圖書館智能化系統中的樓宇自控系統設計探討

肖立梅

【摘 要】隨著現代經濟與科技的不斷發展，建筑的智能化化水平越來越高，樓宇自控系統作為智能建筑的關鍵部分，對建筑內機電設備的可靠運行及節能起著重要的作用。圖書館智能化系統設計中的樓宇自控系統設計尤其值得探討。

【關鍵詞】智能建筑；樓宇自控；圖書館；設計

0 引言

當今社會隨著通信、電子、計算機以及自動控制技術的迅猛發展，人們對學習、辦公及生活環境的要求日益提高，智能建筑 （Intelligent Building，IB）應運而生并得到高速發展，樓宇自控系統BAS（Building Automatic System）是其關鍵之一。樓宇的智能化自20世紀90年代已經開始應用于大中城市的高層及多功能建筑物上之后得到了廣泛應用和飛速發展。

圖書館屬于公共建筑，其內部結構復雜、安全要求高、設備數量眾多，非常需要建設智能化系統。圖書館建筑的智能化程度，決定著其運行效率與安全等級，樓宇自控系統是其關鍵系統之一，起著重要的作用。

本文以一圖書館工程實例介紹樓宇自控系統的設計，此項目規劃占地2.1萬平方米，建筑面積約9.8萬平方米，地下2層、地上10層，建筑總高度約50米。設有辦公室、信息咨詢部、閱讀部、活動推廣部、數字資源與技術保障部、物業管理等多個部門。

1 樓宇自控系統的需求分析

樓宇自控系統設計具有很大的靈活性，應根據建筑物的整體功能需求和物業管理方式確定控制水平，根據建筑物內不同區域的要求和受控設備的分布特點，選擇技術先進、成熟可靠、經濟合理的控制系統方案，避免投資的盲目性。

本樓宇自控系統擬對圖書館內的各機電設備（包括：空調通風監控系統、給排水系統等），采用集散系統進行監控和管理，以實現對設備進行可靠而經濟的優化控制，進而延長設備的使用壽命、節約能耗和簡化管理。

系統必須具有開放性、可擴充性、標準化，采用開放性的標準通訊協議。控制主網和分布網要求采用BACnet/IP通訊協議，BAS分站則采用BACnet MS/TP或LONWORKS通訊協議。最終系統具備開放性、兼容性和擴展性具。

系統的管理訪問支持 B/S或同時支持 B/S 和 C/S，允許設置多個工作站，對系統實現遠程管理和控制。

根據圖書館的使用要求，提供針對性的管理功能，包括：檢修提醒報警、越限報警、控制失效報警。

1.1 空調通風監控系統的需求分析

本工程中空調監控系統的監考設備包括：冷源系統、空調機組、新風機組、送/排風機等。

冷源系統包括 4 臺冷機、5 臺冷凍泵、5臺冷卻泵、4 臺冷卻塔、1 個膨脹水箱、1個軟化水箱及2臺補水泵等設備。冷源系統由專用的群控系統管理，樓宇自控系統（BAS）只需通過BACnet、OPC 等開放的通訊協議接口，讀取設備相關參數，實現監測。監測的主要內容：冷機、冷凍/冷卻泵、冷卻塔的運行狀態，冷凍水供回水總管的流量、溫度、壓力，冷卻水的供回水溫度等。

新風機組的監控需求包括：風機的啟停控制、水閥的控制、狀態監測及報警；空調機組的監控需求包括：風機的控制、水閥的控制、新/回風閥開度的控制、狀態監測及報警；送排風機的監控需求包括：風機的啟停控制、狀態監測及報警。

1.2 給排水系統的需求分析

本工程給排水系統包括：36個集水井、72臺排污泵，分布在負二層；消防1個水池、2個生活水箱（配有5臺生活水泵）、1臺直飲水泵。排污泵的啟停由液位開關自動控制，BAS對消防及生活給水設備只監不控。監測內容：排污泵的狀態（運行、手/自動和故障報警）生活水泵組的運行狀態、故障報警，生活水箱和集水井的超高、超低水位；報警提示：集水井水位過高、消防水池或生活水箱水位過低時發出報警；生活水泵、排污泵的運行狀態與控制要求不一致時發出報警；互為主備的排污泵一臺發生故障報警時另一臺不能自動投入運行時系統發出報警；當水泵累計運行時間越限時，系統發出提示消息。

