[关键词] 计算机 BAS 通信网络 中央监控
[摘 要]文章介绍了计算机技术在建筑设备自动化系统（BAS）中的应用，着重对BA系统的组成、计算机通信网络结构、功能及软件进行了阐述。
在建筑设备自动化系统中，从传感器、执行器、控制器到信息处理、通信网络、远程监控和物业管理都离不开计算机。可以说，计算机系统是建筑设备自动化系统的核心和灵魂。
１ 建筑
设备自动化系统的组成与系统结构
建筑设备自动化系统是一个综合集成化管理监控系统，它是一种集散型控制系统，是２０世纪７０年代后期随着计算机技术和数字通信技术相结合而发展起来的一种先进的控制方法。
建筑设备自动化系统利用计算机网络和接口技术将分散在各子系统中不同区域不同用途的现场直接数字控制器（ＤＤＣ）连接起来，通过联网实现各子系统与中央监控管理级计算机之间及子系统之间相互的信息通信，达到分散控制、集中管理的功能模式。系统组成主要包括：中央操作站、分布式现场控制器、通信网络和现场就地仪表。其中，通信网络包括：网络控制器、连接器、调制解调器、通信线路；现场就地仪表包括传感器、变送器、执行机构、调节阀、接触器等。
集散型控制系统的特点是：以分布在现场被控设备处的多台计算机控制装置完成被控设备的实时监控任务，克服了计算机集中控制带来的诸多不便。ＤＤＣ既具有可编写程序、独立运行监控有关设备的能力，又可联网并通过中央管理机接受统一控制与优化管理，从而实现“集中监控，危险分散，系统易于扩展”的原则，提高了控制系统的可靠性和灵活性。
２ 控制计算机及通信网络
集散型计算机控制系统主要由中央管理计算机、设备的直接控制器与计算机通信网络三大部分组成。系统对各部分的要求如下。
２．１ 中央管理计算机
中央管理计算机担负着整个建筑或建筑群设备的监控与管理的任务，起着类似人类大脑的指挥作用，所以又称为上位机或中央机。除要有完善的软件功能外，更要求硬件必须可靠。每台ＤＤＣ都只关系到个别设备的工作，而中央管理计算机则关系着整个系统，并且要求连续不间断工作，因此对其可靠性的要求就非常高。显然，采用单台计算机一般很难满足要求。尽管工业控制机本身的可靠性较高，但其价格昂贵，且发生故障也会死机。目前，在大多数智能大楼ＢＡ系统中普遍采用价格低廉的商用微型计算机，其可靠性不仅依赖于计算机本身的设计与制造工艺，而且必须同时设有热备份机，即利用两台及两台以上的计算机同时工作。当一台工作着的中央机故障，备份机能迅速接管指挥权，使系统能继续正常工作。商用微型计算机或通用的个人计算机（ＰＣ）价格适当，软件资源丰富，可利用容错技术弥补其可靠性差的缺陷，即可达到可靠又经济的两全要求。
２．２ 直接数字控制器
直接数字控制器（ＤＤＣ），也称为下位机。它是利用数字式电子计算机直接测量被控设备特征参数和过程参数并达到控制目标的控制装置。随着微机技术的发展，直接数字控制器不仅在性能上全面超越常规模拟式测控仪表，而且在价格上也日益具有竞争优势。ＤＤＣ具有可靠性高、控制能力强、可编写程序等优点，智能大楼中各类设备均已普遍使用。
在ＤＤＣ的系统设计和使用中，主要掌握ＤＤＣ的输入和输出的连接。根据信号形式的不同，ＤＤＣ的输入和输出有如下四种。
2.2.1 模拟量输入（Analogy Input 缩写为AI）
模拟量输入的物理量有温度、湿度、压力、流量等，这些物理量由相应的传感器测得，经过变送器转变为电信号送入ＤＤＣ的模拟输入口（ＡＩ）。此电信号可以是电流信号（一般为０～１０ｍＡ），也可以是电压信号（０～５Ｖ）或（０～１０Ｖ）。电信号送入ＤＤＣ模拟量输入通道后，经过内部模／数转换器将其变为数字量，再由ＤＤＣ计算机进行分析处理。
2.2.2 开关量输入（Digital Input 缩写为DI）
对于以开关状态为输出的传感器，如水流开关、风速开关、压差开关等，可以直接接在ＤＤＣ的ＤＩ通道上，除了测量开关状态外，ＤＩ通道还可以直接对脉冲信号进行测量，测量脉冲频率、测量其高电平或低电平的脉冲宽度或对脉冲个数进行计数。
2.2.3 模拟量输出（Analogy Output 缩写为AO）
ＤＤＣ的模拟量输出信号是０～５Ｖ或０～１０Ｖ间的电压或０～１０ｍＡ、４～２０ｍＡ间的电流。其输出电压或电流的大小由计算机内数字量大小决定。由于ＤＤＣ计算机内部处理的信号都是数字信号，所以这种连续变化的模拟量信号是通过内部数字／模拟转换器（Ｄ／Ａ）产生的。通常，模拟量输出信号用来控制风阀、水阀等执行器动作。
