统
      metasys的系统结构及硬件说明
要想建成一个智能建筑，一个高素质的楼宇自控系统是不可缺少的，JOHNSON CONTROS的metasys系统的系统结构如下：
JOHNSON CONTROS的metasys楼宇自按系统是由中央操作站（OWS）、网络控制器（NCU）、直接数字控制器（DDC）等组成，通过Ethernet网（N1网）将中央操作站及网络控制器各节点连接起来，Ethernet/IP使用标准的网络硬件在网络控制器与用户操作站之间完善地传递信息。同时安装在建筑物各处的直接数字控制器（DDC），将通过现场总线（N2网）连接到网络控制器上，与其它网络控制器上的直接数字控制器及中央操作站保持紧密联系。现场需监控设备上的传感器及执行器等连接至以上各直接数字控制器内。从而实现分散控制、集中管理。
以下分别对这些硬件设备做详细说明：
1.1通讯网络
操作站及网络控制单元之间最常用的连接方式是N1通讯网络。这构造采用以太网（ETHERNET）技术，通过一张ETHERNET卡（网络介面卡），在N1线上通讯。
网络设置
N1网可以设置成总线型、星型和混合型结构。它使N1网可以方便、经济地安装及扩展。
N1网可以使用同轴电缆、双绞线、光纤或它们的组合。NCU和操作站可以直接支持同轴电缆，并可方便地加上适配器连接光纤回路。每段N1网的最长距离取决于所采用的媒质及网络上节点的数量。采用有源分流器可以延伸连接线的长度。两个节点间最长距离可达到6.4公里。
开放式的结构和互连性
ETHERNET广泛应用于工业和楼宇自动化领域。众多的第三者供应商都支持这个标准并提供ETHERNET设备，如分流器及应用软件。这意味着不用供应商提供的产品可以直接互换，使用户有更多的产品选择并且不会依赖于某一个供应商。
N1网上之通讯种类数据库之上传与下载、对现场设备之指令和状态之讯息等。各节点均具备动态访问（Dynamic Data Access）功能，即无论N1网上任何操作站或任何一个NCU上，均可以对全部的数据实现检测或控制。
动态数据存取
很多系统都只容许有限度的资料分类，metasys系统却能容许在N1总线上每个组件与组件间的自由通讯。这便是metaSYS系统的一个独特之处——动态数据存取，加快了大量讯息传递之速度。
双重on Works N2总线之运作是由在on Works N2网上之NCU监控。如其中一条线发生故障（即在N2网上之某一点没有接收讯号），NCU会发出指令以恢复正常通讯。
1.2操作站
metaSYS系统根据大楼的具体功能要求，我们对操作站的介面，特性，功能做了一系列的改进，增加了许多更直观的视觉显示效果，并且通过OPC（OE for process Contro）软件技术使所有的设备管理系统均可在简单明了的图形显示下集中完成，目前我们称改进后的操作站系统为M5，现就其几项主要的特征说明如下：
多屏显示
在一个操作员面显示监控庞大的集中自动化系统的所有信息是一个大难题，而M5操作站采用屏幕管理系统解决了这个困难，大型建筑物、多建筑群及多种网络均可采用此项技术以支持多屏显示。
现存图形的重复利用
无论是Johnson Contros工作站内的图形，或是其它的图形格式，metasys操作站都能再利用它们。绘图软件Core Draw，Visio及AutoCad，同数码像机、视像抓取卡及数字扫描仪一样均能提供丰富的图形资源，操作站的灵活性大大减少了程序员和操作者的工作。
动画介面
M5操作系统采用全新动画介面，可伴有音乐和旁白，更生动地描述现场情况，同时可将大楼受控设备的实时图像通过集成系统传到操作站，从而更准确直接地指导操作员应采取的动作。
采用颜色梯度的动态信号
metasys workstation图形技术提供完整的动态图形控制，包括显示、消失、闪烁旋转、动画以及彩色梯度。全部通过易于使用和理解的图标控制定义对话，任一标志的功能控制都能直接相关于另一点或由大楼用户根据自己需要任意定义单独的设备。
动作趋势
metasys workstation提供给大楼用户有关能源管理以及设备诊断的数据分析曲线，如此详细的各点情况都有助于更好地理解相关控制功能的实现过程。大楼的管理人员可根据这些曲线分析受控设备的保养状况及其是否在最佳的工作状态。
1.3网络控制器（NCU）