1.3 第三方系統集成

本工程中冷源系統、電梯系統、不間斷電源、發電機系統等第三方系統需要通過集成接入樓宇自控系統（BAS），要求BAS通過軟件讀取各系統內部數據，并詳盡、準確、實時的記錄數據。

2 樓宇自控系統的方案設計

2.1 樓宇自控系統的基本組成

為提高可靠性，本系統采用分布式集散型控制系統，系統由中央管理站（服務器/工作站）、各種DDC（Direct Digital Controller，直接數字控制器）及各類傳感器、執行器等組成，能夠完成多種控制及管理功能，是一種智能化控制管理網絡系統。

中央管理計算機（又稱上位機、系統服務器）通常設置在中央控制室，由PC主機、顯示器及打印機組成，是樓宇自控系統的核心。中央管理計算機實時監測來自現場設備的所有信息數據和報警信息，并發出各種控制指令給現場控制器，對收集到的數據進行處理和記錄，并通過各種輸出設備通知工作人員。

DDC控制器是一種可獨立運行的數據采集和控制裝置，由處理器、輸入輸出通道和各種接口電路等組成。DDC控制器是樓宇自控系統的核心和實現控制功能的關鍵部件，通常分散設置在受控設備的附近，是系統與現場設備的接口。DDC通過各種輸入通道采集實時數據，再按一定的控制規律進行運算，最后發出控制信號，控制受控設備的運行。 DDC的輸入輸出接口分為四類，分別是：模擬輸入（AI），數字輸入（DI），模擬輸出（AO），數字輸出（DO）。

傳感器和執行器是安裝在受控設備里的傳感元件和執行元件，是樓宇自控系統的末端設備。傳感器對一些直接反映系統性能的物理量，如溫度、濕度、壓力等進行檢測，并將檢測到的物理量輸入到DDC，DDC則輸出控制信號傳送給各執行器，進而控制受控設備。

2.2 各子系統的設計

2.2.1 空調通風監控系統

1）風機的監控

現場控制器（DDC）通過事先編制的啟停控制命令，通過數字輸出（DO）控制風機的啟停，并將風機主電路上交流接觸器輔助觸點的狀態輸入到DDC的數字輸入（DI），監測風機的運行狀態；主電路上熱繼電器的輔助觸點信號作為風機過載停機報警信號，通過DDC的數字輸入（DI）反饋到系統中來。

2） 送、回風溫濕度監測及水閥的控制

在送、回風口各設置一個溫濕度傳感器，其輸出信號接至DDC的模擬輸入（AI），對送、回風的溫濕度進行監測。比較回風溫度與設定溫度的差值，采用PID 等控制算法，通過模擬輸出（AO）控制二通閥的開度。

3） 新/回風閥開度比例控制

空調機組的新/回風閥開度比例控制信號為模擬輸出（AO）信號。

4）狀態監測及報警

通過DDC的數字輸入通道（DI）采集空調機組/新風機組的風機手/自動狀態、風機壓差、過濾網堵塞報警信號。系統會將監控數據自動記錄下來生成表格，便于以后查找、打印或者作進一步的數據處理。

空調通風監控系統各設備的監控點位如表1所示。

2.2.2 給排水系統

1）采集生活水泵組和排污泵的運行、故障報警、手自動狀態等信號，集水井水位（超高、超低水位）信號，通過DDC的數字輸入（DI）到BAS，在系統界面上實時顯示。

2）通過軟件的報警提醒功能設置報警點，如：啟停泵異常、設備累積運行時間越限等，提醒工作人員現場排查或檢修。

給排水系統的監控點位如表2所示。

2.2.3 第三方系統集成

冷源、電梯、發電機、不間斷電源等第三方系統需要通過集成網關接口接入BA系統，這四個第三方系統分別由各自廠家通過其專用的監控系統自行監控和管理，再將各監測數據通過集成網關接口提供給BA系統，各系統設置一個 BACnet網關用于與BA系統的連接和通訊。

3 樓宇自控系統的選型及配置

3.1 樓宇自控系統的選型

樓宇自控系統的選擇既要滿足業主的要求，又必須符合“智能建筑設計標準”（GB/T50314-2006），應全面考慮系統的可靠性、開放性、可擴展性及技術的先進性。

在選用產品時，首先應從該建筑物的要求出發，充分分析和考慮市場可供商品的市場定位和特性，選擇適合的產品。首先要對產品進行性能/價格比較，其次對樓宇自控系統方案進行優化，根據業主的投資預算和實際需求，選擇最具有節能功能、方便管理的樓宇自控系統方案。

