楼宇自控系统方案设计与节能

侯天海，孙峰

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司）

楼宇自控系统方案设计与节能

侯天海，孙峰

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司）

论文结合工程实际，通过具体的案例讲解楼宇自控系统的设计方案、控制对象和节能。目前，更多的业主在新建和改造大楼时，遵守国家的节能法规，选择楼宇自控系统，达到节能减排、降低大楼的运营费用的目的。我国建筑业将会从高能耗、高物耗、高污染过渡到绿色可持续发展的道路上。

系统；政策；设计；监控；管理；DDC；接口；节能

1 引言

在建筑智能化系统中，楼宇自控系统（又称为BAS系统），是《智能建筑设计标准》GB 50314中集成度最高、节能效果最好、创造环境最优的系统。楼宇自控系统控制对象很多，涉及建筑的各个领域，包括暖通、给排水、新风、排风、冷热源、消防等系统，和各个专业系统均有接口或控制逻辑关系。在智能建筑中，BAS系统设计技术是否先进，是否合理，很大程度上需要设计人员对智能建筑各个相关系统工作流程、工艺条件、逻辑关系熟练掌握。因此，楼宇自控系统是智能化系统中较难掌握和较难实施的系统。也正因为如此，楼宇自控系统也是智能化系统中最为出彩的系统。

2 方案设计对象

本设计的对象是某电力公司调度大楼，地处扬州市开发区，地下1层，主楼16层，附楼3层总建筑面积23364㎡。

该大楼是一座集诸多子系统于一体的综合性高层智能化办公大楼，其楼宇自控系统控制大楼内所有机电设备，对大楼内新风机组、热泵机组、冷冻机组、各类照明、生活污水、新风、排风、各种泵、高低压配电、水池液位、升旗等机电设备进行统一管理，为大楼创造一个高效、节能、温馨而安全的工作环境。

通过对某电力公司的暖通、高供压配电、照明、景观、给排水等图纸及有关文件进行仔细研读，根据多年的研究和项目实施经验，从满足客户管理、系统技术相关要求及未来扩展需要出发，确保整个系统十分可靠、经济实用，并可扩展。

3 系统设计思想

根据某电力公司调度大楼楼宇自控系统的要求，参考有关的施工图纸，采用Honeywell Excel 5000 EBI系统，该系统包括下列内容：

1）对冷热源系统的监视和管理；

2）空调机组系统的监视和管理；

3）新风机系统的监视和管理；

4）风机盘管系统的监视和管理；

5）送排风系统的监视和管理；

6）给排水系统的监视和管理；

7）景观、应急和照明系统的监视和管理；

8）变配电系统的监视和管理；

9）电梯系统的监视和管理；

10）安防门禁系统的监视和管理；

11）升旗系统的监视和管理。

楼宇自控系统主要由中心设备（中央工作站及其操作系统、数据库、打印机等）、传输部分（网络交换机、防火墙等）、现场控制器（DDC、继电器、电源等）以及所需分控工作站（电脑及客户端软件）组成。中心工作站和分控工作站需要用彩色图形显示装置位置，设备参数，记录设备的状态、报警、启停时间，记录设备累计时间和其他历史参数。分控工作站直接控制本地的楼层机电设备，不控制其他楼层的。

针对大楼的机电设备的控制和管理技术特点以及大楼物业管理要求，并根据大楼内机电设备的实际分布情况，确定本工程采用“分散控制，集中监控”的集散型控制模式。大楼设1台中心控制工作站，1个分控工作站。中心控制工作站设在一层弱电总机房，十四层的信息中心设1个分控工作站，通过网络中心与控制工作站相联；1条C-Bus总线用于地下一层到十六层及裙楼的机电设备的控制。其中，XCL5010大型DDC8台，DI，AI，DO，AO扩展模块若干。

