建筑设备一体化监控系统的设计与探讨

唐霖 张艳

杭州中联筑境建筑设计有限公司 浙江 杭州 310000

引言

随着信息技术的发展，建筑电气的智能化程度越来越高，建筑电气中各类子系统数量逐年增加，对建筑电气设计、施工和运维的要求也越来越高。传统建筑设备系统强电和弱电界面独立，建筑内各子系统各自为政，造成施工复杂，造价高，调试难度高等问题。建筑设备一体化监控系统能够简化设计，方便施工，节约投资，在建筑投入使用后便于运维管理。

1 建筑设备一体化监控系统

建筑设备一体化监控系统是指将计算机技术、网络技术、现代控制技术、配电技术整合为一体，并在同一平台下实现对建筑内各类机电设备监控的系统。系统具有建筑设备监控、电力监控、照明控制、剩余电流检测、用能计量、建筑环境检测、能效管理等功能。

建筑设备一体化监控系统由通信网络、服务器及操作站、一体化控制箱（柜）、总线（控制）模块、传感器、软件算法等组成，基于以太网、物联网控制系统平台，采用分布式、网络化架构，以集中管理、分散控制为原则，将建筑内若干智能

一体化控制设备以及现场的传感器、执行器等元件通过通信网络连接在一起统筹运行，实现整体设备强弱电管控一体化，并达成各项控制目标。

1.1 通信网络

通信网络采用通信管理层和现场控制层两层网络结构，通信管理层建立在TCP/IP以太网基础上，以太网承载一体化控制箱（柜）、网关等设备的接入；现场控制层采用复合总线技术实现传感器、控制 模块与一体化控制箱（柜）的通信。其系统网络拓扑图如图1所示。

图1 系统网络拓扑图

1.2 服务器/操作站

服务器用于接收、处理、存储系统数据，存储用户定义数据的应用信息结构，生成报警和事件记录，并为操作站提供数据访问；操作站通过通信管理层对建筑设备系统进行监控，实现整个系统实时监测、经济运行、能耗管理和运维管理等功能[1]。

1.3 一体化控制箱（柜）

一体化控制箱（柜）是集配电、控制、保护、设备环境监控、节能、计量、安全报警、通信为一体的智能一体化成套控制设备，可实现建筑物内的照明、空调、送/排风机、循环水泵、补水泵，新风、空调机、空调热泵机组以及室外路灯、景观照明灯等设备的控制并进行电能数据、状态监测等功能。一体化控制箱（柜）是监控系统的核心，具有信息接收及处理功能，可对建筑设备就地自动控制，同时可接收服务器和操作站的统一管理信息，实现建筑设备的统筹运行。一体化控制箱（柜）采用模块化组件，在工厂内一次制作成型，实现统一的精细化、标准化生产，从源头上提高了系统的稳定性。

1.4 总线（控制）模块

总线（控制）模块将一体化控制箱（柜）发出的控制信号转换为末端执行设备的动作信号，并装饰末端传感器的输出信号转换为总线标准信号传输到一体化控制箱（柜）。

2 传统建筑设备监控系统现状

传统概念的建筑设备监控系统对以下子系统进行设备运行和建筑能耗的监测与控制，包括：冷热源系统、空调及通风系统、给水排水系统、供配电系统、照明系统、电梯和自动扶梯系统，多个系统相互交叉，而且每个系统单独设计，单独实施，最后在工地上将各个部件连接起来，最终形成能够完成各系统功能要求的监控系统。

按照国家标准要求，设计总包单位一般只做了监控点表和DDC控制箱的主干路由设计，具体的施工图设计待弱电系统招标、定标之后，由中标施工单位进行。由施工单位进行的深化设计在造价确定、施工单位确定的情况下，一定是以其施工经济利益最大化为目标的深化设计，监控的基本功能根本无法保证。这种左手设计、右手施工的结果是：设计为结算，施工为挣钱，图纸一套实施一套，竣工图甚至与工程无关。多专业的交叉配合以及各自系统的专业性要求，使得工程中很难完全满足设计方案的要求，工程实施上很难实现无缝、无冲突的融合，后期使用过程中更是对运维人员的专业性有了极高要求，使建筑设备监控系统难以良好地运转起来。

20多年来，我国修建了数以万计的高楼大厦，许多大楼的BA系统运行情况并不理想，根据抽样调查数据显示，设备监控系统能起到基本监控功能的比例不到25%，能进一步实现节能、达成维护管理方便的更是寥寥无几[2]。

3 建筑设备一体化监控系统的优势

建筑设备一体化监控系统针对目前工程实际存在的上述问题，通过标准化和模块化设计，可以实现对建筑内机电设备的供电、控制、监测的整体一化设计和施工，从根源上确保系统的稳定性，有效提高施工效率和工程质量。其优势总体来说有以下3点。

