基于智慧化理念的建筑电气系统设计研究

于兰伊　李明

摘要：随着科学和技术地进步，人们对城市建筑的技术要求和功能诉求也在持续提高，未来智慧建筑将逐渐成为城市建设的趋势，并且由于建筑的智能水平快速提升，对具备智慧化理念的建筑电气系统也提出了更高的要求。由此，本研究对智慧建筑电气系统进行研究与设计，首先对智慧建筑电气系统设计概述、设计要求及设计原则进行阐述，以此为依据和导向，从智慧建筑电气系统结构设计和系统设计两个维度进行探索与实践，最后从应用研究的角度对该系统进行论述。

关键词：智慧化；建筑；电气系统

中图分类号： TU855                            文献标志码：A

智能建筑被称为“世纪性建筑”，是我国产业发展和科技进步的集中展示。智能建筑从项目的规划设计起始，便是系统化工程，结合智能控制、监控终端、功能性子系统等模块的集成，能够显著提升建筑的管理水平和工作效能。

城市智慧建筑是将城市中的商业、办公、居住、餐饮、旅店、会议、展览、交通和文娱等多种城市生活空间要素进行多种组合，并在各要素之间构成一种相互帮助和相互依赖的有机关系，进而构成一个高效率和多功能的综合体。而在此基础上，提出了一种基于“智慧化”的管理概念。城市智慧建筑综合管理的主要内容是利用楼宇自动化系统，对建筑内部的设备和环境进行全方位监视和管理，为建筑的居民和用户营造一个安全、舒适、高效、经济和便利的生活环境，并通过对其进一步优化，来减少建筑的运行成本。智能建筑的系统监控范围具体包含了建筑的电力、照明、通风、空调、安全、防灾、给排水和车库管理等设备和系统，它是在城市建筑智能化管理中，设计任务量和工程建设量最大的子系统。

1智慧建筑电气系统设计概述及设计要求

现代建筑相较于传统建筑的最大差异在于建设之初首先进行科技设备规划设计，例如停车场的车辆识别管理系统、电梯监控系统、自动化消防系统等。但每一个子系统的软件体系结构自我封闭，在各个子系统中，只能应用独特的通讯协议来实现数据交换，而它们所能提供的第三方接口也很多，很难与国际标准相匹配，这就造成了各个子系统之间的信息共享、操作联动存在障碍。这种建筑信息系统现状，与智慧建筑的电气系统水平相差甚远。[1]

而基于智慧化理念的建筑电气系统则对建筑内的安全防护、人流管理、消防预警、节能照明、高效车辆停放、信息传播、数据传送等众多功能进行智能化赋能，以传感器、监控探头和智能设备为终端，利用人工智能技术和互联网技术进行智慧化管理，最大化的实现建筑管理水平提升和综合防范能力优化。

智慧建筑电气系统采用分布式架构进行设计，该架构能够同时兼容多种网络系统和硬件设备，系统所搭载的软件和安装的硬件间相互隔离，各子系统间的耦合性能够在实现安全的目的下赋予子系统高效运转，并可根据实际工程中的硬件配置和信息需求来依靠软件模块进行调配部署。此外，整个系统遵循开放性原则，为二次开发提供丰富、精确的通信接口，如在工程中有特殊需求，还应该提供附加的数据和通信接口，从而达到与其它子系统进行数据交换的目的。[2]

2智慧建筑电气系统设计原则

在设计智慧建筑电气系统时，要遵守系统协调的基本原理，以智慧建筑原有的各子系统和设备为基础，对原有功能进行优化和提高，其主要原则是：

（1）规范性原则。在对智慧建筑电气系统综合管理系统进行开发的过程中，要根据相关软件设计标准，选择合适的工具、系统、产品、设备等。

（2）领先性原则。智慧建筑电气系统采用先进的计算机技术、数据库集成技术和网络技术，并以优异的技术性能来满足系统集成要求。

（3）兼容性原则。即可拓展性，智慧建筑电气系统具备良好的兼容性和拓展性，智慧建筑中各个独立的子系统整合到一个平台上，并对其进行统一管理，还可对平台进行扩展，添加新的子系统和设备。[3]

（4）易用性原则。智慧建筑电气系统的设计需满足当前智慧建筑所需的各种业务需求，并能夠获得业主认可。

（5）安全性原则。对于智慧建筑来讲，安全性与可靠性是硬性要求，因此在智慧建筑的电气系统中，应该采用多种安全技术来保障系统的安全性。

3智慧建筑电气系统结构设计

智慧建筑电气系统结构设计如图1所示，该系统的核心即智慧控制单元，其上层功能由监控终端和集中数据库监控平台构成，用以实现为智慧控制单元提供参数支持和数据支撑，其下层由智能照明控制子系统、空调和热冷源控制子系统、停车引导控制子系统、建筑自动控制子系统、消防及门禁等第三方子系统组成，与智慧控制单元由通信网关进行连接，并由智慧控制单元进行资源调配和控制调度。[4]

