图书馆智能化系统中的楼宇自控系统设计探讨

肖立梅

【摘 要】随着现代经济与科技的不断发展，建筑的智能化化水平越来越高，楼宇自控系统作为智能建筑的关键部分，对建筑内机电设备的可靠运行及节能起着重要的作用。图书馆智能化系统设计中的楼宇自控系统设计尤其值得探讨。

【关键词】智能建筑；楼宇自控；图书馆；设计

0 引言

当今社会随着通信、电子、计算机以及自动控制技术的迅猛发展，人们对学习、办公及生活环境的要求日益提高，智能建筑 （Intelligent Building，IB）应运而生并得到高速发展，楼宇自控系统BAS（Building Automatic System）是其关键之一。楼宇的智能化自20世纪90年代已经开始应用于大中城市的高层及多功能建筑物上之后得到了广泛应用和飞速发展。

图书馆属于公共建筑，其内部结构复杂、安全要求高、设备数量众多，非常需要建设智能化系统。图书馆建筑的智能化程度，决定着其运行效率与安全等级，楼宇自控系统是其关键系统之一，起着重要的作用。

本文以一图书馆工程实例介绍楼宇自控系统的设计，此项目规划占地2.1万平方米，建筑面积约9.8万平方米，地下2层、地上10层，建筑总高度约50米。设有办公室、信息咨询部、阅读部、活动推广部、数字资源与技术保障部、物业管理等多个部门。

1 楼宇自控系统的需求分析

楼宇自控系统设计具有很大的灵活性，应根据建筑物的整体功能需求和物业管理方式确定控制水平，根据建筑物内不同区域的要求和受控设备的分布特点，选择技术先进、成熟可靠、经济合理的控制系统方案，避免投资的盲目性。

本楼宇自控系统拟对图书馆内的各机电设备（包括：空调通风监控系统、给排水系统等），采用集散系统进行监控和管理，以实现对设备进行可靠而经济的优化控制，进而延长设备的使用寿命、节约能耗和简化管理。

系统必须具有开放性、可扩充性、标准化，采用开放性的标准通讯协议。控制主网和分布网要求采用BACnet/IP通讯协议，BAS分站则采用BACnet MS/TP或LONWORKS通讯协议。最终系统具备开放性、兼容性和扩展性具。

系统的管理访问支持 B/S或同时支持 B/S 和 C/S，允许设置多个工作站，对系统实现远程管理和控制。

根据图书馆的使用要求，提供针对性的管理功能，包括：检修提醒报警、越限报警、控制失效报警。

1.1 空调通风监控系统的需求分析

本工程中空调监控系统的监考设备包括：冷源系统、空调机组、新风机组、送/排风机等。

冷源系统包括 4 台冷机、5 台冷冻泵、5台冷却泵、4 台冷却塔、1 个膨胀水箱、1个软化水箱及2台补水泵等设备。冷源系统由专用的群控系统管理，楼宇自控系统（BAS）只需通过BACnet、OPC 等开放的通讯协议接口，读取设备相关参数，实现监测。监测的主要内容：冷机、冷冻/冷却泵、冷却塔的运行状态，冷冻水供回水总管的流量、温度、压力，冷却水的供回水温度等。

新风机组的监控需求包括：风机的启停控制、水阀的控制、状态监测及报警；空调机组的监控需求包括：风机的控制、水阀的控制、新/回风阀开度的控制、状态监测及报警；送排风机的监控需求包括：风机的启停控制、状态监测及报警。

1.2 给排水系统的需求分析

本工程给排水系统包括：36个集水井、72台排污泵，分布在负二层；消防1个水池、2个生活水箱（配有5台生活水泵）、1台直饮水泵。排污泵的启停由液位开关自动控制，BAS对消防及生活给水设备只监不控。监测内容：排污泵的状态（运行、手/自动和故障报警）生活水泵组的运行状态、故障报警，生活水箱和集水井的超高、超低水位；报警提示：集水井水位过高、消防水池或生活水箱水位过低时发出报警；生活水泵、排污泵的运行状态与控制要求不一致时发出报警；互为主备的排污泵一台发生故障报警时另一台不能自动投入运行时系统发出报警；当水泵累计运行时间越限时，系统发出提示消息。

