某大楼楼宇自控系统的设计

　　摘要：楼宇自动化系统对整个建筑的所有公用机电设备，包括建筑的中央空调系统、给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统，进行集中监测和遥控来提高建筑的管理水平，降低设备故障率，减少维护及营运成本。

　　第一章 BA系统

　　1.1 概述

　　楼宇自动化系统对整个建筑的所有公用机电设备，包括建筑的中央空调系统、给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统，进行集中监测和遥控来提高建筑的管理水平，降低设备故障率，减少维护及营运成本。

　　设计楼宇自动化系统的主要目的在于将建筑内各种机电设备的信息进行分析、归类、处理、判断，采用最优化的控制手段,对各系统设备进行集中监控和管理，使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致和高效、有序的状态下运行，在创造出一个高效、舒适、安全的工作环境中，降低各系统造价，尽量节省能耗和日常管理的各项费用，保证系统充分运行，从而提高了智能建筑的高水平的现代化管理和服务，使投资能得到一个良好的回报。楼宇机电设备监控系统，作为智能建筑楼宇自动化系统非常重要的一部分，担负着对整座大厦内机电设备的集中检测和控制，保证所有设备的正常运行，并达到最佳状态。

　　某大楼准备建设成为一座现代化的智能办公大厦，因此需要采用一套先进的优化楼宇自控系统来提高建筑内部机电设备的运行效率，降低宾馆能源的消耗，并通过机电设备的自动化管理减轻操作人员的劳动强度。

　　本方案中楼宇自控系统的设计以满足业主的要求、采用最先进的技术和系统、提供最高的价格性能比为原则，提供优化的设备运行方案和管理方式，以实现集散式（即集中管理、分散控制）的管理控制模式来运行设备，提供高效率的楼宇设备管理。

　　根据大楼楼宇自控系统的技术要求，我们推荐采用美国艾顿科技公司（Alerton Technologies）公司推出的BACTalk综合楼宇管理系统。该系统是目前世界上最为先进的高效能、集成化的BMS系统，该系统根据需要可将大厦的楼宇控制系统、消防报警系统及安保自动化系统集成在一个平台上，并适用于大楼的建筑特点及先进的控制和管理要求，包括选用最先进的BACnet技术的现场控制器，以及与其他供应商系统及OA系统的开放性接口。

　　本方案楼宇自控系统的监控范围及系统目标包括以下几部分：

　　空调通风监控系统

　　锅炉与热交换系统

　　中央制冷监控系统

　　给排水系统

　　照明与动力系统/供配电系统

　　电梯监控系统

　　1.2 系统设计原则

　　在楼宇自动化系统的设计中我们遵循以下的原则:

　　可靠性：采用分布式控制系统，即将任务分配给系统中每个现场处理器，免除因系统内某个设备的损坏而影响整个系统的运行。

　　扩展性及灵活性：系统具有可扩充性，以便将来扩展网络服务范围的需要。系统可在日后任何地方加插现场控制器及操作员终端而不影响本系统操作。

　　实用及方便性：系统可容纳大厦内给机电系统的不同需要。并综合各系统资料，显示于操作员终端，方便管理。

　　开放性: 系统采用开放式结构,在分站与现场子站之间采用开放式的国际标准BACnet协议。

　　经济性：系统中的现场处理器足够应付日后技术的快速发展，现阶段的投资可以得到充分利用及保护。

　　1.3 系统设计依据

　　本系统设计是以弱电系统工程议标文件要求及所附图纸为基础，参照中国国家标准和全球首个自控行业标准（BACnet）而设计。智能大厦BAS系统的设计依据如下：

　　美国ANSI/ASHRAE-135-2000--BACnet标准

　　欧洲CEN Technical Committee 247---BACnet标准

　　民用建筑电气设计规范（JGJ/T16-92）

　　民用建筑电气设计规范（JGJ/T16-92）条文说明

　　采暖通风与空调调节设计规范（GBJ19/87）

　　火灾自动报警系统设计规范（GBJ116/88）

　　民用建筑照明设计标准（GBJ133-90）

　　民用建筑照明设计标准（GBJ133-90）条文说明

　　工业与民用供电系统设计规范（GBJ52-83）

　　低压配电装置及线路设计规范（GBJ54-83）

　　建筑设计防火规范（GBJ16-87）

　　高层民用建筑设计防火规范（GBJ45-82）

　　汽车库设计防火规范（GBJ67-84）

　　建筑物防雷设计规范（GBJ50057-94）

　　智能建筑设计标准（上海市DBJ08-4-95）

　　总线局域网标准（IEEE802.3）

　　环形局域网标准（IEEE802.5）

　　1.4 方案设计说明

　　1.4.1 产品选型及厂商简介

　　根据智能大厦的基本要求及规范，以及楼宇自控系统的发展方向和BAS的设计的原则和依据，我们选用了美国艾顿（Alerton）公司的全部各层通讯协议均基于BACnet标准开发出来的BACtalk系列产品。

