楼宇自控系统在某现代化医院的应用

文｜北京江森自控有限公司广州分公司 刘丽娜

1 引言

建筑设备自动监控系统（Building Automation System，以下简称BAS），也称楼宇自控系统，其功能是控制建筑内部的各种机电设备，为建筑创建舒适的人工环境，方便人们对楼内运行的机电设备的管理，最大限度地节约和利用能源。只有设计完整的BAS，才能建成先进的智能建筑；而建设智能建筑目前已成为楼宇建设发展的必然趋势。BAS的发展经历了从分散控制到集中控制，再到集散控制的几个阶段。目前正向开放式现场总线系统的方向发展。

某现代化医院综合大楼是一栋集医疗、保健、科研、教学为一体的综合型医疗科研建筑，地下两层，地上28层；涉及多种建筑使用形式，包括首层大堂，地下两层及地上2～6层的停车场，7～10层的门诊及治疗中心，11～12层的食堂，13～24层的教学及临床研究基地，25～28层的药学质量管理中心、办公室等。其内部设备繁多而复杂，完全靠人工来进行调整往往不能保证设备运行达到最佳状态，容易使一部分机器满负荷运行而另一部分机器运行的效率却非常低，造成一部分机器过早报废而另一部分机器却未得到充分利用。据统计，现代化医院综合大楼建成后每年因能源管理水平低下而浪费的费用都是相当惊人的。因此，BAS是现代化医院的一个非常重要的子系统。

2 BAS总体设计说明

该现代化医院中，BAS的主工作站设在弱电总控中心，网络控制器设置在各区域弱电井，对全区域的设备进行监视和控制。系统各区域通过网络控制器接入以太网，建立基于网络的集中管理平台，并通过通用、标准的接口、协议向上集成到建筑设备管理系统（BMS）。

网络控制器和DDC直接数字控制器（也称现场控制器）采用集中供电方式。电源从区域弱电井室引出，通过弱电管井分配给各楼层用电设备；DDC直接数字控制器的电源管线随控制线同路由敷设。设备供电回路电压为220V AC，对电源电压为24V AC的设备需通过变压器变压后供电。

该系统在完成相关设备自动监控的同时，还能满足机电设备本身所固有的控制工艺要求。

该系统具有完善的用户管理功能，支持通过对用户操作权限的设置，灵活地控制用户操作的对象以及操作的内容。所有的用户登录信息及发生的操作都被自动记录在日志文件中，日志文件不能被随意修改。

相关受控设备设有手动/自动转换开关。在手动状态下，系统只能监视其工作状态，设定运行参数，并在操作站上显示其运行状态、手动/自动状态及故障报警，不能进行启/停的控制。

2.1 BAS的基本功能

该现代化医院BAS的基本功能如下：

◆ 自动监视并控制各种机电设备的启、停，显示、打印当前运转状态；

◆ 自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势、历史数据；

◆ 根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调控各种设备，使之始终运行于最佳状态；

◆ 监测并及时处理各种意外、突发事件；

◆ 实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制；

◆ 进行水、电、气等的计量收费，实现能源管理自动化；

◆ 进行设备管理，包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。

2.2 BAS网络架构

该现代化医院BMS及BAS网络架构如图1所示。

该系统采用集散式分布智能控制网络结构，以真正实现集中管理、分散控制。

该系统采用控制层和管理层两层网络结构，采用中央操作站与系统管理软件（含系统图形软件）、网络控制器与DDC直接数字控制器、末端设备（各类传感器、变送器及执行器）等的三层设备结构。其中系统管理软件和网络控制器在管理层进行通信，网络控制器和DDC直接数字控制器在控制层通信。

网络控制器连接带有CPU处理器及PID运算功能的DDC直接数字控制器。

2.3 BAS控制中心

BAS控制中心包括BAS服务器和BAS操作站两部分。

操作管理软件平台采用服务器/浏览器（Server/Browser）模式、基于Web的系统架构，任何支持Web标准（包括Internet Explore、Netscape Navigator）的设备都可以成为一个全功能的操作接口。

打印机选用高速彩色喷墨打印机或者激光打印机，挂在服务器上或直接挂在网络上，可输出A3和A4幅面的图形、文字、报表等，采用HP、Canon、EPSON品牌的产品。

不间断电源（UPS）的容量在满足工作站等设备供电需求的基础上留有30%的冗余。

2.4 末端传感器及电动执行机构

末端传感器及电动执行机构尽量选用与BAS同一品牌的产品，以方便安装、现场协调和调试。

2.5 BAS管理软件

图1 BMS及BAS网络架构图

该系统采用面向对象的图形化编程工具或高级编程语言来编制符合实际要求的应用程序。

该系统中的每台设备均支持告警和极限报警两种形式的报警，支持设置将报警信息发送到指定工作站。告警时，无论操作者在浏览哪些画面，系统都能在相应工作站的监视器上显示报警信息，并以图形或表格的形式显示相应设备的工作参数。全部报警信息均记录在数据库中，并可支持按权限查询或打印。