1.3 第三方系统集成

本工程中冷源系统、电梯系统、不间断电源、发电机系统等第三方系统需要通过集成接入楼宇自控系统（BAS），要求BAS通过软件读取各系统内部数据，并详尽、准确、实时的记录数据。

2 楼宇自控系统的方案设计

2.1 楼宇自控系统的基本组成

为提高可靠性，本系统采用分布式集散型控制系统，系统由中央管理站（服务器/工作站）、各种DDC（Direct Digital Controller，直接数字控制器）及各类传感器、执行器等组成，能够完成多种控制及管理功能，是一种智能化控制管理网络系统。

中央管理计算机（又称上位机、系统服务器）通常设置在中央控制室，由PC主機、显示器及打印机组成，是楼宇自控系统的核心。中央管理计算机实时监测来自现场设备的所有信息数据和报警信息，并发出各种控制指令给现场控制器，对收集到的数据进行处理和记录，并通过各种输出设备通知工作人员。

DDC控制器是一种可独立运行的数据采集和控制装置，由处理器、输入输出通道和各种接口电路等组成。DDC控制器是楼宇自控系统的核心和实现控制功能的关键部件，通常分散设置在受控设备的附近，是系统与现场设备的接口。DDC通过各种输入通道采集实时数据，再按一定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，控制受控设备的运行。 DDC的输入输出接口分为四类，分别是：模拟输入（AI），数字输入（DI），模拟输出（AO），数字输出（DO）。

传感器和执行器是安装在受控设备里的传感元件和执行元件，是楼宇自控系统的末端设备。传感器对一些直接反映系统性能的物理量，如温度、湿度、压力等进行检测，并将检测到的物理量输入到DDC，DDC则输出控制信号传送给各执行器，进而控制受控设备。

2.2 各子系统的设计

2.2.1 空调通风监控系统

1）风机的监控

现场控制器（DDC）通过事先编制的启停控制命令，通过数字输出（DO）控制风机的启停，并将风机主电路上交流接触器辅助触点的状态输入到DDC的数字输入（DI），监测风机的运行状态；主电路上热继电器的辅助触点信号作为风机过载停机报警信号，通过DDC的数字输入（DI）反馈到系统中来。

2） 送、回风温湿度监测及水阀的控制

在送、回风口各设置一个温湿度传感器，其输出信号接至DDC的模拟输入（AI），对送、回风的温湿度进行监测。比较回风温度与设定温度的差值，采用PID 等控制算法，通过模拟输出（AO）控制二通阀的开度。

3） 新/回风阀开度比例控制

空调机组的新/回风阀开度比例控制信号为模拟输出（AO）信号。

4）状态监测及报警

通过DDC的数字输入通道（DI）采集空调机组/新风机组的风机手/自动状态、风机压差、过滤网堵塞报警信号。系统会将监控数据自动记录下来生成表格，便于以后查找、打印或者作进一步的数据处理。

空调通风监控系统各设备的监控点位如表1所示。

2.2.2 给排水系统

1）采集生活水泵组和排污泵的运行、故障报警、手自动状态等信号，集水井水位（超高、超低水位）信号，通过DDC的数字输入（DI）到BAS，在系统界面上实时显示。

2）通过软件的报警提醒功能设置报警点，如：启停泵异常、设备累积运行时间越限等，提醒工作人员现场排查或检修。

给排水系统的监控点位如表2所示。

2.2.3 第三方系统集成

冷源、电梯、发电机、不间断电源等第三方系统需要通过集成网关接口接入BA系统，这四个第三方系统分别由各自厂家通过其专用的监控系统自行监控和管理，再将各监测数据通过集成网关接口提供给BA系统，各系统设置一个 BACnet网关用于与BA系统的连接和通讯。

3 楼宇自控系统的选型及配置

3.1 楼宇自控系统的选型

楼宇自控系统的选择既要满足业主的要求，又必须符合“智能建筑设计标准”（GB/T50314-2006），应全面考虑系统的可靠性、开放性、可扩展性及技术的先进性。

在选用产品时，首先应从该建筑物的要求出发，充分分析和考虑市场可供商品的市场定位和特性，选择适合的产品。首先要对产品进行性能/价格比较，其次对楼宇自控系统方案进行优化，根据业主的投资预算和实际需求，选择最具有节能功能、方便管理的楼宇自控系统方案。