利用C-Bus总线将中央工作站与各现场DDC串接在一起，中央工作站网络通讯卡汇接C-Bus总线。通过接口连入中心机房的服务器，并以9.6kbps～1Mbps的传输波特速率在现场数据采集控制器DDC、前端采集传感设备以及中央工作站、分控工作站之间进行数据传输。同时，现场DDC支持LONMARK技术，通过LON-Bus总线扩展模块（DI/DO/AI/AO）不需要局限设置在控制器主机附近的位置，可以就近放置设备机房内监控设备旁，具有灵活设置特点，并可在一定范围内灵活方便地进行扩充。电梯系统、风冷热泵机组、高低配电采用软件接口方式接入BA系统（见图1）。

图1 某电力公司调度大楼楼宇自控系统图

4 系统网络结构图及主要设备指标

4.1 系统网络结构

某电力公司调度大楼的楼宇自控系统为EXCEL 5000 EBI集散型系统，分为中央管理工作站、现场控制器及现场设备三级方式。中央管理工作站集成系统可与以太网相连，速率为10 M /100M，通信方式TCP/IP。并根据集成商的分配得到IP网络地址。中央管理工作站与现场控制器（DDC）以C－Bus总线方式相连，传输速率9.6kbps～1Mbps可调。在总线上各现场控制器之间实现点对点(peer to peer)无主通信，实现系统资源共享。

现场传感器、执行器与现场控制器直接相接。大楼楼宇自控系统网络结构图如图2所示。

现场装置使用标准TCP/IP以太网协议与中央工作站、分控工作站、暖通系统、冷热源系统、送风、排风系统、给排水系统、高低压配电系统、各类照明系统、各类工作泵、工作阀、升旗系统以及其他相关系统使用XL500/XL50 控制器连接。

4.2 主要技术性能和技术指标

4.2.1 主控计算机

硬件配置不得低于以下要求：

PIV，内存512MB，硬盘250GB；

DVDROM驱动器；

高速缓存256KB，可扩充至4MB；

图2 网络结构图

显存 64MB；

控制接口板1只；

43.2cm显示器，分辨率1280×1024。

4.2.2 DDC功能及功能要求

1）DDC 功能

本次系统解决方案采用成熟的EBI系统方案。现场直接数字控制器(DDC)采用Excel 5000系列控制器。DDC的相关配置包括硬件和软件均能保证各个组成部分按照独立方式运行，真正实现“控制分散”，从而实现“风险分散”。

（1）主要功能

DDC控制器采用东芝TMP93C41F 16位微处理器（XCL5010C）为核心的智能控制器，能够独立运行。

每台控制器最多有128个监控点，最多可有18个功能模块，能够根据不同的控制设备、控制点的性质和数量进行选择，XL500/XL50 DDC控制器既经济又能满足使用要求。

具有模拟量和数字量的输入/输出接口。

锂电池保护RAM数据1个月，具有掉电、通信中断、误操作的保护功能。

可根据中心控制设备发来的命令和数据，或存储在自身空间（EPROM）的控制程序，根据前端现场的执行器和感器反馈回来的数据和状态，对设备进行“监”，以及通过执行器对前端设备进行“控”。

XL500/XL50 DDC控制器结构为模块化设计，具有最多16个输入/输出模块，模拟/数字量的输入/输出模块可根据需要任意配置，控制器所有模块可采用集中式安装。

（2）主要组成

①硬件构成：CPU控制模块（XCL5010C）、模拟量输入模块（XFL521 8个点）、模拟量输出模块（XFL522 8个点）、数字量输入模块（XFL523 12个点）、数字量输出模块（XFL524 6个点）。

② 软 件 构 成：Honeywell CAER (Computer Aided Regulation Engineering)通信管理软件、PID逻辑控制及自适应最优化控制软件、故障诊断软件、用户在线编程软件等。

2）DDC 指标

Excel 50/XL500控制器是一个64/128点的数字控制器，采用标准模块化设计，由CPU模块，电源模块、继电输出、存储等部分作为基础，再由最多为16个的输入/输出模块（模拟/数字输入/输出）按照实际需要任意组合，可组成1台完整的控制器，并装有快速闪存记忆体。