　　美国艾顿（Alerton）公司是生产暖通空调的直接数字控制系统的专业厂家之先导。艾顿公司具有世界先进水平的楼宇自控系统，使业主和物业管理人能通过简易的Windows界面完成一切设备的监控管理及操作，并进行能量管理及租户计账功能，满足从办公楼、大学、饭店、展览馆、工厂、博物馆以至军事设施等任何规模的楼宇设备控制及管理要求。

　　艾顿公司总部设于美国西雅图，与著名的波音及微软等高科技公司总部为邻。全球现有项目超过5000个。

　　美国艾顿（Alerton）公司开发的BACtalk的系统结构极其简洁，它由二层组成：Windows95和Windows NT工作站，网络控制器和现场控制器。 BACtalk使用楼宇自控网标准通讯类型，Ethernet或ARCNET高速网作为工作站和网络控制器间的支柱。BACtalk Lsi是网络控制器，作为Ethernet或ARCNET与MS／TP(EIA-485)现场控制器网络的路由，同时它也是一个全局控制器，可以完成定时、假日、报警、记录及其它各种设备控制功能。

　　艾顿公司为BACtalk系统开发了一个具有不同配置的完整的现场DDC控制器系列VLC（Visual Logic Controller）。用户可以根据具体用途选择合适的控制器。从VAV末端控制器到风机盘管、热泵、通风机、空调机等通用控制器，全部自带楼宇自控网通讯装置；由于使用EEPROM，VLC控制器不需要常备电池；中央设备VLC控制器还备有硬件时钟选件，可在危险区域提供单机运行能力。无论哪一种VLC控制器都可以保证快速、精确、灵活、可靠地运行。VLC采用工业标准输入端，可使用各种类型的传感器和信号变送器。

　　1.4.2 BACtalk系统特点

　　（1）完全符合BACnet协议

　　从中央操作站、网络控制器、路由器到DDC控制器，均符合美国ANSI/ASHRAE：135-1995标准之有关规定。从应用层、网络层、数据链路层到物理层均采用BACnet协议之技术。

　　（2）简洁的两层网络结构

　　在BACnet协议规定的五种局域技术中选用了Ethernet和MS/TP，上层（监督管理层）采用Ethernet网，下层（实时控制层）采用MS/TP网。上下两层通过路由器或网络控制器相通。网络控制器及路由器直接挂装在以太网上，与计算机工作站同层。网络控制器及路由器通过MS/TP总线网连接各DDC控制器。因此，上层只是计算机和网络控制器及路由器，而下层则是DDC控制器。

　　（3）高速的网络通讯

　　网络控制器及路由器直接挂装在以太网上，通讯速度可达10MB以上。VLC控制器挂装在MS/TP网上，通讯速度可达到76.8Kbps，完全可以满足楼宇设备实时控制的需要。

　　（4）立体动画图形界面

　　无论是人机监控界面还是VLC编程界面，都采用了三维立体。动态图形能实时反映各设备的运行情况，使操作更加直观和简洁。三维图形可通过软件、AUTOCAD或扫描输入获取并填加到系统图形库中。