2.2.4 开关量输出（Digtal Output 缩写为DO）
开关量输出亦称数字量输出，它可由计算机输出高电平或低电平，通过驱动电路可带动继电器或其他开关元件动作，也可驱动指示灯显示状态。ＤＯ信号可用来控制开关、交流接触器、变频器以及可控硅等执行元件动作。
２．３ ＢＡ系统的计算机通信网络
智能建筑的计算机通信系统多采用两级或多级网络结构。计算机网络设计的标准与方案很多，技术性能的提高往往带来造价上升。因此，确定网络方案应以性能价格比高为准则，即在满足技术性能指标要求的前提下尽量降低成本。对于ＢＡ系统通信网络的确定，我们从以下几方面进行分析。
大型或较大型系统的分站，必须将分站设置在其所属受控对象系统附近，使之成为现场工作站。分站中以一台微处理机为核心，实现全部监控功能。分站与中央站之间实现数据通信，同时分站之间也应能实现直接数据通信。
对于统一管理的建筑群或特大建筑物，当其设备数量极多而配置又极为分散时，宜采用多个微型中心站并通过网桥（或网关）进行互联，组成多域网。
中型系统和设备分散的较小型系统宜采用分级分布式监控系统。但当受到投资、使用、维护水平的限制时，也可采用集中式结构，即中央站采用计算机监控，分站不设ＣＰＵ。分站采用功能模件式结构，以完成数据的采集、转换与传递功能为主，而由中央站对所属设备进行启／停控制和参数调节。
小型系统和布置比较集中的较小型系统宜采用集中式结构，即仅设一台微型计算机对现场的多种装置实现控制，组成单机多回路系统。
一般来说，现场直接数字控制器（ＤＤＣ）与网络控制器之间构成*级网，均采用标准工业串行通信制式，且使用价格低廉的双绞屏蔽线作为传输介质；中央管理计算机或网络控制器之间构成第二级网，由于其通信数据量大，要求速度快，故需用更高一级的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ或Ａｒｃｎｅｔ等高速通信网，传输介质为同轴电缆或光纤；为参与更高的管理级，尚需将上述局域网联至更高速的广域网。
３ 中央监控系统的构成与软件
在计算机监控系统中常用的网络结构是指在局域网ＬＡＮ上各个节点（也叫站）之间的互联方式。局域网ＬＡＮ的主要拓扑结构有星形、环形和总线结构以及环星形结构等。在集散型控制系统中常采用星形拓扑结构，各个ＤＤＣ分站通过ＲＳ４８５通信接口与上位机连接。采用星形拓扑结构有利于共享一个中心和各个场点之间的直接通信和数据交换，同时具有经济性以及通信速度快、结构可靠性高等优点。
在中央监控系统中通过网络系统实现资源共享，通常以通信与数据网关为中心，以星形拓扑结构的Ａｒｃｎｅｔ局域网络组成分布式计算机网络系统。通信与数据网关以Ａｒｃｎｅｔ局域网作为物理传输层，可提供２．５Ｍｂｉｔ／ｓ基带通信；通信电缆采用同轴电缆（３ｋｍ以上）、双绞线（１．５ｋｍ以上）或双重电缆。通信接口有：ＲＳ４８５，１９．２ｋｂｉｔ／ｓ； ＲＳ２３２，９．６ｋｂｉｔ／ｓ。
通信与数据网关的主要功能有：通信登记功能、信息传送路径的设定、系统全部数据的备份、网关的热备份、远程通信网络的监视和控制、提供智能通信接口，以建立和其他独立设置的计算机系统或智能微处理器设备之间的通信和数据库交换。
中央监控系统的软件有管理软件和通信与数据网关软件两大类。管理软件提供对建筑物内各系统及其各子系统的集中和全面的管理；通信和数据网关软件提供建筑物内各计算机终端、智能分站之间共享通信线路及通信路径的分配信息数据资料交换和存储，以及提供智能通信接口建立与其它独立设置的计算机系统或网络进行信息资源交换等。
系统软件采用开放式、标准化和模块化设计。系统的管理软件模块可以根据系统的集成度来决定其配置，可以简易、灵活、方便地实现中央管理软件功能的增减。系统的界面软件设计是面向那些不懂计算机专业知识的系统管理和操作人员，实用而操作简便。系统软件具有自动纠错提示功能和设备故障指示功能；系统软件提供对智能卡系统软件的支持和与、寻呼系统直接通信的能力。系统外围智能分站的软件设备不依赖于中央控制软件，当监控中心计算机发生故障时，各外围智能分站能够完全独立地监视和控制所属区域的设备。
中央管理软件的功能模块有：
