建筑设备自动化系统的现状与发展趋势

倪江楠，陈昌铎

（河南工业职业技术学院机电自动化学院，河南南阳473000）



建筑设备自动化系统的现状与发展趋势

倪江楠，陈昌铎

（河南工业职业技术学院机电自动化学院，河南南阳473000）

摘要：建筑设备自动化系统（BAS）是现代控制理论在建筑物中的应用。狭义建筑设备自动化系统的监控范围包括暖通空调、给水排水、供配电、照明、电梯等设备。而广义的建筑设备自动化是在狭义建筑设备自动化系统的基础上增加消防与安防设备系统的监控。分析了建筑设备自动化系统的现状及发展趋势。

关键词：建筑设备自动化系统；智能控制；建筑物；发展趋势

1　建筑设备自动化系统简介

建筑设备（建筑物）自动化系统（Building Automation System，简称BAS）是现代控制技术在建筑物中的应用，它是根据现代控制理论和控制技术，采用现代计算机技术，对建筑物（或建筑群）的电力、照明、空调、给水排水、防灾，保安，车库管理等设备或系统，以集中监视、控制和管理为目的而构成的综合系统，以使建筑物内的有关设备合理、高效地运行，就是广义的BAS。

在建筑物内设置BAS的目的是使建筑物成为具有最佳工作与生活环境、设备高效运行、整体节能效果最佳而且安全的场所。BAS的整体功能可以概括为以下4个方面：①对建筑设备实现以最优控制为中心的过程控制自动化；②实现以运行状态监视和计算为中心的设备管理自动化；③实现以安全状态监视和灾害控制为中心的防灾自动化；④实现以节能运行为中心的能量管理自动化。

有时将防灾自动化（包括火灾报警和安全防范系统）和广播、通信系统分离开来，形成狭义的建筑设备自动化系统（亦称建筑设备监控系统）。

1．1组成

建筑设备自动化系统通常包括暖通空调系统、给水排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统等机电设备，而将智能建筑的消防和安全防范系统另外划为两个系统来考虑。

1．2系统的控制方式—集散型控制

集散型控制是20世纪70年代后期，随着计算机与通信等技术的发展而诞生的一种先进而有效的控制方式。目前，在建筑设备自动化系统中应用最为广泛的是集散型控制系统，系统分为三级管理。第一级是设在控制中心的中央管理主机，为管理级。第二级是分散在各系统处的直接面向各系统的直接数字控制器（DDC-Direct Digital Control），为监控级。第三级是各系统现场的设备与控制器之间通过各种不同的传感器及执行元件相连，为现场控制级。

其中，中央管理主机部分具有对建筑设备自动化系统中的所有设备集中显示与操作、优化控制、统一管理的功能。即对楼宇设备的运行操作人员提供人机界面，使操作员可以通过主机显示器及时了解各子系统的现场运行状况、各种运行参数的当前值、以及是否有异常情况发生等，并可进行系统设备的控制和运行参数的调节，以保证各种机电设备运行安全可靠、高效率、高质量。同时该主机还具有对历史数据进行处理以及对设备进行管理的功能。

直接数字控制器（DDC）是系统的核心设备。它分布在现场被控设备处，对现场的设备进行监测、保护与控制，同时具有通信的功能，实现现场各系统DDC间的信息互通，可以向上级管理计算机通报现场设备的状态与参数，并且也接受上级的优化控制命令，即所谓的集中管理、分散控制。该控制系统在中央管理主机出现故障时，下层的DDC仍然能够独立实施控制，保证了系统的可靠性。设备自动化各子系统与DDC的输入和输出端口相连。根据信号形式的不同，DDC的输入和输出有四种：一是模拟量输入（AI），有温度、湿度、压力、流量等；二是开关量输入（DI），有水流开关、风速开关、压差开关等；三是模拟量输出（AO），有输出控制风阀、水阀的开度等；四是开关量输出（DO），有风机、水泵、压缩机的启停控制等。

1．3控制功能

智能建筑设备自动化系统的控制功能，比传统的终端控制系统的优势体现在具有对所有设备进行监视的功能、检测功能、事故保护、自动控制及节能和集中管理功能等几个方面。如监视控制各种机电设备启停状态；检测各种设备的运行参数；自动调节各种设备以达到优化工作状态并节能；检测并及时处理故障意外突发事件；大楼内各系统机电设备统一管理、协调控制；管理的功能（包括设备管理和能源管理）等。

