建筑電氣自動化系統設計與實現

王進

(南京建工集團有限公司, 南京 210012)

0 引言

隨著社會的快速發展，對居住或辦公環境的要求逐漸提高，建筑也逐漸向智能化方向發展，建筑電氣自動化設計應運而生，為有效滿足現代節能理念要求，需對傳統建筑電氣自動化進行優化設計，使建筑電氣系統運行方式更加自動化，更加智能，隨著相關技術(以太網傳輸、控制總線等)在建筑電氣自動化領域的應用，為系統的智能化和自動化提供了技術支持。

1 需求分析

智能建筑中的電氣設備較多，系統以建筑物的功能區域為依據進行相關控制環節的開展，設計需求為：對辦公環境要求較高的區域(如會議室、辦公室等)，為實現最佳溫濕度的提供，需要系統能夠對空調系統進行精準控制；在最大程度降低電氣設備運行成本的基礎上提高管理質量與效率，系統的運用需能夠發揮出節能控制的作用；建筑照明控制需實現燈光的開啟/關閉及強度進行調節和控制，除手動觸發控制開關外，對不同場景光照強度進行設定時可使用人體紅外感應探頭等技術，以滿足照明需求和節能需求；在滿足建筑功能與實用性需求的基礎上，系統需能夠對設備負荷進行合理分配，提高設備使用壽命及效率[1]。

2 電氣自動化系統設計

系統主要構成為中央監控設備、現場控制設備等，通過多個子系統功能的編制實現對機電設備的自動控制與監測(包括開啟、運行及關閉等)，并向管理人員顯示設備實時狀態，對不同設備運行過程中各參數的數據變化進行自動顯示及存儲，實現統一集成和匯總系統參數，從而實現系統設備的整體配置，能夠自動開啟應對方案保證某一設備出現故障時系統能夠正常運行，為維修人員提供時間，確保設備運行的穩定安全。系統以PLC(可編程邏輯控制器)等為核心，可根據實際情況對功能進行添加，以滿足不同用戶的多樣化需求。

建筑電氣自動化系統內讀寫、傳送所需數據時則通過使用以太網、TCP/TP 協議等完成，相關工作人員通過系統對各子系統的運行信息及各項參數實施監測或讀取等操作。系統中的重要元件：傳感器，包括溫濕度、壓力、流量等傳感器；現場控制器，由系統內中央監控計算機進行管理(當監控計算機發生故障時可獨立運作)，實現對建筑內各設備的有效控制；執行器，作為系統終端的主控元件電磁閥的使用頻率較高，如電動調節閥在改變風量時可通過改變葉片面積實現；加強用電控制與管理提升節能效果，通過在系統中增加電量監測及管理模塊，集中器根據主站發出指令進行分析和處理，再將處理結果(通過專用線路或電力線載波)傳輸至終端器，各項數據采集完成后回傳至系統[2]。

(1)中央控制室設計

中央控制室的設備需盡量靠近控制負荷中心，距離強電磁設備及其干擾場所大于15米，為避免突發停電狀況發生時影響建筑內的正常工作，需設計備用電源備，變配電控制系統的主要功能在于監測電氣設備狀態及故障報警等，建筑包含較多的內變頻器、電機等大功能電器設備，在設計電源時需滿足系統內的整體用電負荷，以保證系統的穩定運行。

(2) 控制器設計

作為系統的關鍵部分，現場控制器需滿足系統設計指標，為確保現場控制器設備正常運轉，就需確保線路、管道及與強電磁干擾環境保持合理的距離，PLC 整體輸入及輸出預留超出20%的裕量以滿足系統整體設計需求，在此基礎上完成設備安裝，并對功能進行調試，通過應用模塊化管理模式以便于后期開展維護等工作，實現自動高效的系統管理。

(3)布線設計

以智能建筑實際情況為依據，設計系統的電源布線時，要結合使用網絡通信設備部署方式實現布線的靈活高效(即綜合布線系統PDS)，以保證系統高效穩定的運轉，信號線在使用電纜布線時需進行嚴格控制，完成信號傳輸線路的分槽式設計，對計算機和網絡控制器等設備布線過程中，需同其他共用接地干線完成有效連接，以滿足電氣設備的運行需求，進一步提高建筑電氣自動化系統的穩定性[3]。

3 建筑電氣自動化系統實現

3.1 系統總體架構

智能建筑依托傳統建筑，結合信息化技術與建筑技術緊密結合，為用戶改善生活和工作環境，實現辦公的自動化，達到對建筑設備的智能化管理過程，在科學布線的基礎上，結合計算機技術對建筑物內各子系統(通常一個建筑體包含十幾個子系統)進行科學全面的管理，高質量的智能建筑離不開高效的電氣自動化系統，系統總體架構如圖1所示。

