樓宇自動化系統(tǒng)也叫建筑設備自動化系(BuildingAutomationSystem簡稱BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任務是對建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設施進行監(jiān)測、控制等，以提供一個既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。

　　1樓宇自動化系統(tǒng)的組成與基本功能

　　建筑設備自動化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(tǒng)。根據(jù)我國行業(yè)標準，BAS又可分為設備運行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)，如圖所示。一般情況下，這兩個子系統(tǒng)宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨立設置，也應與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系以便災情發(fā)生時，能夠按照約定實現(xiàn)操作權轉(zhuǎn)移，進行一體化的協(xié)調(diào)控制。

　　建筑設備自動化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：

　　(1)自動監(jiān)視并控制各種機電設備的起、停，顯示或打印當前運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

　　(2)自動檢測、顯示、打印各種機電設備的運行參數(shù)及其變化趨勢或歷史數(shù)據(jù)。

　　(3)根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負載變化情況自動調(diào)節(jié)各種設備，使之始終運行于最佳狀態(tài)。

　　(4)監(jiān)測并及時處理各種意外、突發(fā)事件。

　　(5)實現(xiàn)對大樓內(nèi)各種機電設備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。

　　(6)能源管理：水、電、氣等的計量收費、實現(xiàn)能源管理自動化。

　　(7)設備管理：包括設備檔案、設備運行報表和設備維修管理等。

　　2樓宇自動化控制系統(tǒng)的原理

　　樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計算機控制系統(tǒng)，也稱分布式控制系統(tǒng)(Distributedcontrolsystems簡稱DCS)。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場被控設備處的微型計算機控制裝置(DDC)完成被控設備的實時檢測和控制任務，克服了計算機集中控制帶來的危險性高度集中的不足和常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計算機具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報警、打印與優(yōu)化控制等任務，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機聯(lián)系困難、無法統(tǒng)一管理的缺點，保證設備在最佳狀態(tài)下運行。

　　以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關的幾個概念。

　　2.l直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DDC)

　　直接數(shù)字控制系統(tǒng)(DirectDigitalControl簡稱DDC)如圖2所示。計算機通過模擬量輸入通道(AI)和開關量輸入通道(DI)采集實時數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進行計算，最后發(fā)出控制信號，并通過模擬量輸出通道(AO)和開關量輸出通道(DO)直接控制生產(chǎn)過程。因此DDC系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計算機在工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍的一種應用方式。

　　DDC系統(tǒng)中的計算機直接承擔控制任務，因而要求實時性好、可靠性高和適應性強。

　  2.1.1直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成

　　直接數(shù)字控制系統(tǒng)主要由過程輸入通道、過程控制計算機、過程輸出通道三部分組成。

　　過程輸入通道由模擬量輸入和數(shù)字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開關、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和接口電路組成。其中變送器的作用是將非電量信號變換成標準電信號，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號，它是通過A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。—數(shù)字量輸入通道由開關觸點、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過程的通/斷狀態(tài)的觸點信號，經(jīng)過光電耦合器和接口電路變換成數(shù)字信號送給計算機。

　　過程控制計算機直接承擔運算和控制任務，首先通過過程輸入通道采集被控對象的各種參數(shù)信號，再根據(jù)預定的控制規(guī)律(如PID)進行運算，然后向被控對象發(fā)出控制信號，再通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構。

　　過程輸出通道由模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。前者把計算機輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，再經(jīng)過放大器去驅(qū)動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。這一部分由接口電路、D/A轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。后者把計算機輸出的開關信號，經(jīng)放大器去驅(qū)動電磁閥和繼電器執(zhí)行器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。

　　2.1.2直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基本算法

　　按照偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術成熟、應用最為廣泛的一種基本規(guī)律，將PID控制規(guī)律離散化并在計算機上實現(xiàn)，可以方便地利用已積累的成熟技術，而且可以在被控對象的數(shù)學模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過在線整定達到滿意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的數(shù)字PID算法，已被工業(yè)過程計算機控制系統(tǒng)普遍采用，成為DDC系統(tǒng)的基本算法。

　數(shù)字PID控制算法，模擬量調(diào)節(jié)器的理想PID算式為

　　式中e(t)——偏差(設定值與實際輸出值之差)

　　u(t)——控制量

　　Kp——比例放大系數(shù)

　　Ti一積分時間常數(shù)

　　Td——微分時間常數(shù)

　　寫成傳遞函數(shù)形式

　　為了能在計算機上實現(xiàn)，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方程。設了為采樣周期(與系統(tǒng)時間常數(shù)相比，T足夠小)，k為采樣序號(k=0，1，2，……)，可用矩形法計算而積以差分代替微分

　　式中e(k)——第k次采樣所得偏差值

　　e(k-1)——第(k-1)次采樣所得偏差值

　　u(k)——第k時刻的控制量

　　上式中的采樣周期T越小(與系統(tǒng)時間常數(shù)比較而言)，則被控過程與連續(xù)控制過程越接近，又稱為“準連續(xù)控制”。

　　2.2分布式控制系統(tǒng)的體系結構

　　分布式控制系統(tǒng)(DistributedControlSystems簡稱DCS)20世紀于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來，它將計算機技術、控制技術、圖形顯示技術和通信技術匯集于一體，可對分散在現(xiàn)場的設備進行控制，又可方便地集中管理、操作，與以往的控制系統(tǒng)相比，既避免了單臺計算機集中控制的不足，又克服了常規(guī)儀表人機交互困難的缺點。