3.1 管理通信网络

传统的建筑设备监控系统多采用专用网络自行布线的控制总线拓扑结构，控制设备和软件也是专用的，开放程度不够，给系统维护和升级带来不便。建筑设备一体化监控系统采用的TCP/IP以太网技术经过数十年的发展，具有高传输速率，高传输安全性和可靠性，几乎不需考虑网络的拓扑结构，其集线器的应用可不考虑网络的扩展，集线器技术确保了数据传输的确定性，是目前所实现的最成功的网络，已经成为网络上进行数据传输的事实标准。相比控制总线网络，TCP/IP以太网作为管理通信网络是至今最理想的选择。

3.2 一体化控制箱（柜）的标准化和模块化

一体化控制箱（柜）配置有标准电气接口和数字通信接口，可以独立运行控制算法，其控制程序具有可编辑性，可以实现机电设备的供电、保护、计量，并监控设备的各种状态。同时对箱（柜）本身的主要电气元件状态数据进行监控，为后期电力负荷控制提供了硬件基础。与传统非标箱柜相比，一体化箱（柜）采用标准化设计制造，由一体化设备厂家在工厂装配调试完成，一改过去由多个施工单位在现场通过协调配合，将配电设备、控制设备、节能控制元件、计量设备、通信设备等多种设备进行装配、调试的复杂的现场施工方法，其设备本身的质量和稳定性得到了极大保证，也为监控系统整体的可靠性夯实了基础；其次，标准化的箱柜结构，也为加快现场施工进度和后期运营维护提供了极大便利。

3.3 现场复合总线技术

传统的BA系统一般采用工业总线技术，工业总线技术仅仅解决了总线节点设备间的通信问题，总线所带设备及其所连接负载设备的供电问题则需要另行考虑，对设计和施工而言均加大了工作量，增加了投资。现场复合总线技术能够同时解决了通信和供电问题，能减少控制系统的配管、配线工程量，并能有效地解决工程中抗共模干扰问题，在工程设计、施工、运维和控制系统的整体性能方面具有一般工业总线所不具备的突出优势。

3.4 主动负荷控制调度技术

主动负荷控制是电力行业经典和古老的手段，是用于解决峰谷平衡的理想手段。由于传统的设备和系统难以很好地实现该功能，这项手段仅实施于缺电区域的人工调峰控制，随着城市对电力的依赖的增强，这项技术很难被实际所采用。由于实现起来太困难，且没有标准的可遵循的控制系统，城市的电力供应只能以大马拉小车的唯一供应方式运行，多余的电力在采用人为办法给浪费消耗掉，因此很多地方设置抽水蓄能、地下蓄热等工程都是为了这一目的。

建筑设备一体化监控系统可以实现电力负荷的主动控制高度。在配电侧，设置在配电室的DAS系统会主动发布配电系统的负荷状态，在用电侧，每个一体化控制柜能够侦听这一状态，并根据自身的状态进行主动调整负荷。我们将设备对电力的需求设为0～5共6个级别，数字越大，代表用电需求越强烈，以此来作为评判对能源的需求强度。在调节时，根据总负荷率自动调整设备自身（微观）的这个数字级别即可实现宏观需要的主动符合控制功能。智能一体化控制设备内部都内置了该项功能和算法，只需要控制程序调用该项功能即可[3]。

4 建筑设备一体化监控系统的展望

除了上述的优点外，根据平时项目设计过程中的一些体会，笔者认为建筑设备一体化监控系统还可进一步扩展。

目前建筑电气系统中包含电气火灾监控系统、消防电源监控系统、防雷监控系统等各种子系统，各子系统相互独立，各成网络，复杂了设计，增加了造价。而究其原理，实际上是对供配电系统设备本身各种电参量状态的监控，是针对传统配电箱（柜）无法自行提供实时电气数据而额外施加的监控措施。一体化控制箱（柜）本身均可提供这些系统所需的实时电气数据，通过加强通信管理网络和一体化控制箱（柜）的消防可靠性，保证火灾时的性能需求，这些子系统均可以集成在建筑设备一体化监控系统内，化零为整，在设计上简化了建筑电气系统构成，在施工上更简便，在后期维护上更方便，对工程本身而言也节省了造价。

传统的运维往往都是在电气系统出现异常状况后，再组织人员进行排查，确定故障点，然后停电进行维修更换工作，费时费力，意外的停电事故或者电气事故还可能对用户造成经济损失。一体化箱柜构成的供配电系统，实现了电气设备的物联网，电气设备的使用情况和状态都能得到有效记录。基于平时采集的各项运行数据，我们可以实现运营维护的主动化。对于故障点，监控系统可以迅速准确的定位，减少排查的工作量。再进一步，监控系统还可对主要电气元器件的运行数据分析，主动预测电气元器件的使用寿命，在其完全失效或发生故障前，提前进行更换。这即能减轻运营维护的工作量，又能预防电气设备失效导致的电气灾害，还可提高供配电系统的可靠性，一举数得[4]。

5 结束语

节能减排和低碳运营已经成为当社会自觉和强制的意识形态，建筑设备的智能化和绿色化也成为新的发展趋势。建筑设备一体化监控系统是实现智能建筑不可或缺的技术手段，作为我国下一代的建筑电气系统形态有着广阔的应用前景和良好的社会经济效益，将成为智慧城市和未来建筑电气系统设计的核心内容之一。