暖通工程師重點八：樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計

1樓宇自控系統(tǒng)設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)是建筑設(shè)備自動化控制系統(tǒng)的簡稱。建筑設(shè)備主要是指為建筑服務(wù)的、那些提供人們基本生存環(huán)境(風(fēng)、水、電)所需的大量機電設(shè)備，如暖通空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、變配電設(shè)備以及給排水設(shè)備等，通過實現(xiàn)建筑設(shè)備自動化控制，以達到合理利用設(shè)備，節(jié)省能源、節(jié)省人力，確保設(shè)備安全運行之目的。

前些年人們提到樓宇自控系統(tǒng)，主要所指僅僅是建筑物內(nèi)暖通空調(diào)設(shè)備的自動化控制系統(tǒng)，近年來已含蓋了建筑中的所有可控的機電設(shè)備，并成為“智能建筑”不可缺的基本環(huán)節(jié)。樓宇自控系統(tǒng)的發(fā)展也是經(jīng)歷了從無到有，從低級到高級這一過程，實際上就是一個工業(yè)自動化控制系統(tǒng)發(fā)展的縮影。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、顯示技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、控制技術(shù)、表面安裝技術(shù)及其他高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，樓宇自控系統(tǒng)也將得到長足的發(fā)展，可以預(yù)見：

1)集散控制系統(tǒng)是現(xiàn)階段樓宇自控系統(tǒng)的主流;

2)現(xiàn)場總線技術(shù)是集散控制系統(tǒng)發(fā)展方向;

3)VLAN、TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在樓宇自控系統(tǒng)應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)Web化;

4)通用控制器與智能儀表共存;

5)廣泛采用以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論解決樓宇自控問題，取得成效;

6)系統(tǒng)集成技術(shù)取得進展，OPC、ODBC等技術(shù)被廣泛應(yīng)用;

7)人機界面、操作環(huán)境改善，符合人機工程學(xué)基本機理。

按建設(shè)部設(shè)計深度要求，一般民用建筑(對于具有特殊工藝要求的建筑物可能不完全適用)樓宇自控系統(tǒng)(BAS)設(shè)計，設(shè)計院至少應(yīng)做下列工作：

1)充分了解受控對象的工藝要求，作出相應(yīng)的控制原理圖;

2)受控對象控制種類統(tǒng)計(或稱控制器輸入/輸出狀態(tài)點表);

3)控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計;

4)平面布線規(guī)劃設(shè)計;

5)設(shè)計說明。

承包商(或供貨商)應(yīng)按設(shè)計院的設(shè)計內(nèi)容要求，做進一步的深化施工圖設(shè)計，包括提供產(chǎn)品的規(guī)格、材料、接線、安裝與維護等技術(shù)文件，并負責(zé)最終的安裝(或指導(dǎo)安裝)、調(diào)試及驗收申請。

但從目前眾多實施的工程來看效果不理想.有調(diào)查顯示：顧客對樓宇自控系統(tǒng)運行情況評價，“滿意”的占30%，“一般”的占40%，“差”的占30%。因此，本文旨在從專業(yè)設(shè)計實際出發(fā)，檢討設(shè)計中易出現(xiàn)的問題，以期舉一反三。

2若干問題

2.1對受控對象的工藝要求的了解不準確。

目前，電氣工程師(或自控工程師)對其他專業(yè)受控對象的工藝要求理解上的膚淺，甚至存在認識上的錯誤，而導(dǎo)致BAS運行效果欠佳的事例屢屢發(fā)生，其中暖通空調(diào)系統(tǒng)占較大比重，下面是一些工程中易出錯的實際問題，如：

(1)、設(shè)備專業(yè)規(guī)范《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》(GBJl9-87)中對舒適性空調(diào)的室內(nèi)參數(shù)曾作了總的規(guī)定：

