建筑設備自動化系統的現狀與發展趨勢

倪江楠，陳昌鐸

（河南工業職業技術學院機電自動化學院，河南南陽473000）

?

建筑設備自動化系統的現狀與發展趨勢

倪江楠，陳昌鐸

（河南工業職業技術學院機電自動化學院，河南南陽473000）

摘要：建筑設備自動化系統（BAS）是現代控制理論在建筑物中的應用。狹義建筑設備自動化系統的監控范圍包括暖通空調、給水排水、供配電、照明、電梯等設備。而廣義的建筑設備自動化是在狹義建筑設備自動化系統的基礎上增加消防與安防設備系統的監控。分析了建筑設備自動化系統的現狀及發展趨勢。

關鍵詞：建筑設備自動化系統；智能控制；建筑物；發展趨勢

1　建筑設備自動化系統簡介

建筑設備（建筑物）自動化系統（Building Automation System，簡稱BAS）是現代控制技術在建筑物中的應用，它是根據現代控制理論和控制技術，采用現代計算機技術，對建筑物（或建筑群）的電力、照明、空調、給水排水、防災，保安，車庫管理等設備或系統，以集中監視、控制和管理為目的而構成的綜合系統，以使建筑物內的有關設備合理、高效地運行，就是廣義的BAS。

在建筑物內設置BAS的目的是使建筑物成為具有最佳工作與生活環境、設備高效運行、整體節能效果最佳而且安全的場所。BAS的整體功能可以概括為以下4個方面：①對建筑設備實現以最優控制為中心的過程控制自動化；②實現以運行狀態監視和計算為中心的設備管理自動化；③實現以安全狀態監視和災害控制為中心的防災自動化；④實現以節能運行為中心的能量管理自動化。

有時將防災自動化（包括火災報警和安全防范系統）和廣播、通信系統分離開來，形成狹義的建筑設備自動化系統（亦稱建筑設備監控系統）。

1．1組成

建筑設備自動化系統通常包括暖通空調系統、給水排水系統、供配電系統、照明系統、電梯系統等機電設備，而將智能建筑的消防和安全防范系統另外劃為兩個系統來考慮。

1．2系統的控制方式—集散型控制

集散型控制是20世紀70年代后期，隨著計算機與通信等技術的發展而誕生的一種先進而有效的控制方式。目前，在建筑設備自動化系統中應用最為廣泛的是集散型控制系統，系統分為三級管理。第一級是設在控制中心的中央管理主機，為管理級。第二級是分散在各系統處的直接面向各系統的直接數字控制器（DDC-Direct Digital Control），為監控級。第三級是各系統現場的設備與控制器之間通過各種不同的傳感器及執行元件相連，為現場控制級。

其中，中央管理主機部分具有對建筑設備自動化系統中的所有設備集中顯示與操作、優化控制、統一管理的功能。即對樓宇設備的運行操作人員提供人機界面，使操作員可以通過主機顯示器及時了解各子系統的現場運行狀況、各種運行參數的當前值、以及是否有異常情況發生等，并可進行系統設備的控制和運行參數的調節，以保證各種機電設備運行安全可靠、高效率、高質量。同時該主機還具有對歷史數據進行處理以及對設備進行管理的功能。

直接數字控制器（DDC）是系統的核心設備。它分布在現場被控設備處，對現場的設備進行監測、保護與控制，同時具有通信的功能，實現現場各系統DDC間的信息互通，可以向上級管理計算機通報現場設備的狀態與參數，并且也接受上級的優化控制命令，即所謂的集中管理、分散控制。該控制系統在中央管理主機出現故障時，下層的DDC仍然能夠獨立實施控制，保證了系統的可靠性。設備自動化各子系統與DDC的輸入和輸出端口相連。根據信號形式的不同，DDC的輸入和輸出有四種：一是模擬量輸入（AI），有溫度、濕度、壓力、流量等；二是開關量輸入（DI），有水流開關、風速開關、壓差開關等；三是模擬量輸出（AO），有輸出控制風閥、水閥的開度等；四是開關量輸出（DO），有風機、水泵、壓縮機的啟停控制等。

1．3控制功能

智能建筑設備自動化系統的控制功能，比傳統的終端控制系統的優勢體現在具有對所有設備進行監視的功能、檢測功能、事故保護、自動控制及節能和集中管理功能等幾個方面。如監視控制各種機電設備啟停狀態；檢測各種設備的運行參數；自動調節各種設備以達到優化工作狀態并節能；檢測并及時處理故障意外突發事件；大樓內各系統機電設備統一管理、協調控制；管理的功能（包括設備管理和能源管理）等。

2　建筑設備自動化系統的發展史

BAS隨著有關技術的發展，經歷了4個發展階段，下面進行介紹。

2．1第一代是CCMS中央監控系統（20世紀70年代產品）

BAS從儀表系統發展成計算機控制系統。采用計算機、鍵盤和CRT構成中央站，打印機代替了記錄儀表，散設于建筑物各處的信息采集站DGP連接傳感器和執行器等現場設備，再通過總線與中央站連接在一起，組成中央監控建筑自動化系統。DGP分站的功能是上傳現場設備信息，做出決策，完成全部設備的控制，并根據采集的信息和能量計測數據完成節能控制和調節。通常情況下，在中控室也安裝火災報警消防系統和保安系統，但這兩套系統都是各自獨立的。通過硬件連接，三個系統之間可以有適當的連鎖控制。