DDC控制器CPU采用东芝TMP93C41F 16位微处理器（XC5010C）为核心的智能控制器，能够独立运行。

DDC控制器具有2×128KB RAM，闪速存储器Flash Memory 2×512 KB，并可根据需要进行扩展。

DDC控制器能独立运行，也能联网运行，数据可实现共享。

DDC控制器通讯接口为RJ45、485口等标准接口，通讯速率不低于9600bps。

DDC控制器电源要求：(1±10%)220V，(1±5%)50Hz。

DDC控制器能够接受模拟量/数字量的输入/输出。

5 系统设计楼宇自控系统监控和管理的内容

5.1 热泵机组（风冷）、冷冻机组（风冷）控制

5.1.1 系统监控和管理范围

热泵（风冷）机组控制、冷冻机组、热泵机组控制、冷冻机组循环泵控制、温度、流量、开关碟阀控制等。

5.1.2 监控内容

供、回水温度监视；

集水器、分水器压力监视；

压差旁通电动两通阀控制，根据供水压力进行调节，控制电动阀的开度；

压差旁通电动两通阀状态反馈；

机组开关碟阀的开关两通控制，故障报警、手自动状态、开关状态反馈监视；

循环泵启停控制，故障报警、手自动、开关状态反馈监视；

热泵机组设备的启停、工作工况，故障状态报警、手自动状态各压缩机的工况运行状态、水流开关状的监视；

冷冻机组的启停控制，故障报警、手自动状态、各压缩机的工况运行状态、水流开关状的监视等。

5.1.3 风冷热泵机组工艺逻辑控制流程

1）机组控制

根据供水管、回水管的流量以及管路之间的温差，计算冷量负荷，对冷水机组进行最优控制群控。

冷水机组启动后，控制系统使用彩色图形显示不同的状态和报警信号，显示每个参数的值，通过鼠标任意修改设定值，以达到最佳的工况；同时在控制界面上进行动画显示，可较为直观地显示设备工作工况；

冷水机组的各个工作状态可以实时采集，实时显示，并且存储在数据库中，进行列表汇报、趋势显示图显示和报警显示；

最优程度控制冷冻水系统，能达到最低的能耗，以及最佳工作状况，使主机达到最低的主机折旧；这也是BAS系统最能体现的优势。

根据程序设定，或者建筑的各项日程预先安排，确定负荷大小，自动开关冷水机组；

正在使用的设备发生故障时，系统可以自动切换相关设备；

根据大楼管理及设备工作条件要求，可以自动切换机组的运行时间，即机组设备允许一定时间后，可以将原先备用的设备自动启动，无缝切换到系统中；同时，工作时间足够的设备自动转为备用，累积每台冷水机组运行时间，使每台机组运行时间基本相等，目的是延长机组使用寿命。

（1）根据冷源系统总负荷量(一次供回水温差X总流量)进行机组工作台数控制。运行台数需与负荷相匹配，实现机组最优启停时间控制，使设备交替运行，平均分配各设备运行时间。对各季节的优先使用设备进行指定，发生故障时自动切换，根据送水分水器温度进行减少，根据回水集水器温度进行增加的冷/热源运行台数补充控制。

负荷计算： Q＝K×M× (T1－T2)

式中： Q——负荷；

K——常数；

M——流量；

T1——回水总管温度；

T2——供水总管温度。

（2）机组系统控制方案

本建筑内对所有风冷热泵机组进行启停与相关的负荷控制连锁，用户可以根据现场的具体情况和实际要求，对这些程式中的参数及连锁点自行修改和设定。BAS系统通过安装在机组附近的DDC来完成对风冷热泵机组的控制要求：风冷热泵机组台数控制、运行顺序的转换、允许工况的计算、对负荷趋势进行判断等。判断标准是根据水系统的供回水温差和流量计算空调系统的冷(或热)负荷，以此来对机组、风冷热泵循环泵及相关的水阀实现联动控制，同时监视其运行状态及故障状态。