需要注意的是，上述數(shù)據(jù)僅指設(shè)計基數(shù)的取值范圍，不是指受控對象允許變化波動的范圍，民用建筑舒適性空調(diào)設(shè)計一般也不提空調(diào)精度要求?？照{(diào)設(shè)計基數(shù)的選擇非常重要，實際工程應(yīng)由設(shè)備工程師結(jié)合我國氣候特點和國情分析研究慎重確定，選擇不利不但對投資、運行、能源消耗起負面的影響，而且還危及人員的健康。

(2)、對夏季、冬季及過渡季的認識深度不夠。空調(diào)系統(tǒng)所指的夏季、冬季及過渡季控制參數(shù)是按照夏季、冬季及過渡季三種狀態(tài)劃分的三種工況，對應(yīng)相應(yīng)的溫度、濕度或焓值等工作環(huán)境參數(shù)，如果僅僅按照夏季、冬季及過渡季的實際季節(jié)變化來簡單的理解，往往使得空調(diào)系統(tǒng)最終獲得不理想的控制效果。

(3)、暖通空調(diào)自控系統(tǒng)，其精髓在于把握空調(diào)工藝中的“定”和“變”兩字上。往往未能根據(jù)不同管路、不同工況下的“定風(fēng)(或定流)量”或“變風(fēng)(或變流)量”的特性要求設(shè)計自控系統(tǒng)，如制冷機冷凍/冷卻循環(huán)水定流量;新風(fēng)處理機組一般定新風(fēng)量;變風(fēng)量的空調(diào)機組分變新風(fēng)量(或定新風(fēng)比)和定新風(fēng)量(或變新風(fēng)比)等。

(4)、新風(fēng)處理機組大都采用“定新風(fēng)量”的設(shè)計，這一點往往沒有引起電氣控制工程師的足夠重視，在新風(fēng)閥的控制上一般僅要求位式控制，新風(fēng)閥多采用雙向單相(AC 220V/AC24V，三線)電機或電動執(zhí)行機構(gòu)位式控制;為盤管防凍新風(fēng)閥設(shè)計成與送風(fēng)機聯(lián)動;為防止風(fēng)閥壓差過大無法開啟，通常先打開新風(fēng)閥，后開送風(fēng)機，停風(fēng)機即關(guān)閥。

(5)、只有設(shè)有新風(fēng)預(yù)熱器的空氣處理機組，或混合點(或加濕后的狀態(tài)點)有可能低于0℃的空氣處理機組，或者冬季過渡季要求作全新風(fēng)運行且新風(fēng)溫度可能低于0℃的空氣處理機組，才有必要考慮運行防凍問題，采取新風(fēng)閥與機組聯(lián)動等防凍措施。

(6)、為了保證基本的室內(nèi)空氣品質(zhì)，可采用測量與控制室內(nèi)CO：濃度的方法來實現(xiàn)。但實際上暖通空調(diào)專業(yè)往往是以設(shè)計確定最小新風(fēng)量或換氣次數(shù)來實現(xiàn)的，若只是采用簡單的啟停機組的方式來控制室內(nèi)CO：濃度則沒有必要;否則涉及變風(fēng)量控制，控制較復(fù)雜，投資較大。

2.2控制原理描述不全面，受控對象控制種類統(tǒng)計不具體。

設(shè)計圖中見到的控制原理往往是千篇一律，不能根據(jù)具體實際工程做到有的放矢。受控對象的種類往往不能簡單的局限于AI、AO、DI、DO四種狀態(tài)，尤其是施工圖應(yīng)反映每種狀態(tài)中不同信號特點的電特性，以便控制模塊的選配。