楼宇自控系统的设备配置及选型优劣，不仅对楼宇机电设备的运转和能源利用的效率有影响，而且影响建筑物的楼宇自动化水平。选择合适的产品将有利于系统的建设及日后的维护。系统选型应遵循如下原则：

1）稳定性：保证系统不仅长期可靠地运行，而且各项指标也保持长期稳定，进而减少设备的维护维修费用。在满足成本控制后，关键部件（如：控制软件、各类控制器及扩展模块、传感器等）应选用技术成熟的产品。

2）经济性：在满足建筑物舒适性条件下，合理组织设备运行，降低大楼运行时产生的费用，体现出采用楼宇自控系统后所带来的经济效益。

3）先进性：选用的系统产品技术先进性、结构该简单，便于工程安装和系统调试、以及日后的维护与系统升级。

4）可扩展性：系统设计方案具前瞻性，充分考虑系统日后的扩充，当用户有新的需求时，可在不改变现有系统的前提下实现用户的扩充要求。

目前，楼宇自控系统品牌众多、产品多样化，市场上的主流产品以国外品牌为主，主要有霍尼韦尔（Honeywell）、江森自控（Johnson Control）、西门子（Siemens）、Delta、TAC、KMC等。其中，霍尼韦尔、江森自控和西门子三家公司因进入中国市场早、品牌知名度大等原因在我国的市场占有率高，但同时这几个品牌的产品价格也很高。相对楼宇自控领域的这“三大巨头”，加拿大Delta控制公司进入中国市场较晚（2002年进入中国市场），但该公司具有多年的楼宇自控经验，是一家生产楼宇自控系统产品的专业生产商，其产品性价比较高。根据工程的实际情况及投资预算，本项目楼宇自控系统的工程实现将采用加拿大Delta控制公司的ORCA系统。

3.2 楼宇自控系统的配置

本工程BA系统总I/O容量为1500～2000点，根据相关标准应按中型规模的BA系统定位。由于Delta ORCA系统大、中、小型软件对应的I/O监控点总数分别为无限点、500～2500点、500点以下，本项目应选用带历史数据的中型Web server 软件。

楼宇自控系统的硬件设备包括DDC控制器（含扩展模块、DDC辅控箱）、传感器及辅材。硬件設备的配置选项除了要达到智能化系统招标文件的技术要求外，还应考虑系统工程造价，选用性价比较高的产品和配置方案。在配置控制器时，可结合各受控设备的楼层及分区分组进行配置，选用合适的应用控制器及扩展模块，每台控制器监控点数预留有不少于15%的裕量，以备系统今后的扩容。系统中DDC辅控箱为定制设备，由箱体、安装底板、空开熔断器、变压器、继电器及端子排等辅控元件组成，各箱体及元件数量根据实际需要而定。各类传感器应采用与DDC控制器相匹配的、灵敏度高、稳定性好、寿命长的传感器。为保障楼宇自控系统中信号的传输距离及质量，应选用合适的信号线和通信线。

根据本图书馆建筑功能分区，为便于建筑设备管理系统（BMS）对大楼内的BA系统、智能照明控制系统、安防监控系统等进行集成和管理，BA控制中心设置在负一层控制室，对全楼的设备行监视和控制。

由于本图书馆建筑结构及功能分区的实际需要，整个图书馆建筑各楼层均分为五个消防分区，大楼拥有五个弱电井。根据所选用的控制模块配置方案，BA控制箱安装在各楼层的弱电井。此外，由于本项目中工程现场总线距离长，整个BA系统采用五个系统管理器，组建五条子网，以保证网络结构的合理性及系统的实时性。

4 结束语

楼宇自控系统是建筑智能化系统中的关键部分，楼宇自控系统设计及其应用直接关系到工程项目智能化系统的成败。在设计楼宇自控系统时，应因地制宜地根据不同的建筑、对象及用户需求选择合理的方案，以便更好地发挥楼宇自控系统的作用。本文图书馆楼宇自控系统的研究与设计对智能建筑的推广与应用具有一定的实际意义与参考价值。

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[责任编辑：朱丽娜]