该系统能够提供实时帮助功能。

应用软件支持具有操作权限的使用者通过浏览器对系统进行浏览和操作，采用B/S网络架构；系统遵循各种工业标准，并采用开放式的系统结构。

系统管理软件采用通用、稳定、可靠的操作系统及数据库软件；图形显示组态软件支持整个系统的硬件设备，具备中文界面，且组态编程操作容易；应用软件针对具体项目，由组态软件生成，包括系统诊断功能软件、操作演练功能软件和故障诊断、系统调试与维护软件，其功能可满足整个系统的自动检测、控制和管理要求，且为用户留有后续维护管理的手段。

系统管理软件支持整个系统的集中管理和监控。不同类型分站根据各自控制功能的需要，设置相应权限的用户帐号以支持管理的功能，分站要能支持直接通过IE等Web浏览器访问系统，不需要安装客户端软件。系统的服务器采用微软Windows 2003或者Windows XP操作系统。系统支持SQL数据库；支持至少5个用户同时访问系统，并且用户不需要安装客户端软件；支持以E-mail、电话传呼、自动打印、SNMP等方式来管理报警信息、趋势分析功能。

3 BAS总体控制说明

现代化医院综合大楼内所有的机电设备，可根据具体功能的不同，划分进三个监控对象类别，即“又监又控”、“只监不控”、通过第三方系统的集成接口监测或监控。

3.1 “又监又控”的监控对象

“又监又控”的监控对象如表1所示。

表1 “又监又控”的监控对象表

3.2 “只监不控”的监控对象

“只监不控”的监控对象如表2所示。

3.3 通过接口集成的第三方监控对象

通过接口集成第三方监控对象的意义如下：

表2 “只监不控”的监控对象表

◆ 实现机电设备的集中管理；

◆ 提供开放的数据结构，共享信息资源；

◆ 实现跨子系统的联动控制；

◆ 提高工作效率，降低运行成本。

此类监控对象具体包括的第三方子系统（可选）如下：

◆ 低压变配电系统；

◆ 发电机组；

◆ 分体空调系统；

◆ 生活热水锅炉系统；

◆ 安防系统（包括闭路电视监控系统、防盗报警系统、门禁一卡通系统、电子巡更系统、停车场管理系统等）；

◆ 多媒体信息发布系统；

◆ 火灾自动报警系统。

4 BAS工作界面划分

BAS与其他专业的接口如表3所示。

表3 BAS与其他专业的接口表

其中，“无源干触点”是指在有关的设备电控箱内预留监控内容对应的无源干触点；“接受24V AC控制信号输入”是指在有关电控箱内设置一个24V AC的继电器，使BAS可以通过驱动该继电器实现对设备的控制。各个接点专为BAS系统预留接口，而非让BAS与消防等合用一个接口；接线处做成端子接线排的形式，以便BAS监控线缆能准确接入。

需要向BAS进行集成的第三方子系统，尽可能地保证其数据格式通过BACnet/IP或BACnet MS/TP协议给出，并提供详细的元素列表（即代码表）、数据库格式及访问方式。硬件接口为RJ45、RS485或RS232等。

DDC直接控制（如对水泵的控制）以电控箱或控制柜为工作界面；通过集成方式对第三方子系统进行的监测以通信接口为工作界面。

执行机构，如风柜的风阀驱动器、冷水电动比例二通阀、电动蝶阀等既可以纳入空调专业，也可以纳入BA专业；其具体的扭矩和口径需要计算。

5 现代化医疗类建筑对BAS的特殊要求

现代化医院作为一种功能特殊的建筑，对BAS的应用有着特殊的要求。

该现代化医院为大型综合性三甲医院，辐射性比较强，功能特殊，对空调通风系统提出了更高的要求。在医院各区域或空调回风管设置CO2或空气质量传感器，可方便地及时了解医院内的空气质量，并据此控制空调的新风比例。

同时，现代化医院内人员密集，而且流动性大；由于温度参数变化较慢，如果单纯以温度为控制对象，会有滞后现象，即在开始一段时间无法达到要求。在适当的地方安装CO2传感器能很快地反映人流的情况，通过CO2浓度来控制新风量、营造更加舒适的环境，而且有节能效果。

由于车库车辆会排放大量的含CO的气体，在车库适当位置设置一定的CO传感器用于控制车库排风机的启停，有利于保持车库内空气的质量，同时也能实现一定的节能效果。

基于对现代化医院建筑的特殊性，及其对人身安全保障重要性的考虑，在医院的适当位置设置一定的有害气体检测传感器，不仅可用于控制新风量、营造更加舒适的环境，同时也能为人员安全提供一定的保障。