2.3 IBMS和BAS以及集成概念模糊。

IBMS 和BAS應(yīng)是兩個層次的概念，BAS體現(xiàn)在控制子系統(tǒng)間的網(wǎng)絡(luò)通訊的互連;IBMS則體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的整合，也就是說IBMS體現(xiàn)集成的概念比較準確。一般在設(shè)計中比較注重控制子系統(tǒng)間控制功能聯(lián)動的描述，這往往被理解稱集成設(shè)計，從信息系統(tǒng)集成來講。設(shè)計應(yīng)以用戶需求為基礎(chǔ)，做運行維護管理業(yè)務(wù)模型的規(guī)劃設(shè)計，IBMS與BAS共用管理工作站。

(1)、服務(wù)模塊——提供性能優(yōu)越的服務(wù)環(huán)境。

現(xiàn)代智能大廈在應(yīng)用了樓宇自控系統(tǒng)之后，可根據(jù)季節(jié)、空氣狀態(tài)情況的變化，通過調(diào)節(jié)新風(fēng)閥的開度等方式，自動控制空調(diào)機組、新風(fēng)機組的送風(fēng)溫度，并可針對不同區(qū)域提供最佳的溫濕度控制，保證各區(qū)域環(huán)境參數(shù)。在中控室，提供給用戶一個觀察整個系統(tǒng)運行狀態(tài)的窗口，通過測量實際信息，可對溫度、壓力、流量等重要信息進行實時顯示和存儲，操作人員可以查看某個變量一段時間的變化統(tǒng)計曲線作出趨勢預(yù)測，提前作出有效響應(yīng)，進而保障整個系統(tǒng)的平穩(wěn)遠行。軟件規(guī)劃多種運行服務(wù)功能。

(2)、節(jié)能模塊——降低能耗和管理成本。

在滿足舒適性的前提下，樓宇自控系統(tǒng)通過合理組織設(shè)備運行，使大樓的運行費用為最低，也就是進行系統(tǒng)優(yōu)化控制，降低能耗值。系統(tǒng)軟件設(shè)有節(jié)能程序，可以根據(jù)季節(jié)、人員和空氣流動情況的變化，將各區(qū)域的溫度加以合理調(diào)整，控制設(shè)備合理運行，使大樓的能耗降至最低，而且系統(tǒng)可以在運行一到兩年后分析歷史運行數(shù)據(jù)，提供優(yōu)化調(diào)整，使大樓能耗進一步下降。軟件規(guī)劃多種運行節(jié)能措施。

(3)、安全模塊——提供突發(fā)故障的預(yù)防手段。

如果現(xiàn)代智能大廈的機電設(shè)備突然發(fā)生故障而停機，將對大廈產(chǎn)生嚴重后果。樓宇自控系統(tǒng)可從以下幾個方面預(yù)防這種局面的出現(xiàn)：

①、隨時檢查設(shè)備的實際負載和額定負載，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備過載，立即自動卸載同時向中央控制室發(fā)出報警信號，以防損壞貴重設(shè)備。

②、監(jiān)視設(shè)備運行狀況，一旦發(fā)現(xiàn)其中某臺設(shè)備運行異常，立即報警通知檢修人員前去檢查，以防引起更大范圍的設(shè)備故障。

③、自動記錄設(shè)備的累計運行小時數(shù)。當(dāng)累計值達到規(guī)定的維修時間時，自動報告中央控制室，及時提醒進行設(shè)備檢修。

④、當(dāng)一組設(shè)備中的某臺設(shè)備出現(xiàn)故障不能繼續(xù)運轉(zhuǎn)時，自動切換到備用設(shè)備;同時，對于臨時停電的情況，當(dāng)恢復(fù)供電后，系統(tǒng)自動執(zhí)行順序啟動程序，可保證設(shè)備投運順利，避免對設(shè)備的損害。

通過上述檢測、報警和處理方式，使現(xiàn)代智能大廈對機電設(shè)備突發(fā)故障具備有效的預(yù)防手段，以確保設(shè)備和財產(chǎn)安全。

(4)維護模塊——提高設(shè)備運行效率、減少管理人員數(shù)量。

通過對設(shè)備運行狀況的監(jiān)測、診斷和記錄.早期發(fā)現(xiàn)和排除故障，及時通知維護和保養(yǎng)，保證設(shè)備始終處于良好的工作狀態(tài)。