　　（5）通用的操作系统平台

　　BACtalk系统是在Windows 95/98、Windows Me或Windows NT操作系统平台下运行的，极易被用户熟悉和掌握。

　　（6）多种通讯手段

　　网络控制器及路由器能支持多种不同通讯形式：以太网（ETHERNET）、ARCNET、PTP、MS/TP

　　（7）扩展方便

　　由于网络控制器及路由器直接挂在以太网上，因而扩展也非常容易，数量基本上没有限制。数据处理的能力只取决于计算机硬件配置。

　　MS/TP网可通过网络中继器扩展距离及覆盖范围，使增加VLC（DDC）对新增设备进行监控变得灵活、易行。

　　（8）可视化逻辑编程

　　Alerton公司为BACtalk系统开发了一种功能强大，使用简便的编程工具-Visual Logic图形编程软件，具有友好的人机界面，操作简便。它包括了一整套功能齐全的功能块和模型数据库，每个功能会都用一个三维立体图形表示，通过有机的连接，可以提供一个非常清晰的控制流程，实现所需要的任何控制序列。具有动态图形显示功能。系统所有彩色图形是动态地连接在相关点上，如果连接的系统或组成部分或是来自操作者的信号改变了，它们也随之改变。并且可立刻编程存档资料方便日后查询。因此任何技术人员接手后，都能在短时间内掌握整个控制原理和程序。

　　使用VISIO作为绘图工具。在视窗环境中，Visual Logic编程图形和BACtalk动态运行图形可以同时显示在荧光屏上，因而可立即在动态图形上看到修改后的控制效果。这种实时同步操作的编程语言为工程人员提供了前所未有的方便并减少了反复查询繁复程序。

　　（9）品质优良、可靠性高

　　BACtalk系统是一个“全主式”系统，所有的控制器均是独立工作并能进行对等通讯（Peer to Peer），控制器处于同等地位。由于具备了独立控制功能，使得子站在中央系统停止工作或某一控制器故障时，其它分站工作正常也能彼此互相通讯，从而保证了控制的连续性和可靠性。此外,系统中的各级设备可通过网络通讯在同一时刻组成不同级别的集散控制系统或不同的结构组织形式，从而最大限度提高了系统的可靠性和灵活性。

　　数据的趋势记录由BACtalk系统自动完成，系统可以降低网络的阻塞。

　　（10）灵活的设置

　　BACtalk系列产品为控制单元专用的模块，具有独立的网络地址和通讯功能，无须与现场相应的BACnet产品相连，可以挂在整个网络的任意位置，根据需要可灵活地与子站进行搭配，不但能节省系统安装管线和人工等安装费用，而且可以节省安装时间，并使保养维护更加简单方便，体现出优秀的集散性能。

　　（11）安装简单、维护方便

　　BACtalk控制器及其模块由端子底座板和插入式电子单元组成，可直接安装在机箱上。现场设备的接线接入基本板，这些底座板可以首先安装、接线和检查，然后在系统开通和运转时再连接电子部分。电子单元可以不受端子连接影响而移动，可以迅速、安全地取出维修。

　　（12）节能效果突出

　　本系统有多种节能措施，如空调系统按预定的时间表运作，制冷系统实时根据冷量控制冷水机组的启动台数等，大大节省电量、水量及热量，以求获得更高的经济效益。

　　（13）提高劳动生产率及管理水平

　　实现了设备自动监控与管理，大大提高劳动生产率，使业主可减少部分工程人员和管理人员，节约人员开支。系统的综合统筹管理可使设备按最优组合运行，既可节能，又可大大减少损耗，减少设备维修费用。

　　（14）BACtalk系统安全性

　　BACnet系统安全方面的主要威肋来自于某些人有意或无意地改变了配置参数或控制参数。问题经常是由于某个出错的计算机，超出了安全考虑的范围。因此安全措施的一个重要地方是人--机接口处，由于人--机接口不屑于通信协议，因此厂家可根据需要自由地在该接口处设置密码保护、跟踪记录或其它控制措施。

　　1.4.3 BACtalk系统的组成

　　（1）BACtalk中央操作站

　　汉化的人机监控界面。图形编程、时间表控制、趋势记录以及其它自动控制功能的设置工具。艾顿BACtalk for Windows操作终端软件是一个真正的基于视窗的楼宇自控系统操作软件，通过BACtalk，在一台个人计算机上就可以监视和控制整个系统。BACtalk通过以太网，或者PTP串行口或modem与BACnet现场设备和其它厂家的BACnet兼容设备进行通讯。

　　BACtalk for Windows采用简单易用的图形化界面，它可以与其它应用软件同时运行。当出现报警时，不管屏幕窗口上其它运行程序活动情况，报警显示总是出现在最前面。

　　BACtalk全面支持BACnet功能：包括BACnet定义的时间表、图形或文本格式的趋势记录、能量记录、能量限制、报警记录、动态数据交换以及租户和操作人员的活动记录。用户操作级别设置保护系统免受非法访问。