2）风冷热泵机组开机台数控制方案（见表1）：

表1 开机台数控制方案

非工作状态属于低谷制冷，一般只需开冷水机组1台就够，假如负荷较大，可按照工作状态控制模式进行自动调节1台。

监测冷水机组的各项状态包括手自动状态、运行状态、故障状态，根据负荷自动进行机组的组群控制。对于机组，一般不直接进行启停控制，防止机组损坏。

机组冷却水进出水阀的联动开关控制。

水流开关的状态作为机组水流状态。

屋顶软化水箱、生活水箱高低液位监测，自动启动补水泵补水，监测补水泵运行状态、故障状态、手自动情况。

循环水泵：

①监测设备手自动状态、运行状态、故障状态，启停控制；

②压差旁通控制，在一定范围内进行旁通开启，保持系统流量和压力的稳定；

③监测设备的手/自动状态。根据设备累计运行时间备用水泵自动切换，同时在自动运行模式下，常用泵如发生故障，备用泵将自动切入；

④累计运行时间，开列保养及维修报告。通过联网将报告直接传送至有关部门及相关负责人。

3）机组参数监视

在中央监控系统实现以下监测功能：运行模式、设定值、设定源、蒸发器和冷凝器系统水温、冷媒/溶液蒸发器和冷凝器的温度和压力、启动次数、运行时间相电流、限流设定、冷媒监控、油温等相关参数。

4）压差旁通监控内容

在系统总进水管和总回水管上设置压力传感器（AI），通过压差计算并和系统预设值比较，用PI方式调节电动两通阀，使压差保持在设定的范围内，从而使系统能够稳定工作。

5.1.4 冷冻机组控制流程

冷冻机组是专为信息中心、调度中心提供极度精密空调服务，常年开机制冷。

控制流程同风冷热泵机组控制流程。

5.2 楼层空调机组、新风机组控制

5.2.1 空调系统控制范围

楼层空调、新风设备。

5.2.2 机组监控内容（见表2）

空调机组4台，控制箱部分：启停控制、运行状态、故障报警、手自动状态，新风阀开关控制（调节）、过虑网压差、防冻开关、电动水阀PID调节控制、风机压差、送风温度、回风温度、加湿器控制及运行状态监视。

新风机组24台，控制箱部分：启停控制、运行状态、故障报警、手自动状态，新风阀开关控制（调节）、过虑网压差、防冻开关、电动水阀PID调节控制、风机压差、送风温度、加湿器控制及运行状态监视。

5.2.3 系统监控和管理范围

1）温度控制：根据温度与设定温度差值，对冷/热水阀开度进行PID调节，从而控制环境温度。

在夏季工作时，当温度升高时，调节水阀开大；当温度降低时，调节水阀开小。在冬季工作时，当温度升高时，调节水阀关小；当温度降低时，调节水阀开大。使温度始终控制设定值在一定范围内。