对于一些重要的办公场合或病房可以增加一些一体化温湿度传感器。

另外，现代化医院有着一些与其他建筑不同的特殊功能要求，比如手术室、重症监护室（ICU）、实验室等场所有着更高的控制精度要求，而BAS系统很难达到；因此这部分需要其他更专业的厂家单独设计，不需要纳入BAS之中。

6 BAS系统的经济效益分析

6.1 降低机电设备的能耗，投资回报率较高

在满足舒适性要求的前提下，BAS能够通过合理组织设备运行，使现代化医院大楼的运行费用降至最低。BAS通过计算机控制程序对现代化医院全楼的设备进行监视和控制，统一调配所有设备用电量，可以实现用电负荷的最优控制，有效节省电能，减少不必要的浪费。

6.1.1 中央空调系统

中央空调系统是建筑物内机电设备中能源耗费的大户，其能耗约占总能耗的60%。在BAS系统的控制下，所有空调机、新风机甚至风机盘管系统都可以在合理的温度和湿度范围内运行，不会出现夏季过冷和冬季过热之类浪费能源的现象。

另外，空气过滤器堵塞报警可及时提醒相关人员对空气过滤器进行清洗或更换，表冷器防冻探测可对设备起到保护作用......类似的功能均对节约能源起着直接或间接的作用。

BAS可根据外部设备所需要的冷量控制冷冻机的启/停台数，根据冷却回水的温度控制冷却塔的启/停台数，不致造成设备无效运转；根据总供/回水的压差调节供水电动旁通阀，使冷机工作在效率最佳状态，节约电能。

6.1.2 电力照明系统

通过BAS对现代化医院建筑内的电力照明系统进行时间表（或根据人员活动情况）控制，可使被控灯具按时（按需）熄灭，避免出现“长明灯”的现象。据统计，只此一项每年节约电费可达BAS造价的15%左右。

6.1.3 给排水系统

在BAS系统的控制下，给排水系统中的水泵可与水箱、水池内的水位状态联动，仅在需要时才投入运转，避免不必要的浪费；同时保证不跑水，节约水资源。如此每年节约的电费与水费可达BAS造价的6%左右。

6.2 营造能够自动调节的舒适环境

BAS可根据季节、人员和空气流动情况的变化，将现代化医院各区域的室内温、湿度控制在设计要求值上，同时参考相关标准（如美国暖通空调和制冷工程协会ASHRAE舒适标准、国际标准化组织ISO 7730的热舒适指标PMV、国标GB/T 5701-2008中的舒适温度指标等），使楼内人员感觉舒适。在人们环保意识不断提升、对空气品质的要求日益提高、追求舒适性的情况下，BAS的应用可使现代化医院建筑与其他一般医院建筑相比更具竞争力。

6.3 预防突发事故发生，保护设备的投资

BAS可随时检查设备的实际负载和额定负载，当设备过载时立即将其卸载，同时向中央控制室发出报警信号。

BAS还可监视设备运行状况，一旦发现其中某台设备运行异常，立即报警，通知检修人员前去检查和维修；当一组设备中的某台设备故障时，自动切换到备用设备。

当发生临时停电的情况时，BAS可在恢复供电后自动执行顺序启动程序，保证设备顺利投运，避免启动失败对设备造成损害。

6.4 延长设备使用寿命、降低管理及操作成本

在现代化医院建筑内配置BAS之后，设备的运行状态始终处于BAS的监视之下。BAS可提供设备运行的完整记录，同时可以定期打印出维护、保养的通知单，这样可以保证维护人员不超前、不误时地进行设备保养，因此可以使设备的运行寿命加长，从而降低建筑的运行费用。

BAS还可自动记录设备的累计运行时间，在当前设备的运行时间累计值达到规定的维修时间时，自动切换到备用设备，同时报告中央控制室，以均匀各台设备的运行时间，延长设备使用寿命。

6.5 统一管理

BAS支持在统一的界面上完成一切操作，因而能极大地方便机电设备的操作与维修，减少管理和维护人员的数量以及其劳动强度，可基本上实现“无人职守”。每年因此节省的维护费用可达BAS造价的5%～8%左右。

7 结束语

目前BAS的硬件和软件都已采用标准化、模块化和系列化的设计，系统的配置通用性强，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，人机界面友好，系统安装、调试和维修简单化，运行可靠、安全、节省能源、节省人力。

该现代化医院大楼BAS设计的目标是实现对建筑内各种机电设备信息的分析、归类、处理、判断，采用集散型控制系统和最优化的控制手段对各系统设备进行集中监控和管理，使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致的高效、有序运行状态；在创造出一个高效、舒适、安全的工作环境的同时，降低各系统造价，尽量节约能源和日常管理的各项费用，保证系统充分运行，使投资能得到良好的回报。