网络控制器是一种模块式、智能化的控制盘，为metaSYS网络的心脏。通过多个网络控制器，即可将大楼每一个侧面的管理情况紧密的连接起来，进行全面综合的管理。通过相互共享整个网络中的所有信息，每个NCU能用高级控制算法提供全建筑物范围的最优控制。
网络控制器具有多种统计控制功能。
网络控制器可配置手提终端检测器，该检测器完全可以代替操作站的功能，存取整个系统中所有信息和发出控制指令。
1.4直接数字控制器（DX-9100）
直接数字式控制器是metasys系统的最前端装置，直接与大楼内有关的设施连接起来，再通过N2总线与网络控制器相连，网络控制器与中央操作站均可对其实现超越控制。
直接数字式控制器能够支持以下不同性质的监控点：
-模拟量输入（AI）
-数字量输入（DI）
-模拟量输出（AO）
-数字量输出（DO）
具有可编程控制模块及PC逻辑运算模块，除能完成各种运算及PID回路控制功能外，还具有多种统计控制功能，可同时设置时间控制程度。
控制器具有独立运作的功能，当中央操作站及网络控制器发生问题时，控制器不受影响，继续进行运作，完成原有的全部监控功能。
支持点对点通讯，可与metaSYS网络进行动态数据存取。
可通过传输模块（XT）接扩展模块（XP），增加控制输入输出点容量，配置灵活，并可通过内置ED来监控这些点。
DDC的实时数据存储在配有备有电池的RAM中。
 1.5手提检测器/网络终端
手提检测器是供大楼维修人员对楼宇自控管理系统中的网络控制器及直接数字式控制器进行检查使用。通过检测器
 维修人员可以更改设定值，并可以获得各有关的数据、报警及状态。在检查的过程中不会中断或干扰各控制器间的正常动作及通讯。
网络终端（NT）能使大楼管理或维修人员直接掌握metasys系统内的所有设备的运行情况，不管NT是与哪个NCU连接，利用NT都可以在大楼的任何地方存取全部信息。
触摸屏输入及多点显示屏，使用方便。
菜单提示及在线帮助，使用者容易掌握。
5级密码保护，网络安全有保证。
2.metaSYS系统监控内容
METSYS监控系统对建筑物进行集中监控的系统主要包括：
冷冻及空调系统
供电及照明系统
给排水系统
保安及巡更系统
   消防系统
      升降机及扶手电梯系统
  
西门子APOGEE顶峰系统
     APOGEE楼宇自控系统是西门子公司推出的新一代楼宇自控／系统集成平台，完整的系统由INSIGHT监控软件、DDC控制器、传感器、执行机构四大部分组成。
      关于西门子APOGEE系统，简要说明如下：
     1.1 中央工作站
      中央工作站系统由PC主机、彩色液晶显示器及打印机组成，是BAS系统的核心，它直接可以和以太网相连。整个大厦内所受监控的机电设备都在这里进行集中管理和显示，内装中／英文Insight工作软件，提供给操作人员下拉式菜单、人机对话、动态显示图形，为用户提供一个非常好的、简单易学的界面。操作者无需专业软件知识，即可通过鼠标和键盘操作管理整个控制系统。
     1.2 操作系统
     操作系统为楼宇自控系统提供了强大的工作平台，通过系统程序操作员可以在楼宇自控系统内进行各项资料的存取及监控。
     1.2.1 指令输入及菜单选择的方式
     操作员除了可以通过常规的键盘进行操作外，亦可以通过“鼠标”进行操作，包括启停、更改设定点、选择菜单等各项操作。
     1.2.2 图形及文字显示
     操作员可以将楼宇自控系统内的每一个监控点用图形或文字方式显示出来。
      1.2.3 多方面资料的显示
操作系统有能力在同一时间内以“窗口”式的方法显示多方面的资料，以便容易对不同表现进行分析，真正做到了实时和多任务。
     1.2.4 密码的保护
     多级别的密码将为业主及管理人员提供一个有效的保护工具。它可以管理及限制不同部门人员使用楼宇自控系统，同时防止系统被非有关人员使用，提高系统的安全性。
     1.2.5 彩色动态图形显示
     为使系统内的报警被更快地确定及更容易分析系统的表现，系统提供彩色动态图形显示，包括楼层的平面图及机电装置的系统示意图。
     1.2.6 系统的架构及界定
     所有温度及装置的控制策略及节能程序可以由用户决定，在做出界定或修正的程序时不会影响楼宇自控系统正常的运作。
     1.3 Insight软件功能
      Insight监控软件是以动态图形为界面，向用户提供楼宇管理和监控的集成管理软件。最多可支持25各客户端同时运行。