2）预热控制：机组启动时新风阀关闭至最小限制值，进行预冷/预热控制。

3）联锁控制：风阀，并与风机、水阀联锁控制，停风机时自动关闭风阀和水阀；风机启动前，延时自动打开风阀。

4）监视室外温湿度。

5）空调机组新回风阀的开度根据室外温度进行控制。

6）中央对系统中各台设备采集的温度进行监测和设定。

7）过滤网的压差报警，提醒清洗过滤网。

8）编制时间程序自动控制风机启停，并累计运行时间。

9）与消防系统进行联动控制风机启停，当设备所在楼层控制器接收到本楼层消防报警信号时，自动停止风机允许。

5.3 风机盘管控制

对所有办公室内的风机盘管进行控制并实现联网功能；监视房间内的温度；

根据温度控制水阀的开关；

控制风机的三速不同状态运行。

5.4 送排风机控制

对风机运行状态及故障状态和手自动状态进行监测；

对风机进行时间设定的启停控制；

送/排风机开启可根据人工进行控制，也可根据时间程序进行控制；

累计风机的运行时间。

5.5 楼层照明、景观照明和应急照明控制

5.5.1 楼层照明监控内容

主要实现楼层照明回路的启停控制；

可以通过时间程序进行自控启停控制；

楼层照明箱手自动状态反馈（需要强电配合）；

对楼层照明回路的运行状态进行监视，并累计运行时间。

5.5.2 景观照明监控内容

主要实现景观照明回路的启停控制；

景观照明箱手自动状态反馈（需要强电配合）；

对景观照明回路的运行状态进行监视，并累计运行时间；

表2 机组监控内容

可以通过时间程序进行自控启停控制。

5.5.3 应急照明监控内容

主要实现应急照明回路的运行状态监视，并累计运行时间；应急照明箱手自动状态反馈（需要强电配合）；对应急照明回路的运行状态进行监视供电回路；

5.6 给排水系统监控

监视污水坑高低液位；

监视污水泵的运行状态、故障报警、手自动状态；

监视生活水泵的运行状态、故障报警、手自动状态；

监视高区水泵的运行状态、故障报警、手自动状态；

监视低区水泵的运行状态、故障报警、手自动状态；

监视生活水池及水箱高、中、低及溢流水位；

根据生活水箱液位对生活水泵进行启停控制；

根据污水坑液位对污水泵进行启停控制；

监视设备运行状态及故障状态；

累计水泵运行时间；

对水泵的主备进行循环控制；

中央站用彩色图形显示上述各参数记录，生成报表且可通过打印机输出。

5.7 电梯系统监视

电梯的上/下行状态(DI)；

电梯的运行及故障状态(DI)；

统计电梯的工作情况,并打印成报表,以供物业管理部门利用。

5.8 安防门禁系统的联动

防盗报警系统及门禁系统提供报警的点给BA系统，BA在得到报警信息时，联运对应区域内的照明回路，同时报警。

提供的报警点可以设在弱电井或机房。

5.9 升旗系统的监控

升旗系统的实时监控：

通过DO硬点的输出，控制国旗继电控制箱的启停；

通过DI硬点的输入，监视国旗继电控制箱的运行状态和手自动状态；

通过软件功能，完成动态画面反映升旗的状态和过程；

通过软件功能，可在控制升旗同时联动播放国歌。

6 与其他机电设备系统接口

EBI 5000是目前世界上较为先进的高效能、集成化的BMS系统。根据需要，它可将楼宇控制系统、消防报警系统及安保自动化系统集成在EBI 5000平台上。EBI 5000作为BMS的管理平台，通过选用已有的接口软件，可方便地将BAS，SA，FA集成在一起，便于控制域的统一集中管理及信息共享，实现相关系统间的联动控制，也方便与IBMS系统实现数据交换。

6.1 楼宇自控系统与消防报警系统的接口

由消防报警系统将火灾相关内容、区域信号传给楼宇自控系统，楼宇自控系统不主动控制消防系统。消防报警系统主机与楼宇自控系统中的中央管理工作站以RS-232C/485/422标准接口连接，双方明确数据格式和通信方式。

6.2 楼宇自控系统与变配电系统的接口

为了大楼的安全考虑，对变配电系统的有关变配电状况，由中央监控系统实施监视而不作任何控制，一切控制操作均留给现场有关控制器或操作人员执行。

Building Control System Design and Energy Saving

HOU Tian-hai, SUN Feng

(Jiangsu Province Post Planning & Design Institute Co., Ltd.)

Combining with engineering practice, through the the case the paper explain the building control system, the control object and energy saving. At present, in the construction and transformation of the building, more owners comply with the national energy saving method, choose the building automation system to achieve energy saving and emission reduction, and the operating expenses of the lower end of the building. Soon the construction industry in our country will go from the way of high energy consumption, high material consumption and high pollution to the road of green sustainable development.

system; policy; design; monitoring; management; DDC; interface; energy saving

10.13655/j.cnki.ibci.2015.11.021