第一代BAS產品有代表性的是Honeywell公司的Delta1000系統。

2．2第二代是DCS集散控制系統（20世紀80年代產品）

隨著微處理機技術的發展和成本降低，DGP分站安裝了CPU，發展成直接數字控制器，這種集散控制系統最早在1975年由Honeywell公司發明并應用于工業控制系統，20世紀80年代引入BAS領域，并發展成BAS的主流技術。

中國國家標準民用建筑電氣設計規范JGJ／T16-1992將集散控制系統列為理想的優化的BAS系統，稱之為TDS（Total Distributed System）集散系統。其定義為：一種多機組成的，邏輯上具有分級管理和控制功能的分級分布式系統，由一個中央站和若干個分站組成。與過去傳統的計算機控制方法相比，它的控制功能盡可能分散，管理功能盡可能集中。它是由中央站、分站、現場傳感器與通信通道連接起來。分站就是上述以微處理為核心的DDC控制器。它分散于整個系統各被控設備的現場，與現場的傳感器及執行器等直接連接，實現對現場設備的檢測與控制。中央站實現集中監控和管理功能，如集中監視、集中啟停控制、集中參數修改、報警及記錄處理等。可以看出，集散型控制系統的集中管理功能由中央站完成，而控制與調節功能由分站即DDC控制器完成。

BAS從此具有分布智能化管理功能。根據規范JGJ／T16-1992給出的系統結構圖，BAS由現場、分站、中央站和管理系統四級組成。

2．3第三代是開放式集散系統（20世紀90年代產品）

20世紀90年代，隨著現場總線技術的發展，DDC分站連接傳感器執行器的輸入輸出模塊應用LON現場總線，從總站內部走向設備現場，形成分布式輸入輸出現場網絡層。因此，系統的配置更加靈活，輸入輸出模塊可直接安裝在強電控制柜中，減少了現場布線材料和安裝勞務成本，由于Lon-Works技術的開放性，也使分站具有了一定程度的開放性。這樣，BAS控制網絡就形成了三層結構，分別是管理層（中央站）、自動化層（DDC分站）和現場網絡層（LION），分別對應于JGJ／T16-1992標準中3、2、1三級。這類DDC可視為主控制器，控制冷熱源、空調機風機、給水排水、變配電等。

末端設備的單元控制器，由于變風量箱、風機盤管單元等，已廣泛采用具有LonMark標記的現場總線產品，滿足了用戶對開放性的要求，這些產品可以互換操作，降低了BAS的壽命周期成本。這類DDC可視為第二級控制器，用于控制獨立房間或遠方設備，其特點是功能較為簡單、分布廣泛、數量多，對壽命周期成本影響最大。

2．4第四代是網絡集成系統（21世紀產品）

建筑物自動化系統是企業建筑的實時控制網絡，它是重要的企業內部信息資源。因而，必然是企業網數字化互動連接的組成部分。所以，需要把建筑物自動化系統的服務器改造成為基于Web的工作模式，融合Web功能和賦予Web網絡管理技術，使企業網的授權客戶，可以通過WWW形式去監控管理建筑物自動化系統，因此，傳統獨立的控制系統BAS就成為企業網的一部分，進而和傳統獨立的管理系統協調一致的工作。這個過程，可稱建筑物自動化系統的網絡Web化，從控制和管理協同工作這一意義上來說，也有集成化的含義，即控制管理一體化。集成化不僅為網絡Web化提供了簡單的路由，還使得在實際操作中，可以簡單地將一個Web服務器加到中央站即可完成整個系統的網絡Web化工作。當然，這個Web服務器在該中央站還必須有后臺數據庫服務器支持。

建筑物自動化系統Web化的目的是使管理信息和控制信息一體化。

3　建筑設備自動化的發展趨勢

隨著信息技術與智能控制技術的不斷發展，建筑設備自動化技術也必然會隨之快速發展。在可預見的未來，建筑設備自動化技術的發展趨勢有以下幾個方面。

3．1工業以太網

盡管現場總線作為實時的數字通訊系統在工業工程控制和建筑設備自動化系統中獲得了廣泛的應用。但是現場總線這類專用的實時通信網絡有成本高、速度低、支持的應用有限和國際標準兼容性差（IEC61158中含有互不兼容的8個現場總線標準）等問題，如何利用現有的網絡技術來滿足工業控制需要，是目前迫切需要解決的問題，其中，如何把以太網（Ethernet）應用到工業，已經成為工業控制和實時通信研究的熱點。