    Insight监控软件提供了用户对APOGEE系统的三大功能：
     1、监视功能：用户可以通过动态图形、趋势图等应用程序对APOGEE系统控制设备的运行状态，被控对象的控制效果进行实时和历史的监视。
     2、控制功能：用户可通过控制命令，程序控制和日程表控制等应用程序控制楼宇自控设备的启停和调节。
     3、管理功能：包括用户帐户管理、系统设备管理、程序上下载管理，用户还可通过系统的活动记录、报表等应用程序了解APOGEE系统自身的状态。
     通过对选件的安装，还可实现远程自动拨号服务、仿真终端、支持WEB服务、支持远程通告、支持虚拟控制器等功能。
      1.4 直接数字控制（DDC）
      DDC是用于监视和控制系统中有关机电设备的控制器，它是一个完整的控制器，它包含软硬件，能完成独立运行，不受到网络或其他控制器故障的影响。
控制器构成主要是32位或16位微处理器和不同类型点的点终端模块，具有可脱离中央控制主机独立运行或联网运行能力。同时，当外电断电时，DDC的后备电池可保证RAM中数据在60天不丢失。简单来说，DDC具备以下功能：
     1）使用强力过程控制语言PPC进行程序编写。
      （2）先进的比例积分微分暖通空调控制，闭环调节算法可使振荡最小并保持精密控制。
     （3）全面的报警管理、历史数据记录和操作员的控制监视功能。
     （4）为能源管理提供了内置的能源管理程序SSTO。
     1.5 APOGEE系统对建筑物进行集中监控的系统主要包括：
空调机组新风机组
变配电系统
      照明系统
给排水系统
冷热源系统
备用发电机系统
      电梯系统
     变风量系统
     北京利达恒信科技发展有限公司HBS楼宇自控系统
      1、系统概述： HBS楼宇自控系统是一套完全符合BACnet国际标准的楼宇自控系统，它负责完成建筑物中的暖通空调系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯等的监控管理，确保建筑物内环境的舒适和安全，同时实现高效节能要求。HBS楼宇自动化系统可根据不同用户需求灵活搭建，既适合小型单体建筑，又适合功能复杂、设备众多的大型建筑群。可广泛应用于工矿企业、商业中心、办公楼、会展中心、体育馆、医院、学校、住宅小区等各类建筑物。

     2、系统特点:
     通讯协议标准化：HBS楼宇自控系统采用了国际标准化协议——-BACnet。 BACnet是楼宇自控行业中唯一的国际标准，具有很强的通用性。既可以使不同厂商的设备产品综合在一个系统中，又可使系统能在日后得以方便的扩展和升级。
能源管理数字化：系统精确的能源管理功能不仅可使用户对水、电、气、冷（热）负荷的每一项费用的细节了如指掌，明白消费，而且系统还提供节能控制方案，实现了能源管理的数字化、精确化；
      功能设计一体化：一体化的功能设计，实现了与安防、消防、通讯、办公等系统互联互通，信息共享。通讯结构简单化：采用一级网络（以太网） 作为通讯平台，各现场控制器直接挂接在以太网上，不需要专用网络通讯设备。
操作使用智能化：操作界面完全中文，虚拟现实形式，动画式运行，易学易用，操作简便。
     控制调节分散化：采用无中心控制的真正分布式控制模式，分散到就地控制，控制调节功能可由系统的控制器独立操作完成，而不依赖主机。
系统组成模块化：本系统在不增加额外费用的情况下，可以方便地在以太网的任意区段加装工作站或控制器，在不改变布线的基础上，可随意对系统进行扩展，从几十点到几万点都十分轻松。
     设备维护远程化：系统软件故障可以在远程进行诊断和维护，减少维护时间、提高效率 。
     总之，HBS楼宇自控系统从设计到应用的每个细节都体现了健康、节能、舒适、便捷的理念。
     3、网络结构：
HBS系统基于 BACnet/IP Ethernet高性能的结构型式，用户可以充分地利用已有的各种网络设备和资源，无论是组织一个大型的网络还是一个小型的独立系统，都能轻松而高效。
                                                                                     编辑：何世平