樓宇自控系統(tǒng)對設(shè)備的有效監(jiān)控，可使設(shè)備的故障率大大降低，同時也使維修工人可以更有效的工作，減少維修人員的數(shù)量;一體化管理方式，使操作、值班和管理人員盡可能地減少。

(5)擴展模塊——系統(tǒng)具有良好的擴展性，保證今后擴展的需要。

系統(tǒng)選用時應(yīng)始終遵循標(biāo)準化、開放性的原則，系統(tǒng)容量可以有適當(dāng)?shù)娜哂啵赃m應(yīng)日后的擴展。且應(yīng)保證與其它系統(tǒng)的兼容性，可方便實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的信息共享。

(6)、仿真模塊——系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)功能，可進行人員培訓(xùn)、資料管理等。

2.4各系統(tǒng)設(shè)計界面不夠周到、清晰。

樓宇自控系統(tǒng)作為大樓內(nèi)的一個重要組成系統(tǒng)，其實現(xiàn)自身的功能設(shè)計已經(jīng)比較成熟和完善，但在系統(tǒng)實施過程中，經(jīng)常由于系統(tǒng)界面的問題而導(dǎo)致系統(tǒng)的最終功能不夠完善，丟項、甩項等事情經(jīng)常發(fā)生。

由于設(shè)計界面的問題牽扯的面比較多，涉及到工程實施中的暖通空調(diào)、給排水、變配電等多個專業(yè)。因此，在工程的前期將設(shè)計界面的問題進行明確，非常必要。

從另一個角度講，將設(shè)計界面的問題進行明確，可以使業(yè)主在工程的前期或在設(shè)備定貨之前，就明確提出界面接口要求，從而可以實現(xiàn)樓宇自控系統(tǒng)的完整性。

◎明確各方的責(zé)任及工作內(nèi)容，避免出現(xiàn)問題時，互相扯皮。

◎確保實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的全部功能，避免資金的浪費。

(1)、與調(diào)節(jié)/控制的風(fēng)閥及水閥的設(shè)計界面

一般系統(tǒng)中風(fēng)閥與水閥的規(guī)格及控制模式，由設(shè)備工程師根據(jù)工況條件計算確定。因此，風(fēng)閥與水閥調(diào)節(jié)/控制設(shè)計應(yīng)與設(shè)備工程師配合，了解風(fēng)閥與水閥的電動操作機構(gòu)，配置相適應(yīng)控制器。實際工程設(shè)計中，設(shè)備招標(biāo)前風(fēng)閥與水閥的電動操作機構(gòu)往往難以準確確定，DDC輸出類型。

還存在另一種情況，調(diào)節(jié)閥由控制工程師選配，這時需設(shè)備工程師提出控制工況要求，控制工程師應(yīng)根據(jù)管徑計算選擇調(diào)節(jié)閥規(guī)格及控制模式。

風(fēng)閥的控制應(yīng)根據(jù)工況要求選擇電動操作機構(gòu)或配電子定位裝置。

(2)、與配電控制箱的設(shè)計界面

◎配電控制箱內(nèi)設(shè)本地與遠程轉(zhuǎn)換開關(guān)和控制用隔離中間繼電器(無源或有源AC220V，見下圖)，本地手動控制，遠程靠BAS的DDC向配電控制裝置發(fā)出遙控啟/停信號，并接收風(fēng)機運行狀態(tài)、過負荷及本地/遠程控制轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)信號。

◎ 本地DDC的電源(AC 220V)由配電控制箱提供，上圖DDC有源控制和無源控制兩種方式，筆者認為優(yōu)選有源控制，因有時配電控制回路并未設(shè)控制隔離變壓器，這樣無源控制觸點有可能直接接人AC 220V回路，造成與其他控制線路不能共管敷設(shè);另一方面，自控系統(tǒng)的控制電源宜由自己提供，避免造成扯皮現(xiàn)象。