在每个子系统的核心处理器控制器，用总线将带有能耗测量的大功率输出模块以及各类信号输入检测模块进行连接，将能源测量和控制集成到一个模块中。指挥控制单元根据不同的子系统运转情况和现场环境数据，对其进行相应算法处理，根据所采集的能耗数据和智慧控制单元下达的节能模式，对每个回路进行节能控制，从而达到子系统能耗数据收集、控制、监督、分析等任务地实现。

其中，在智慧控制单元与子系统之间的链接功能是由通信网关承担。受制于系统兼容性和功能性的考虑，智慧建筑的电气控制系统必然会出现不同类型的装置设备与系统共存的情况。通信网关作为拥有丰富硬件界面和软件协议的中介设备，具备高性能数据处理能力。此外，它还可以用拓展的方法来添加物理界面，具体包含了以太网、RS-232/RS-485、CAN、Profi- bus、EtherCAT等现场总线界面，以及 Modbus、BacNet、 IEC104、DL/T645等通信协议界面。此外，还可以根据特定场景需求，对某些非标的界面进行自定义，实现外延、拓展等操作。

在实际的电气系统结构设计方面，采用复合以太网络体系架构，将整个体系结构划分为上层监控层、智慧控制单元层和子系统控制层三个层次。通过对系统进行分区，可以保证每个子系统之间的相互独立，具有较高的可靠性。子系统采用 CAN 总线的光电隔离结构，在某条总线发生故障时，不会对整个系统的稳定性造成影响。通过第一路以太网将各分系统与较高层次的中央控制单元相连，并通过第二路以太网将较高层次的智慧控制单元与较高层次的监测单元相连。当其中某个系统中的一个模块或 CAN 总线发生故障时，该系统将报警信号传送到智慧控制单元模块，再传送到 HMI 上位机的监测软件。

4智慧建筑电气系统设计

系统的硬件开发内容包括为建筑内的安全防护、人流管理、消防预警、节能照明、高效车辆停放、信息传播、数据传送等功能设计具有高度兼容性和稳定性的中央处理器模块，硬件设计层面的重点要求在于具有较高的冗余性能，并为后期升级提供丰富接口的通信网关模块，包括无线网络接收模块、超声波检测模块、I/O 模块等，每个模块的印制电路板全部采用四层板设计，可以提高电磁兼容性和抗电磁干扰性能，并达到 EMC 的国家三级指标。

因为第三方系统设备接口种类和数量众多，并且是相对独立的系统。因此在智慧建筑电气系统结构设计中，还设计具有可扩展接口的通信网关模块，以及嵌入通信卡，从而形成通信网关系，实现与第三方设备系统的兼容。

智慧建筑电气系统的通信网关模块为 PCI 接口提供通讯卡，能够从底层插槽与通信网关模块相连。在此基础上，将通讯卡的驱动程序装入通讯卡中，就能完成一般的通讯总线，如 RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等。

将 BACnet、ModBus、DL/T645、IEC104等常见的通讯标准进行整合，使其与已有的通讯标准达到最大程度的兼容水平。另外，该系统还能用软件方法对总线进行自由编程，并能支持第三方的非标准专用协议。[5]

4.1中央处理器控制模块软件设计

中央处理器控制模块的软件设计以国际标准 IEC61131-3 OpenPLC为基础，采用功能框图 FBD/ CFC、梯形图 LD、指令表 IL、结构化文本 ST、顺序功能框图 SFC 等五种编程语言。该系统可实现系统处理器的在线仿真、在线优化、断点调试等功能，并可通过以太网络进行编程和模拟。处理器控制模块以各子系统的特定特性为参照，在进行软件设计时，加入以下特定特性。

（1）空调、冷热源、给排水节能控制算法

以不同的节约方式为依据，对空调系统、给排水系统和冷源系统的各个能耗指数进行测试，然后将其按设备的需求层级和功耗进行分类，在上级系统下达节约能源的指令和能耗限额时，各个系统回路以能量的比率进行分布，从而获得节约方案。该方法还能够比较实时能源消耗与同期能源消耗，从而获得能源消耗的评价数值。

（2）智能照明节能控制算法

通过对中央处理器模块下方的控制照明回路进行分类，得出空闲可关闭、节能可关闭、节能时调光、应急常开等不同的回路种类，在监控终端和集中数据库监控平台下达节能控制方式指令和能源消耗指标时，通过对这些回路的种类和能量消耗分析，得出节能控制方案。同时，将实时能源消耗与同期能源消耗相比较，得出能源消耗的评价数值。

（3）停车引导控制算法

在停车引导控制子系统中，提出一種基于泊车空间大小的泊车指引方法，该方法将泊车空间划分为不同的分区，并将分区划分为不同的分区，并对分区内的泊车空间以及各分区内的车辆出入情况进行统计。以这些区域等级、剩余车位及出入车辆的数据为基础，实现最优的停车区域及路径计算，并以此为基础，以 LED 智能牌的形式，向即将进入的业主提供指引。