圖1 建筑電氣自動化系統狀態架構

主要由空調監控、照明控制、給排水控制等子系統構成，涵蓋范圍廣，結合計算機、通信、自動化等技術實現對建筑的統一高效管理，能夠對系統內的各類設備進行遠程監控及管理，通過建筑設備知能化管理系統完成數據的存儲與傳送，結合網絡服務器對相關數據進行深入分析，在此基礎上完成對各項指標與參數的合理調整，以保證高效的設備運行狀態，進而提高建筑的管理效率[4]。

3.2 主要模塊功能的實現

(1)中央工作站功能的實現

作為電氣自動化系統的核心，對各監視點的監測、相關數據運算和存儲等功能由中央工作站系統完成，負責集中顯示與管理整棟建筑內的機電設備，該子系統與以太網直接相連，主要由主機、打印機、顯示器等構成，從而進一步提高了對各種數據的監測、傳送及處理能力，再將這些相關數據信息以報告等直觀的界面形式供操作人員瀏覽及使用。

(2)給排水系統功能的實現

系統的自動化控制通過使用PLC 等可編程控制設備能夠得以有效實現，在現代建筑中，給、排水系統的設計主要采用水泵及傳感器完成，給水方法一般包括水泵、高位水箱、氣壓罐三種，在使用高水位箱完成給水時則通過使用DDC(直接數字控制器)完成水量監測、管理以及異常情況時發送報警信息。將三個液位傳感器設置在緩沖池內以監測使用水泵直接給水系統時的水量情況，包括監測溢流情況的發生與否，一旦水量達到最低報警水位及時提醒相關工作人員進行處理；通過使用重力流直接排放法完成排水，具體可通過設計集水坑在潛污泵的作用下將水排出室外(有泵房的情況下)，排水系統需完成對潛污泵的控制(包括啟或關停等)，具體可通過使用排水泵、集水坑、污水池等設施完成，結合監測設備對潛污泵的實際運行狀態進行監測，在給排水系統內通過水壓傳感器的設置完成對恒壓供水頻泵啟停的檢測和控制，此外還能夠對以上設備運行情況進行測定，將運行異常情況自動發送給相關工作人員。排水泵在檢測到水坑液面位置低于正常情況時將會自動停止工作，液面位置高于正常情況時使用排水泵完成排水，同時發出報警信息以供工作人員合理調度解決問題[5]。

(3)照明控制系統功能的實現

智能建筑日常使用中用電量需求較大，照明控制系統既保證照明質量又要實現節能效果，以降低建筑的能源消耗，從而節約成本，該子系統主要采用計算機及通信技術實現對建筑內電力照明設施的自動控制，在降低照明消耗及其他費用的基礎上(尤其是對走廊、樓梯照明的合理控制)，使照明效果保持在最佳狀態，并且能夠對建筑物中的照明設施進行遠程控制，通過一鍵控制開關的設置實現對建筑物內所有照明設施的整體控制，按區域或功能劃分的單項燈控開關實現對單個燈開關的有效控制，除此之外還能夠對系統內照明設備的工作狀態及故障情況自動進行實時監測，進一步降低了人力成本及管理成本，照明控制系統的實現流程如圖2所示[6]。

圖2 照明控制流程圖

(4)通風與空調控制系統功能的實現

該系統的作用在于去除室內污染物質并將室外新鮮的空氣吸入室內，以實現室內空氣的有效凈化，其中，空調控制系統由冷/熱源及前端設備等構成，在對設備進行啟動與關閉等控制操作主要依托制冷系統實現，同時控制冷風機組開啟的數量，借助監控系統監測系統內空調等設備的實時狀態，再通過熱水控制系統的應用實現對交換設備二次熱水出口溫度的合理控制(包括回風溫濕度值、開啟/關閉時間等)，并監測熱水泵各項工作情況等；為提升通風效果，將通風系統根據實際建筑的構造及功能劃分為局部與全面通風系統。

(5)視頻監控系統功能的實現

視頻監控需完成信息采集、錄像及遠程傳輸與保存等工作，運用Windpws的接口采用的視頻采集卡完成采集視頻工作，具體的流程如圖3所示，視頻編碼的制作通過使用MPEG4視頻壓縮功能實現，在將完成編碼后的數據保存至具有相應存儲空間的硬盤中，根據實際需要通過Internet將視頻信息傳送給客戶端，從而實現視頻遠程傳輸的功能。

圖3 視頻采集模塊圖

4 總結

為滿足居住或辦公環境的安全舒適與節能等需求，本文主要對建筑電氣自動化系統進行設計，結合通信、網絡等技術完成了電氣自動化系統的設計，并對系統照明控制、視頻監控等功能及實現方法進行詳細闡述，在低碳環保的大環境下需要對照明、空調等設備耗能的予以重視程度，不斷優化節能技術，充分利用智能、定時等控制方法最大程度降低能耗，空調設備結合熱泵技術降低耗能，外部空氣同室內水分及熱量可通過中央空調進行轉換，具有較好的實際應用價值，為建筑智能化管理提供參考。