以上這些需要在采購配電控制箱之前提出來，便于廠家加工。

(3)、與制冷機組、電梯等自帶控制裝置的設(shè)計界面

一種是將監(jiān)控信號采用干接點的方式接人BAS的DDC;一種是采用通信接口點對點或總線的方式接入BAS。干接點的方式實現(xiàn)起來比較簡單，也比較可靠，不足之處是采集的信息量比較少;采用通信接口的方式可以克服干接點的不足，但實現(xiàn)起來比較難，受通信協(xié)議是否標(biāo)準、廠家是否開放編碼表等因素的制約。

(4)、與變配電、照明等系統(tǒng)的設(shè)計界面系統(tǒng)中的遙控單元、智能化儀表或開關(guān)、照明控制單元、電參數(shù)變送器等自動化器件，應(yīng)配合強電設(shè)計選配，預(yù)置在配電柜或照明箱中。

2.5缺乏合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃設(shè)計。

在樓宇自控系統(tǒng)未招標(biāo)選定設(shè)備前，設(shè)計院往往對樓宇控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃設(shè)計不是很明確，DDC的布置比較隨意，只注重控制原理及點表，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)形式、執(zhí)行標(biāo)準、設(shè)備配置標(biāo)準選用等方面的設(shè)計相對來講比較薄弱。

現(xiàn)在提起“Bus(總線)”、“Network(網(wǎng)絡(luò))”可謂名目繁多，令人眼花燎亂。但“Field Bus(現(xiàn)場總線)”因其對工控機(包括DCS、PLC、工業(yè)PC、數(shù)控等)、自動化儀表和過程控制自動化產(chǎn)生的巨大影響，已成為世人囑目“熱點”。早已有人把現(xiàn)場總線描述成“21世紀的過程控制總線”，“自動控制領(lǐng)域開創(chuàng)了一個新的時代一一現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)”。目前，在樓宇各自動化控制系統(tǒng)中底層流行采用現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，隨著工控計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展在建筑業(yè)廣泛普遍的應(yīng)用，現(xiàn)場總線技術(shù)必將成為“智能建筑”領(lǐng)域主要的發(fā)展方向之一。

伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，BAS已不可缺少的成為 Internet/Intranet網(wǎng)的一部分。樓宇自控系統(tǒng)雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部也將隨之發(fā)生變化，DDC以上的物理鏈路可通過建筑物內(nèi)綜合布線系統(tǒng)完成，采用VLAN技術(shù)可基于TCP/IP與其它系統(tǒng)共用LAN，通過OPC標(biāo)準通信協(xié)議進行系統(tǒng)界面互聯(lián)。

3結(jié)論

為充分發(fā)揮樓宇自控系統(tǒng)的功能，需要設(shè)計單位周密詳細的設(shè)計論證、統(tǒng)一規(guī)劃，需要工程施工單位精心施工，更需要系統(tǒng)集成商以高度負責(zé)的態(tài)度，從用戶角度出發(fā)，為每一個項目選擇一個適合它本身的功能配置，甲方也盡早配備相應(yīng)工程技術(shù)人員，加入到項目實施中，這樣才有助于項目的接受和系統(tǒng)的運行維護，從而真正發(fā)揮樓宇自控系統(tǒng)的功效，創(chuàng)造良好的社會經(jīng)濟效益。

此外，盡管要電氣工程師或控制工程師全面掌握相關(guān)專業(yè)知識很困難，但為便于與設(shè)備等相關(guān)專業(yè)工程師溝通，使設(shè)計的控制系統(tǒng)符合工況要求，正常合理運行，必需了解一些概念性的知識，及早消除目前設(shè)計行業(yè)中專業(yè)相關(guān)環(huán)節(jié)之間的“灰色地帶”是關(guān)系系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵所在。