樓宇自控系統的設備配置及選型優劣，不僅對樓宇機電設備的運轉和能源利用的效率有影響，而且影響建筑物的樓宇自動化水平。選擇合適的產品將有利于系統的建設及日后的維護。系統選型應遵循如下原則：

1）穩定性：保證系統不僅長期可靠地運行，而且各項指標也保持長期穩定，進而減少設備的維護維修費用。在滿足成本控制后，關鍵部件（如：控制軟件、各類控制器及擴展模塊、傳感器等）應選用技術成熟的產品。

2）經濟性：在滿足建筑物舒適性條件下，合理組織設備運行，降低大樓運行時產生的費用，體現出采用樓宇自控系統后所帶來的經濟效益。

3）先進性：選用的系統產品技術先進性、結構該簡單，便于工程安裝和系統調試、以及日后的維護與系統升級。

4）可擴展性：系統設計方案具前瞻性，充分考慮系統日后的擴充，當用戶有新的需求時，可在不改變現有系統的前提下實現用戶的擴充要求。

目前，樓宇自控系統品牌眾多、產品多樣化，市場上的主流產品以國外品牌為主，主要有霍尼韋爾（Honeywell）、江森自控（Johnson Control）、西門子（Siemens）、Delta、TAC、KMC等。其中，霍尼韋爾、江森自控和西門子三家公司因進入中國市場早、品牌知名度大等原因在我國的市場占有率高，但同時這幾個品牌的產品價格也很高。相對樓宇自控領域的這“三大巨頭”，加拿大Delta控制公司進入中國市場較晚（2002年進入中國市場），但該公司具有多年的樓宇自控經驗，是一家生產樓宇自控系統產品的專業生產商，其產品性價比較高。根據工程的實際情況及投資預算，本項目樓宇自控系統的工程實現將采用加拿大Delta控制公司的ORCA系統。

3.2 樓宇自控系統的配置

本工程BA系統總I/O容量為1500～2000點，根據相關標準應按中型規模的BA系統定位。由于Delta ORCA系統大、中、小型軟件對應的I/O監控點總數分別為無限點、500～2500點、500點以下，本項目應選用帶歷史數據的中型Web server 軟件。

樓宇自控系統的硬件設備包括DDC控制器（含擴展模塊、DDC輔控箱）、傳感器及輔材。硬件設備的配置選項除了要達到智能化系統招標文件的技術要求外，還應考慮系統工程造價，選用性價比較高的產品和配置方案。在配置控制器時，可結合各受控設備的樓層及分區分組進行配置，選用合適的應用控制器及擴展模塊，每臺控制器監控點數預留有不少于15%的裕量，以備系統今后的擴容。系統中DDC輔控箱為定制設備，由箱體、安裝底板、空開熔斷器、變壓器、繼電器及端子排等輔控元件組成，各箱體及元件數量根據實際需要而定。各類傳感器應采用與DDC控制器相匹配的、靈敏度高、穩定性好、壽命長的傳感器。為保障樓宇自控系統中信號的傳輸距離及質量，應選用合適的信號線和通信線。

根據本圖書館建筑功能分區，為便于建筑設備管理系統（BMS）對大樓內的BA系統、智能照明控制系統、安防監控系統等進行集成和管理，BA控制中心設置在負一層控制室，對全樓的設備行監視和控制。

由于本圖書館建筑結構及功能分區的實際需要，整個圖書館建筑各樓層均分為五個消防分區，大樓擁有五個弱電井。根據所選用的控制模塊配置方案，BA控制箱安裝在各樓層的弱電井。此外，由于本項目中工程現場總線距離長，整個BA系統采用五個系統管理器，組建五條子網，以保證網絡結構的合理性及系統的實時性。

4 結束語

樓宇自控系統是建筑智能化系統中的關鍵部分，樓宇自控系統設計及其應用直接關系到工程項目智能化系統的成敗。在設計樓宇自控系統時，應因地制宜地根據不同的建筑、對象及用戶需求選擇合理的方案，以便更好地發揮樓宇自控系統的作用。本文圖書館樓宇自控系統的研究與設計對智能建筑的推廣與應用具有一定的實際意義與參考價值。

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[責任編輯：朱麗娜]