2　建筑设备自动化系统的发展史

BAS随着有关技术的发展，经历了4个发展阶段，下面进行介绍。

2．1第一代是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控制系统。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连接传感器和执行器等现场设备，再通过总线与中央站连接在一起，组成中央监控建筑自动化系统。DGP分站的功能是上传现场设备信息，做出决策，完成全部设备的控制，并根据采集的信息和能量计测数据完成节能控制和调节。通常情况下，在中控室也安装火灾报警消防系统和保安系统，但这两套系统都是各自独立的。通过硬件连接，三个系统之间可以有适当的连锁控制。

第一代BAS产品有代表性的是Honeywell公司的Delta1000系统。

2．2第二代是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，这种集散控制系统最早在1975年由Honeywell公司发明并应用于工业控制系统，20世纪80年代引入BAS领域，并发展成BAS的主流技术。

中国国家标准民用建筑电气设计规范JGJ／T16-1992将集散控制系统列为理想的优化的BAS系统，称之为TDS（Total Distributed System）集散系统。其定义为：一种多机组成的，逻辑上具有分级管理和控制功能的分级分布式系统，由一个中央站和若干个分站组成。与过去传统的计算机控制方法相比，它的控制功能尽可能分散，管理功能尽可能集中。它是由中央站、分站、现场传感器与通信通道连接起来。分站就是上述以微处理为核心的DDC控制器。它分散于整个系统各被控设备的现场，与现场的传感器及执行器等直接连接，实现对现场设备的检测与控制。中央站实现集中监控和管理功能，如集中监视、集中启停控制、集中参数修改、报警及记录处理等。可以看出，集散型控制系统的集中管理功能由中央站完成，而控制与调节功能由分站即DDC控制器完成。

BAS从此具有分布智能化管理功能。根据规范JGJ／T16-1992给出的系统结构图，BAS由现场、分站、中央站和管理系统四级组成。

2．3第三代是开放式集散系统（20世纪90年代产品）

20世纪90年代，随着现场总线技术的发展，DDC分站连接传感器执行器的输入输出模块应用LON现场总线，从总站内部走向设备现场，形成分布式输入输出现场网络层。因此，系统的配置更加灵活，输入输出模块可直接安装在强电控制柜中，减少了现场布线材料和安装劳务成本，由于Lon-Works技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放性。这样，BAS控制网络就形成了三层结构，分别是管理层（中央站）、自动化层（DDC分站）和现场网络层（LION），分别对应于JGJ／T16-1992标准中3、2、1三级。这类DDC可视为主控制器，控制冷热源、空调机风机、给水排水、变配电等。

末端设备的单元控制器，由于变风量箱、风机盘管单元等，已广泛采用具有LonMark标记的现场总线产品，满足了用户对开放性的要求，这些产品可以互换操作，降低了BAS的寿命周期成本。这类DDC可视为第二级控制器，用于控制独立房间或远方设备，其特点是功能较为简单、分布广泛、数量多，对寿命周期成本影响最大。

2．4第四代是网络集成系统（21世纪产品）

建筑物自动化系统是企业建筑的实时控制网络，它是重要的企业内部信息资源。因而，必然是企业网数字化互动连接的组成部分。所以，需要把建筑物自动化系统的服务器改造成为基于Web的工作模式，融合Web功能和赋予Web网络管理技术，使企业网的授权客户，可以通过WWW形式去监控管理建筑物自动化系统，因此，传统独立的控制系统BAS就成为企业网的一部分，进而和传统独立的管理系统协调一致的工作。这个过程，可称建筑物自动化系统的网络Web化，从控制和管理协同工作这一意义上来说，也有集成化的含义，即控制管理一体化。集成化不仅为网络Web化提供了简单的路由，还使得在实际操作中，可以简单地将一个Web服务器加到中央站即可完成整个系统的网络Web化工作。当然，这个Web服务器在该中央站还必须有后台数据库服务器支持。

建筑物自动化系统Web化的目的是使管理信息和控制信息一体化。

3　建筑设备自动化的发展趋势

随着信息技术与智能控制技术的不断发展，建筑设备自动化技术也必然会随之快速发展。在可预见的未来，建筑设备自动化技术的发展趋势有以下几个方面。

3．1工业以太网

尽管现场总线作为实时的数字通讯系统在工业工程控制和建筑设备自动化系统中获得了广泛的应用。但是现场总线这类专用的实时通信网络有成本高、速度低、支持的应用有限和国际标准兼容性差（IEC61158中含有互不兼容的8个现场总线标准）等问题，如何利用现有的网络技术来满足工业控制需要，是目前迫切需要解决的问题，其中，如何把以太网（Ethernet）应用到工业，已经成为工业控制和实时通信研究的热点。