4.2通信网关模块软件设计

通信网关模块作为与中央处理器和各子系统链接的枢纽，需具有较强的兼容性用以匹配各类第三方智能设备，包括匹配智慧建筑的楼宇自动控制网络数据通讯协议、中华人民共和国电力行业标准 DL/ T645等。智慧建筑电气系统以函数库的形式加载，并按照实际需求进行具体组态与配置，能够适应目前市面上大多数第三方装置厂商的通信需求。在某些非标准设备界面的情况下，通信网关模块软件拥有 RS-485/RS-232、CAN 和以太网等现场总线的自由程序库，方便进行个性化设计，从而达到特定场景下的集成需求[6]。

4.3智慧控制单元软件设计

同时，在系统的核心部分，采用国际标准 IEC61131-3作为设计标准，为其提供具有热备份功能。两者之间采用 DB9通讯线路相连，实现对其数据库的实时信息实时处理能力，并利用100 M以太网实现对两者的实时处理。在智慧控制装置开机后，以评估的方式确定智慧控制装置作为主要装置，另外一个作为备用装置。在此基础上，实现与监控终端和智慧控制单元的通信，并完成对下层子系统数据收集与监测。实现上层监控系统、智慧控制系统的实时性，以及数据可靠性。

4.4 I/O模块软件设计

I/O 模组系统通过 CAN 总线与 CANopen2.0通讯协议器，实现对现场工艺参数及操作指令的上传下达。针对 I/O 模块有测量与无测量两种情况，建立各自CANopen目标词典，并对 PDO 实时数据进行适当设置，可以将 I/O 模块中的各个信道数据迅速而有效地加载到中央处理器中。

5智慧建筑电气系统应用分析

智慧建筑电气系统的设计，重点在于建筑控制的各个层次的网段、网关、总线数目和每个总线的监视区域方面。每条总线所能承载的处理器数目及传送距离都是有限制的，需要根据现场处理器的分布位置、监控对象及所使用的处理器机型来进行设计。由于智慧建筑电气系统要与诸如空调设备之类的较大设备中的专门的控制装置通讯，而且整栋大楼的控制装置中，有很多厂家的生产设备，所以还必须在各个厂家的生产设备上建立通讯接口。在实际应用中，对控制系统监测区域进行详细分析。对现场处理器的监测范围进行选择时，应按照相同的一组设备的输入和输出信号访问相同的现场处理器的原理，这不但可以减少网络数据通讯量，还可以减小总线数据负载，加速系统的实时反应速度，更关键的是，在智慧建筑电气系统的通信装置出现问题时，现场处理器的独立工作能力仍然可以确保所监测的设备能够正常运转。

在将智慧建筑各子系统的状况信息收集到集中控制单元后，按照预先设定的管理与控制标准，对子系统下达具体控制指令，以调节子系统工作状况。现场控制器需要对各类设备的运转状况及运转参数进行采集和分析，进行采集和分析时，可利用检测器或执行器来完成在标准输入输出电量信号与现场设备非标准电能或非电量监测信号之间的相互转化，进而可直接实现监测功能。此外，还可利用通讯和信号方式，将系统的工作状况和工作参数与其它定制控制装置进行连接，并与其它专门的控制装置进行通讯，从而实现对系统工作状况和工作参数的监测。

6结束语

城市智慧建筑是城市发展过程中的重要组成部分，这与老城区的普通建筑群有很大区别，是由建筑集群走向城市空间扩大化、城市功能集约化、城市价值融合化的过程，同时也具有城市社区的典型特点。[7]由于现有智慧建筑各阶段的子系统都较繁复且很难实现一体化，因此，本论述提出智慧建筑电气系统的设计方法，利用了以嵌入的硬件系统为基础的通信网关模块、冗余的中央控制模块和一般的 CPU控制模块，并对节能算法、停车引导控制算法和一体化的监测管理软件进行研究。该模式具有较强的稳定性、兼容性，能够极大地提高城市智慧建筑智能化和节能的管理效果。

参考文献：

[1] 李逸凡，陆麒竹，邓文骁，等.关于国内外智能建筑标准的探究[J].建筑科学，2022，38（10）：158-168，178.

[2] 林文诗，梁舒丹，庄晖芸，等.关于绿色低碳性能优化的中欧智慧建筑标准体系对比研究[J].建筑科学，2022，38（10）：169-178.

[3] 夏存景，李传海.建筑工程施工中 BIM技术深度应用及智慧建筑理念研究[J].工业建筑，2022，52（5）：10003.

[4] 刘静.未来智能建筑下低碳智慧图书馆的模样[J].工业建筑，2022，52（4）：10075.

[5] 蒋雪雁.智慧建筑运维管理平台的应用研究——以某大型商业综合体项目为例[J].建筑经济，2021，42（9）：78-82.

[6] 黄广国，胡志诚.剧场建筑電气设计及火灾报警系统探讨[J].现代建筑电气，2022，13（6）：38-43.

[7] 李向荣.智慧城市理念在城市建筑设计中的渗透研究[J].房地产世界，2022（18）.