以太網具有成本低、穩定、可靠等諸多優點，已成為最受歡迎的通信網絡之一。然而，由于以太網是多個站點共享傳輸信道，存在數據發送的沖突性，因此無法保證數據包有一個確定的傳輸時延，無法在工業控制中得到有效應用。不過，隨著以太網的發展，包括快速以太網、千兆以太網、萬兆以太網產品及其國際標準，以及雙工通信技術、交互技術、信息優先級技術等來提高實時性，已經可以解決因數據包沖突所產生的帶寬問題和傳輸時間的不確定性問題。工業以太網正在逐步成為工業控制以及實時性要求不及工業過程控制的建筑設備自動化的控制系統網絡。這樣，建筑設備自動化系統的底層控制網絡與高層管理層的信息網絡就可以統一為以太網，顯著地降低了建筑設備自動化系統的實現和運行維護成本。

3．2無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是一種成本低、超低功耗、短距離，適宜在建筑物內進行無線通信的技術。應用這種技術制作的溫度傳感器，可以在微型電池的驅動下持續工作一年，在建筑物內可實現100米范圍內的數據通信。這樣，建筑物內各處溫度等物理參數的測量就成為了非常容易實現的事。如果各種測量傳感器和實現控制調節作用的執行器（如電機、電動調節閥門等）都采用這種無線方式，建筑設備自動化系統的硬件平臺將非常靈活和易于實現，工程師就可以把主要精力集中在做好控制調節和管理上，使系統真正可以改善建筑功能，降低運行能耗，完善管理功能。

3．3射頻識別技術（RFID）

射頻識別技術（RFID）是一種無線通信技術，俗稱電子標簽。可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸。無線電的信號是通過調成無線電頻率的電磁場，把數據從附著在物品上的標簽上傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。一些標簽在識別時從識別器發出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池；也有一些標簽本身擁有電源，并可以主動發出無線電波（調成無線電頻率的電磁場）。標簽包含了電子存儲的信息，數米之內都可以識別。與條形碼不同的是，射頻標簽不需要處在識別器視線之內，也可以嵌入被追蹤物體之內。

如果建筑物內每個人員均佩戴帶有RFID芯片的證章，則建筑設備自動化系統可在任何時候準確地了解每個人所處的具體位置和建筑物內每個空間區域的人數。利用這些信息，可以更好地根據人數調節空調、通風、照明系統的運行，更有效地做好安保和人員流動控制。在發生火災情況下，因為準確掌握每個人的位置，也就可以更有效地組織疏散和避難。

3．4智能控制

智能控制（intelligent controls）在無人干預的情況下能自主地驅動智能機器實現控制目標的自動控制技術。控制理論發展至今已有100多年的歷史，經歷了“經典控制理論”和“現代控制理論”的發展階段，已進入“大系統理論”和“智能控制理論”階段。智能控制理論的研究和應用是現代控制理論在深度和廣度上的拓展。20世紀80年代以來，隨著信息技術、計算技術的快速發展，其他相關學科的發展和相互滲透，也推動了控制科學與工程研究的不斷深入，控制系統向智能控制系統的發展已成為一種趨勢。

智能控制是自動化學科的嶄新分支，是人工智能、控制理論和運籌學的交叉學科。作為一門新興的交叉學科，其基本思想是仿人的智能實現對復雜、不確定系統的有效控制。在智能控制的諸多方法中，模糊控制、神經網絡控制和專家控制是3種最為典型的智能控制。

空調系統作為建筑設備自動化系統的重點監控對象，由于建筑物室內熱濕環境受室外氣候參數、室內機電設備、照明設備運行及人員活動等多種因素的影響，實際構成一個高維多變量的實時變化過程，被控對象具有強耦合、非線性，不確定性、慢時變、大滯后的特點。基于數學模型的傳統控制理論及方法難以取得理想的控制效果。智能控制技術的發展與應用，有望解決上述復雜控制系統的控制難題。

參考文獻：

［1］卿曉霞，李楠，王波編著．建筑設備自動化［M］．重慶：重慶大學出版社，2009．

［2］李霞．筑智能化系統應用及維護［M］．北京：機械工業出版社，2006．

［3］張九根，馬小軍，朱順兵等．筑設備自動化系統設計［M］．北京：人民郵電出版社，2003．

［4］張勇．智能建筑設備自動化原理與技術［M］．北京：中國電力出版社，2006．

［5］卿曉霞．建筑設備自動化［M］．重慶：重慶大學出版社，2003．

Present situation and development trend of the building automation system

NI Jiang-nan，CHEN Chang-duo

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

Key words：building automation system；intelligent control；building；development trend

Abstract：The building automation system（BAS）is the application of modern control theory in buildings．The monitoring scope of the narrow building equipment automation system includes：HVAC，water supply and drainage，power supply，lighting，elevator，etc．The generalized building automation system is based on the narrow building equipment automation system and adds the fire and security equipment monitoring system．The present situation and development trend of BAS are analyzed．

中圖分類號：TU17

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0047—04

作者簡介：

倪江楠（1986-），女，河南南陽人，河南工業職業技術學院機電自動化學院教師，從事光電方面的教學工作。

收稿日期：2016-01-04