　　分布式控制系統(tǒng)的多臺微型計算機取代了集中控制系統(tǒng)的單臺計算機，從體系結構上分散了危險性，提高了可靠性。其基本結構功能如圖3所示，圖中現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計算機和管理計算機通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡被有機地結合起來，組成分級分布控制系統(tǒng)。

　  2.2.1分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡

　　數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡是分布式控制系統(tǒng)的支柱。整個分布式控制系統(tǒng)的結構，實質(zhì)上是一個網(wǎng)絡結構，現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計算機等都是這個網(wǎng)絡上的“節(jié)點”，都含有CPU和網(wǎng)絡接口，它們都有自己特定的網(wǎng)絡地址(節(jié)點號)，可以通過網(wǎng)絡發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡中的各節(jié)點處于平等地位，既能共享資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又使危險分散的功能結構，網(wǎng)絡的架構區(qū)具有極大的伸縮性，可擴性很強，可以滿足分布式控制系統(tǒng)擴充與升級的需要，十分靈活、方便。

　　(1)控制網(wǎng)絡特點分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡不同于通用計算機網(wǎng)絡，與一般的通信網(wǎng)絡比較，它有如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求傳遞的信息絕對準確、可靠，為此常采用冗余技術、后備措施和自診斷功能。如：控制站采用雙CPU板，雙I/0板等。②具有良好的實時性。③對環(huán)境適應性強。

　　(2)網(wǎng)絡拓撲結構建筑設備自動化系統(tǒng)常用的有總線網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種結構中任意兩節(jié)點通信可直接通過網(wǎng)絡進行，各節(jié)點處于平等地位。

　　(3)網(wǎng)絡通信協(xié)議組成建筑設備自動化系統(tǒng)，必須有一種大家都能接受并且共同遵守的工作語言來實現(xiàn)相互之間的對話，這就是數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準。

　　用于建筑自動化控制網(wǎng)絡的BACnet協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層組成，或相當于開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(OSI)的第一、二、三、七層協(xié)議

　　其中：ARCnet為令牌總線網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5-20bit/s，有良好的實時性。MS/TP是一種主/從令牌傳遞數(shù)據(jù)鏈路層技術，允許使用EIA-485硬件。BACnet實現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠家自控系統(tǒng)之間進行通信的技術，即從一個“島”到另一個“島”之間進行相互聯(lián)系的技術。

　　2.2.2現(xiàn)場總線技術的應用——分布式控制系統(tǒng)的進一步分散化

　　(1)現(xiàn)場總線概況現(xiàn)場總線(Fieldbus)是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結構的通信網(wǎng)絡。

     不同的現(xiàn)場總線遵循的協(xié)議不同，接口標準不同，各具特色。現(xiàn)場總線技術具有如下一些特點：①以數(shù)字信號取代4-20mA的模擬信號，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，因此現(xiàn)場總線具有很高的性能價格比。②現(xiàn)場總線把處于設備現(xiàn)場的智能儀表(智能傳感器、智能執(zhí)行器)連成網(wǎng)絡，使控制、報警、趨勢分析等功能分散到現(xiàn)場儀表，使控制結構進一步分散化，導致控制系統(tǒng)體系結構的變化。③符合同一現(xiàn)場總線標準的不同廠家的儀表、裝置可以聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)互操作，不同標準通過網(wǎng)關或路由器也可互聯(lián)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)。

　(2)LonWorks技術

　　LonWorks是一種完全分布式控制的局部操作網(wǎng)(LocalOperatingNetwork—LON)技術。LonWorks網(wǎng)絡節(jié)點由神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、固件和I/O接口電路組成。神經(jīng)元芯片(Neuronchip)是這種智能節(jié)點的核心，它由媒體訪問控制處理器、網(wǎng)絡處理器和應用處理器組成，這就使得節(jié)點既能管理網(wǎng)絡通信，又具有控制功能。Neuron芯片方塊圖。

　　芯片附有固件，該固件實現(xiàn)LonTalk通信協(xié)議和所有的任務調(diào)度。LonTalk協(xié)議遵循世界標準組織ISO提出的開放式互聯(lián)參考模型OSI，具有完整的7層協(xié)議，管理網(wǎng)絡節(jié)點的通信，分配節(jié)點地址，運行內(nèi)含的沖突/檢測回避算法，控制物理/電氣的連接等。

　　Neuron芯片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪問控制處理器和網(wǎng)絡處理器，LonTalk協(xié)議固化在芯片的ROM中，使得LonWorks的微型節(jié)點無需中心結構的完全分布式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場級儀表。

　　LonWorks網(wǎng)絡，可以采用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、光纜、無線電、紅外線，并且提供與上述多種媒體相適應的收發(fā)器，這使得同一網(wǎng)絡中的信號可以在不同的媒體之間傳輸，因而可以根據(jù)需要組網(wǎng)，不同媒體之間以路由器進行連接。