　　（2）网络集成控制器和路由器

　　执行全局控制策略，通过VLC控制器协调设备的运行，管理自动控制功能的执行，传递网络信息。

　　（3）现场数字控制器

　　在线完全可编程控制器，通过MS/TP网络DDC参数值的变化和发生的事件（如报警）。浮点运算和模拟输出使它们功能强大应用灵活。

　　（4）传感器与执行器

　　现场操作单元（如Microset）和执行器（如风门、水阀）是控制器的附件（耳目），有时兼有现场服务模式设置和修改VLC控制器参数的功能。

　　（5）专用系统网关

　　针对不符合BACnet协议的专用系统，BACtalk备有相应的网关接口产品（如BtP ModBus），其提供的网关可将原专用网上的数据格式“翻译”成BACnet兼容设备能识别的格式，从而将其产品集成到BACtalk系统中。

　　1.4.4 系统功能设计

　　通过BACtalk楼宇控制系统对大楼内的机电设备系统实现智能化的监控：

　　制冷系统的监控

　　空调机组的监控

　　新风机组的监控

　　送风机系统的监控

　　供配电系统的监控

　　照明系统的监控

　　给排水系统的监控

　　本系统的设计特点是：

　　1、安全性----保证设备安全运行，提高设备的利用率。

　　A、实时检查设备的负载情况。

　　B、监视运行状态并自动切换。

　　C、自动记录运行时间。

　　D、自动执行顺序启停程序。

　　2、舒适性----提供良好的空气环境和灯光照明。

　　A、根据季节变化调节空调和通风系统。

　　B、按预定的程序对公共区域和环境照明进行控制。

　　3、节能性----有效减少能源消耗，降低管理成本。

　　A、设置节能程序软件，合理调控运行情况。

　　B、分析运行历史数据，进行优化组合。

　　4、高效性----提高设备运行效率，减少管理人员数量。

　　A、监测、诊断、记录自动进行，利于维护和保养。

　　B、一体化管理方式，减少维修人员工作强度。

　　根据以上描述,对各子系统功能分别进行说明如下：

　　冷水机组系统共4台机组，由中央站监控如下控制点：

　　（1）制冷系统

　　监控参数：

　　---监测冷冻水总供回水温度及总回水流量。

　　---监测冷冻水总压力差值。

　　---监测冷却水总回水温度。

　　---监测冷却塔供水温度。膨胀水箱、补水箱高、低液位报警。

　　---监测冷冻机组、冷冻水泵、冷却塔风扇及冷却水泵运行状态并记录累计运行时间。

　　---监测冷冻机组水流状态。

　　---调节冷冻水旁通阀开度，监测冷冻水、冷却水电动蝶阀、冷却塔电动蝶阀的开关。

　　---冷冻机组、冷冻水泵、冷却塔风扇及冷却水泵启停控制。

　　---控制冷冻机组、冷却水及冷冻水电动阀门开关。

　　---为了达到各冷却塔水位平衡及节省能源，控制冷却塔电动阀门开关。

　　控制方案：

　　A. 冷冻水压差控制

　　---用冷冻水总供回水的压力差，调节冷冻水旁通阀门开度，以保证末端水流控制能在正常情况下运作。

　　---在冷冻站系统停止运行时，旁通阀门全关。

　　B. 冷却水温度控制：

　　---冷却塔以供水温度来控制自身风扇的启停，除可维持供水温度，并达到节能目的。

　　---用冷却水总回水温度，控制冷却塔谍阀开关，维持在冷冻机可接收的正常温度范围内。

　　C. 冷冻机组群控：

　　---冷冻水泵、冷冻机组冷冻水电动阀门、冷冻机组连锁动作。

　　---冷冻站系统可按时间启停，亦可依据室外温度实现季节转换。

　　---冷冻机组启动顺序为：冷却塔电动阀门、冷却塔风扇、冷冻机组冷却水电动阀门、冷却水泵、冷冻机组冷冻水电动阀门、冷冻水泵、冷冻机组。停止顺序则与启动顺序相反程序及动作。

　　---由冷冻水总供回水温度差及回水流量，计算实际冷负荷，决定冷冻机组应运行台数，并自动启停冷冻机组以满足冷负荷需要。

　　---如运行水泵，冷冻机组或冷却风扇发生故障，备用组别自动投入。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示冷冻站系统所有参数，使操作员能了解整个冷冻站系统情况，并可作出参数分析，记录及打印报警信号。