系统操作管理、报警／信息显示和打印、图形显示／控制器、警报的处理、文本显示、系统操作指导、巡更管理、系统辅助功能设定、系统工程编制、智能卡系统管理、系统故障自诊断、直接数字控制模块、组合控制设定、节假日期设定、快速信息检索、系统信息传送、设备节能控制、系统远程通信。
４ 智能分站的功能与监控软件
ＢＡ系统中的区域智能分站的主要任务有：
（１）进行过程信息数据的采集。即对系统监控设备中的每个过程量和状态信息、过限报警等进行快速采集，使之得到进行数字控制、阶梯控制、中断控制、开／闭环控制、设备监测、状态报告等过程所需的信息输入；
（２）进行直接数字控制。根据控制组态数据库、控制算法模式来实施实时过程量（如开关量、模拟量等）的控制。进行监控设备过程变量的自动计算，分析是否由本级处理或向中央管理级传送，以确定对被控装置实施调节的参量，以及必要时实施报警、诊断报告等措施；
（３）实施安全性、冗余化方面的措施。一旦发现计算系统硬件或智能分站模块板有故障，就立刻实施备用切换，以保证整个系统的安全运行。
智能分站监控软件应具备的功能是：采样点与调控点的处理、控制命令的执行、报警设定、直接数字控制、阶梯控制方式、事件／时间响应程序、ＨＶＡＣ系统的节能管理、分散电力需求控制、控制模式、循环控制方式、时间区控制方式、zui佳停止／启动控制方式、数字与逻辑运算功能、趋势运行记录、紧急报警等。
５ 现场总线技术的应用
２０世纪８０年代后期，现场总线技术迅速发展，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。虽然不同产品系列所遵循的协议有异，接口标准也不同，但都已在各自领域内得到了推广和应用，形成了各自的工业习用标准。
现场总线技术基本上具有如下特点：
（１）以数字信号取代４～２０ｍＡ的模拟信号。过去每一路模拟信号都需要一对信号线的传输方法被一对现场总线所代替，节约了大量的信号电缆，简化了布线工作，降低了电缆安装、维护费用，而且传输信号的数字化使得检错、纠错手段得以实现，极大地提高了信号转换精度和可靠性，因此具有很高的性能价格比；
（２）现场总线把处于设备现场的智能仪表（智能传感器、智能执行器）连成网络，使控制、报警、趋势分析等功能分散到现场仪表，使控制结构进一步分散化，控制系统体系结构多样化；
（３）符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表装置可以联网，实现操作；不同标准通过网关或路由器也可互联。所以，现场总线控制系统是一个开放式系统。
在具有集中结构的现场控制站这一层，采用现场总线技术，标准ＬＡＮ与现场总线之间以路由器相联，构成一个完全分散的、真正开放的建筑设备自动化系统，不仅成本低、灵活性好，而且具有实用性和更高的可靠性。
６ ＢＡ系统设计举例
例如某一超高层建筑的ＢＡ系统设计。设计前期首先应根据各专业所提供的资料按分区分类编制监控点数表，以确定各设备层输入的模拟量、数字量点数及输出的模拟量、数字量点数。模拟量包括温度、压力、湿度、流量、电流、电压等参数。数字量包括状态信号和故障报警信号。而提供数字量的接点必须是无源接点。根据输入输出模拟量、数字量点数，再考虑将来的发展，留出一些备用发展点，来确定ＤＤＣ分站的数量和位置。如本大楼采用Ｍｅｔａｓｙｓ系统。Ｍｅｔａｓｙｓ系统是美国Ｊｏｈｎｓｏｎ（江森）公司产品，它采用工业标准的Ａｒｃｎｅｔ高速通讯网络作为通信主干线，各分站控制器和操作站均与Ａｒｃｎｅｔ网络相联，其通讯速度为２．５Ｍｂｉｔ。系统为两级网络结构，中央管理计算机采用ＰＣ微机，软件中设有密码保护，各分站采用ＤＤＣ，具有可编程序功能，可独立监控有关机电设备，不需要经过中央管理计算机的处理，可就地显示ＤＤＣ所监视的各参数及设备工作状态。ＤＤＣ内配有备用电池，提供７２ｈ程序保护。
７ 结束语
智能型建筑是信息时代的产物，是以计算机和网络为核心的信息技术在建筑行业的应用与渗透。计算机技术发展飞速，计算机必将在建筑设备自动控制中应用更为普及。如何设计一个、实用，同时又能适应未来发展变化的计算机网络系统，将是业内人士需要进一步研究和考虑的课题。
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