　　LonMark是為了避免眾多制造商以不同的含義來解釋LonWorks技術，保證不同的產(chǎn)品能夠方便地集成一起，以便構成一個真正開放的系統(tǒng)，而制定的一個行業(yè)標準。

　　(3)分布式控制系統(tǒng)的進一步分散化

　　傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場控制站這一級依然是一個集中式結構，而現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)是在原有分布式控制系統(tǒng)的基礎上，采用LonWorks現(xiàn)場總線的建筑設備自動化系統(tǒng)發(fā)展起來的新系統(tǒng),標準LAN為原有的分布式控制系統(tǒng)，使用BACnet協(xié)議，以利于實現(xiàn)多種供應商的不同類型的子系統(tǒng)之間的通信信息交換，把具有控制功能的各個島連成一個整體。新增的LonWorks現(xiàn)場總線使用LonTalk協(xié)議，把控制功能進一步分散到現(xiàn)場級儀表，標準LAN與現(xiàn)場總線之間的路由器相聯(lián)。這樣BACnet和LonMark兩項標準互相補充，互為依托，構成一個完全分散的、真正開放的建筑設備自動化系統(tǒng)。

　　3樓宇自動化系統(tǒng)設備的發(fā)展歷史及相關產(chǎn)品簡介

　　樓宇設備自動化系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品：

　　第一代：CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)(20世紀70年代產(chǎn)品)

　　BAS從儀表系統(tǒng)發(fā)展成計算機系統(tǒng)，采用計算機鍵盤和CRT構成中央站，打印機代替了記錄儀表，散設于建筑物各處的信息采集站DGP(連接著傳感器和執(zhí)行器等設備)通過總線與中央站連接在一起組成中央監(jiān)控型自動化系統(tǒng)。DGP分站的功能只是上傳現(xiàn)場設備信息，下達中央站的控制命令。一臺中央計算機操縱著整個系統(tǒng)的工作。中央站采集各分站信息，作出決策，完成全部設備的控制，中央站根據(jù)采集的信息和能量計測數(shù)據(jù)完成節(jié)能控制和調(diào)節(jié)。

　　第二代：DCS集散控制系統(tǒng)(20世紀80年代產(chǎn)品)

　　隨著微處理機技術的發(fā)展和成本降低，DGP分站安裝了CPU，發(fā)展成直接數(shù)字控制器DDC。配有微處理機芯片的DDC分站，可以獨立完成所有控制工作，具有完善的控制、顯示功能，進行節(jié)能管理，可以連接打印機、安裝人機接口等。BAS由4級組成，分別是現(xiàn)場、分站、中央站、管理系統(tǒng)。集散系統(tǒng)的主要特點是只有中央站和分站兩類接點，中央站完成監(jiān)視，分站完成控制，分站完全自治，與中央站無關，保證了系統(tǒng)的可靠性。

　　第三代：開放式集散系統(tǒng)(20世紀90年代產(chǎn)品)

　　隨著現(xiàn)場總線技術的發(fā)展，DDC分站連接傳感器、執(zhí)行器的輸人輸出模塊，應用LON現(xiàn)場總線，從分內(nèi)部走向設備現(xiàn)場，形成分布式輸入輸出現(xiàn)場網(wǎng)絡層，從而使系統(tǒng)的配置更加靈活，由于LonWorks技術的開放性，也使分站具有了一定程度的開放規(guī)模。BAS控制網(wǎng)絡就形成了3層結構，分別是管理層(中央站)、自動化層(DDC分站)和現(xiàn)場網(wǎng)絡層(LON)。

　　第四代：網(wǎng)絡集成系統(tǒng)(21世紀產(chǎn)品)

　　隨著企業(yè)網(wǎng)Intranet建立，建筑設備自動化系統(tǒng)必然采用Web技術，并力求在企業(yè)網(wǎng)中占據(jù)重要位置，BAS中央站嵌入Web服務器，融合Web功能，以網(wǎng)頁形式為工作模式，使BAS與Intranet成為一體系統(tǒng)。

　　網(wǎng)絡集成系統(tǒng)(EDI)是采用Web技術的建筑設備自動化系統(tǒng)，它有一組包含保安系統(tǒng)、機電設備系統(tǒng)和防火系統(tǒng)的管理軟件。

　　EBI系統(tǒng)從不同層次的需要出發(fā)提供各種完善的開放技術，實現(xiàn)各個層次的集成，從現(xiàn)場層、自動化層到管理層。EBI系統(tǒng)完成了管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的一體化。網(wǎng)絡集成系統(tǒng)結構圖如圖7所示。

　　目前，規(guī)模和影響較大的樓宇設備供應公司有美國霍尼維爾公司、江森公司、KMC公司、德國西門子公司等。

　　4結束語

　　樓宇自動化控制技術在我國還是一個新興的技術領域，隨著更多智能建筑的出現(xiàn)，將有更加先進的技術補充到這一領域中，使這一技術更加成熟、完善。