　　（2）空调机组

　　系统设置11台空调机组

　　监控参数：

　　---监测回风温度，室外温度、室外湿度。

　　---由风压差开关测量风机两侧压差，监视风机运行状态，异常即报警，并记录风机累计运行时间。

　　---监测风机故障报警，霜动报警。

　　---由风压差开关测量空气过滤器两侧压差，压差超过设定值时报警，尽快进行维护工作。

　　---风机启停控制。

　　---调节冷水阀门开度。

　　控制方案：

　　---空调机，冷水阀门联锁动作。

　　---空调机可按时间(分时间段)启停。

　　---依据室外温度实现季节转换。

　　---空调机启动顺序为：启动风机，确认风机运行，调节冷水阀门控制回风温度。

　　---空调机停止顺序为：关闭冷水阀门，停止风机。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示空调机组所有参数，使操作员能清楚整个空调机组情况，并可作出参数分析，记录及打印报警信号。

　　（3）新风机组

　　系统设置8台新风机组

　　监控参数：

　　---监测送风温度。

　　---由风压差开关测量风机两侧压差，监视风机运行状态，异常即报警，并记录风机累计运行时间。

　　---监测风机故障报警，霜动报警。

　　---由风压差开关测量空气过滤器两侧压差，压差超过设定值时报警，尽快进行维护工作。

　　---风机启停控制。

　　---调节冷水阀门开度。

　　---控制新风阀门开关。

　　控制方案：

　　---新风机，新风阀门，冷水阀门联锁动作。

　　---新风机可按时间（分时间段）启停。

　　新风机启动顺序为：打开新风阀门，启动风机，确认风机运行，调节冷水阀门控制送风温度。

　　新风机停止顺序为：关闭冷水阀门，停止风机，关闭新风阀门。当送风温度过低，立即停止风机，发出低温报警。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示空调机组所有参数，使操作员能清楚整个新风机组情况，并可作出参数分析，记录及打印报警信号。

　　（4）送风机系统

　　监控功能：

　　---监测各风机运行状态及故障报警，并记录累计运行时间。

　　---控制送风机启停。

　　控制方案：

　　---按预先编排时间程序或与其它设备如空调机组联锁动作启停风机。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示各风机参数，并可依据实际需要修改。

　　（5）供配电系统

　　系统设置二路进线

　　监控参数：

　　---监测各高压进线柜进线开关状态，母线联络柜联络开关状态。

　　---监测各变压器运行温度信号。

　　---监测各高、低压配电柜电流、电压、功率因数、有功功率、耗电量及频率。

　　---监测发电机电流、电压、功率因数、有功功率、耗电量及频率，故障及运行状态。

　　控制方案：

　　---按监测耗电量参数，以预设的优先等级改变有关被控设备的启停时间。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示有关参数，方便操作员参数分析，并自动记录及打印报警。

　　（6）照明系统

　　监控参数：

　　---监测照明主配电盘回路开关状态。

　　---控制配电盘回路开关，并记录开关时间。

　　---按时间段控制室外、办公楼内的公共区域灯光。

　　---按时间段控制室外泛光照明、及景光照明。

　　控制方案：

　　---按预先编排的时间程序自动开关各配电盘回路，达到节能效果。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示有关参数，方便操作员参数分析，并自动记录及打印报警。

　　---如因用户需要延长办公时间，操作员可经过简单的修改时间表，并自动记录开关时间，方便征收用户额外的能源费用。

　　（7）给排水系统

　　监控参数：

　　---监测生活水泵，排污泵运行状态和故障报警，并记录累计运行时间。

　　---控制生活水泵，潜水泵启停。

　　控制方案：

　　---依据高位水箱高低水位状态自动控制生活水泵启停，维持水箱的正常水位。

　　---依据污水池高低水位状态自动控制潜水泵启停，维持水位的正常水位。

　　---依据污水池高低水位状态自动控制污水泵启停，维持水位的正常水位。

　　---当工作水泵运行超过设定正常时间后，水位仍未能回复正常，自动启动备用水泵，加快送水或排水速度。

　　---当运行水泵出现故障，备用水泵马上自动投入使用。

　　中央站功能：

　　---通过动态彩色图形显示各水系统参数，并自动记录及打印报警。

　　1.4.6 监控系统I/O点配置表

　　（参见附表一）（略）

　　1.4.7 监控系统设备配置表