以太网具有成本低、稳定、可靠等诸多优点，已成为最受欢迎的通信网络之一。然而，由于以太网是多个站点共享传输信道，存在数据发送的冲突性，因此无法保证数据包有一个确定的传输时延，无法在工业控制中得到有效应用。不过，随着以太网的发展，包括快速以太网、千兆以太网、万兆以太网产品及其国际标准，以及双工通信技术、交互技术、信息优先级技术等来提高实时性，已经可以解决因数据包冲突所产生的带宽问题和传输时间的不确定性问题。工业以太网正在逐步成为工业控制以及实时性要求不及工业过程控制的建筑设备自动化的控制系统网络。这样，建筑设备自动化系统的底层控制网络与高层管理层的信息网络就可以统一为以太网，显著地降低了建筑设备自动化系统的实现和运行维护成本。

3．2无线传感器网络

无线传感器网络是一种成本低、超低功耗、短距离，适宜在建筑物内进行无线通信的技术。应用这种技术制作的温度传感器，可以在微型电池的驱动下持续工作一年，在建筑物内可实现100米范围内的数据通信。这样，建筑物内各处温度等物理参数的测量就成为了非常容易实现的事。如果各种测量传感器和实现控制调节作用的执行器（如电机、电动调节阀门等）都采用这种无线方式，建筑设备自动化系统的硬件平台将非常灵活和易于实现，工程师就可以把主要精力集中在做好控制调节和管理上，使系统真正可以改善建筑功能，降低运行能耗，完善管理功能。

3．3射频识别技术（RFID）

射频识别技术（RFID）是一种无线通信技术，俗称电子标签。可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。无线电的信号是通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附着在物品上的标签上传送出去，以自动辨识与追踪该物品。一些标签在识别时从识别器发出的电磁场中就可以得到能量，并不需要电池；也有一些标签本身拥有电源，并可以主动发出无线电波（调成无线电频率的电磁场）。标签包含了电子存储的信息，数米之内都可以识别。与条形码不同的是，射频标签不需要处在识别器视线之内，也可以嵌入被追踪物体之内。

如果建筑物内每个人员均佩戴带有RFID芯片的证章，则建筑设备自动化系统可在任何时候准确地了解每个人所处的具体位置和建筑物内每个空间区域的人数。利用这些信息，可以更好地根据人数调节空调、通风、照明系统的运行，更有效地做好安保和人员流动控制。在发生火灾情况下，因为准确掌握每个人的位置，也就可以更有效地组织疏散和避难。

3．4智能控制

智能控制（intelligent controls）在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。智能控制理论的研究和应用是现代控制理论在深度和广度上的拓展。20世纪80年代以来，随着信息技术、计算技术的快速发展，其他相关学科的发展和相互渗透，也推动了控制科学与工程研究的不断深入，控制系统向智能控制系统的发展已成为一种趋势。

智能控制是自动化学科的崭新分支，是人工智能、控制理论和运筹学的交叉学科。作为一门新兴的交叉学科，其基本思想是仿人的智能实现对复杂、不确定系统的有效控制。在智能控制的诸多方法中，模糊控制、神经网络控制和专家控制是3种最为典型的智能控制。

空调系统作为建筑设备自动化系统的重点监控对象，由于建筑物室内热湿环境受室外气候参数、室内机电设备、照明设备运行及人员活动等多种因素的影响，实际构成一个高维多变量的实时变化过程，被控对象具有强耦合、非线性，不确定性、慢时变、大滞后的特点。基于数学模型的传统控制理论及方法难以取得理想的控制效果。智能控制技术的发展与应用，有望解决上述复杂控制系统的控制难题。

参考文献：

［1］卿晓霞，李楠，王波编著．建筑设备自动化［M］．重庆：重庆大学出版社，2009．

［2］李霞．筑智能化系统应用及维护［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［3］张九根，马小军，朱顺兵等．筑设备自动化系统设计［M］．北京：人民邮电出版社，2003．

［4］张勇．智能建筑设备自动化原理与技术［M］．北京：中国电力出版社，2006．

［5］卿晓霞．建筑设备自动化［M］．重庆：重庆大学出版社，2003．

Present situation and development trend of the building automation system

NI Jiang-nan，CHEN Chang-duo

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

Key words：building automation system；intelligent control；building；development trend

Abstract：The building automation system（BAS）is the application of modern control theory in buildings．The monitoring scope of the narrow building equipment automation system includes：HVAC，water supply and drainage，power supply，lighting，elevator，etc．The generalized building automation system is based on the narrow building equipment automation system and adds the fire and security equipment monitoring system．The present situation and development trend of BAS are analyzed．

中图分类号：TU17

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2016）02—0047—04

作者简介：

倪江楠（1986-），女，河南南阳人，河南工业职业技术学院机电自动化学院教师，从事光电方面的教学工作。

收稿日期：2016-01-04