基于西門子Desigo系統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)接口管理與響應優(yōu)化

華曉峰

[摘? ? 要]通過甲級辦公樓實際項目案例，分析解決樓宇自控系統(tǒng)與其他機電系統(tǒng)間的接口設置以及系統(tǒng)本身的響應速率問題，并梳理出甲級辦公樓項目的樓宇自控系統(tǒng)的技術管理方法，確保樓宇自控系統(tǒng)與其他機電系統(tǒng)間的聯(lián)動真正有效實現(xiàn)，其響應速率能夠滿足運營使用要求。

[關鍵詞]響應速率;接口;甲級辦公樓;樓宇自控系統(tǒng)

[中圖分類號]TU855 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）04–000–03

Interface Management and Response Optimization of Building Automation

System Based on Siemens Desigo System

Hua Xiao-feng

[Abstract]Through the actual project cases of Grade A office building， this paper analyzes and solves the problem of interface setting between building automatic control system and other electromechanical systems and the response rate of the system itself. The technical management method of building automatic control system is sorted out to ensure that the linkage between building automatic control system and other electromechanical systems is realized effectively.

[Keywords]response rate; interface; Grade A office building; building automation system

在多年甲級辦公樓項目的機電工程管理中，發(fā)現(xiàn)樓宇自動化監(jiān)控系統(tǒng)（Building Automation System）（BAS）的安裝和調試過程中經常會存在一些問題，有的是接口要求沒有事先提出，或是提的過于簡單不明確，這部分問題的原因大部分是樓宇自控系統(tǒng)招標時間和進場施工時間較晚。有的是在調試中發(fā)現(xiàn)控制指令傳輸速度和數(shù)據(jù)反饋速度較慢，這部分問題主要原因是樓宇自控系統(tǒng)實施過程中技術要求沒有細化并落實。解決這些問題只能通過反復協(xié)調，要求施工單位自行消化，大部分因為趕進度無法通過審批最后不了了之。這樣既影響了項目樓宇自控系統(tǒng)的施工進度和質量，給施工管理帶來了困難，又給今后物業(yè)管理使用系統(tǒng)帶來不利影響。故有必要對 BAS和其他各類機電系統(tǒng)間的接口設置要求和BAS網絡架構要求進行細化，并在設計階段納入強弱電設計圖紙實現(xiàn)表達，在招標階段寫入技術規(guī)格書，實施和調試過程中進行復核檢查，以確保BAS真正達到弱電設計所預定的效果。本文基于對 BAS的聯(lián)動控制功能和影響傳輸速率的因素進行研究，并以黃浦江沿岸E16-2項目地塊商辦新建項目為例，總結梳理樓宇自控系統(tǒng)在甲級辦公樓項目實施中存在的一些問題，并對如何在房地產企業(yè)機電系統(tǒng)技術管理的各個環(huán)節(jié)中予以落實提出意見和建議。

1 西門子Desigo樓宇自控系統(tǒng)接口及網絡架構概述

在甲級辦公建筑產品趨向大型和多功能化的今天，建筑物內機電系統(tǒng)和設備種類越來越多，控制要求也越來越復雜，物業(yè)日常運營維護保養(yǎng)工作量也日益繁重。為了應對這一趨勢，越來越多的房地產開發(fā)企業(yè)采用自動化監(jiān)控系統(tǒng)及計算機管理的BAS，以提供對如今的甲級辦公樓中的機電系統(tǒng)和設備進行集中的智能化控制和管理。Desigo系統(tǒng)是西門子公司為民用建筑領域開發(fā)的一套BAS控制管理軟件，一般一棟辦公樓或一座辦公樓群的BAS會按管理需要設有一個或者多個控制中心，每個控制中心設置BAS服務器（Server）或者客戶端（Client），這些服務器或客戶端通過光纖或網線集成在以太網上并與控制器（DDC）和第三方網關相連，而現(xiàn)場型DDC以及其擴展模塊通過TIA-485總線與各類型傳感器、控制模塊等硬件點位連接。通過在DDC中燒錄邏輯控制指令，從而實現(xiàn)對空調系統(tǒng)、風機、水泵、照明等機電設備和系統(tǒng)進行監(jiān)控。BAS和外部設備或系統(tǒng)相連的接口形式有以下幾種：①用于接收設備開關、運行狀態(tài)等開關量信號的數(shù)字量輸入接口DI;②用于控制電機、照明等設備啟停開關量的數(shù)字量輸出接口DO;③用于溫度、壓力等模擬量輸入接口AI;④用于控制閥門開度、變頻器等設備的模擬量輸出接口AO;⑤通信網關，BAS通過網關通用協(xié)議（常用有Modbus、BACnet/IP、LonWorks、BACnet MS/TP等）與第三方系統(tǒng)連接，將第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換成 BAS可以識別的數(shù)據(jù)，這樣就可將第三方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時顯示在BAS操作軟件圖形界面上。

西門子Desigo系統(tǒng)由MLN管理層、ALN自控層和FLN樓層級三個網絡架構層級組成。管理層MLN主要由裝有西門子Desigo應用軟件和數(shù)據(jù)庫的服務器、物業(yè)管理用人機界面的客戶端和連接第三方設備系統(tǒng)的網關等設備組成;ALN主要由各種網絡型DDC控制器組成;FLN主要由總線型DDC控制器、I/O擴展模塊、VAV控制模塊等硬件組成。MLN和ALN之間采用BACnet/IP以太網協(xié)議通信;FLN和ALN之間采用BACnet MS/TP總線通信，如圖1所示。

2 黃浦江沿岸E16-2項目地塊商辦新建項目案例分析

2.1 項目概況

該項目位于浦東新區(qū)苗圃路濱江大道口，項目總建筑面積約13.2萬m2，總投資額約38.9億元，是一個辦公商墅結合的綜合體項目，由3棟甲級辦公樓及10棟商墅組成，地下一層。其中H1塔樓為120 m，有兩個避難層。

2.2 BAS控制功能概述

該項目BAS采用了西門子Desigo系統(tǒng)，共設有3 543個BAS點位，辦公樓空調的冷熱源采用三臺冷量大小不同的冷水機組和兩臺燃氣鍋爐，空調水系統(tǒng)立管采用四管制，末端采用分區(qū)兩管制形式的風機盤管。根據(jù)管理要求，樓層空調水管設總電動閥，由BAS控制啟閉。新風采用屋頂和避難層設全熱回收機組，樓層帶初效過濾和濕膜加濕的空調箱形式，每層新排風風管上設置由BAS控制的電動風閥，減少本層不使用期間的漏風量。屋頂安裝有24 h租戶用冷卻塔作為數(shù)據(jù)機房空調冷源使用。各主要機電系統(tǒng)的控制功能如下：

（1）冷熱源。通過通信接口的形式釆集監(jiān)視冷熱源機組信息，并設置有DI/DO點，可根據(jù)預先編制的控制策略監(jiān)視和控制機組的啟停臺數(shù)。

（2）空調末端及水系統(tǒng)。設置DI/DO/AI/AO點，遠程監(jiān)控電動水閥、風閥、調節(jié)閥、循環(huán)水泵、空調機組等;通過通信接口方式監(jiān)控風機盤管。

（3）照明系統(tǒng)。設置DI/DO點，遠程監(jiān)控照明回路。

（4）給排水系統(tǒng)。設置浮球，接入DI點，監(jiān)視集水井、水箱、水池的啟停泵液位和報警液位;設置DI點，遠程監(jiān)視水泵狀態(tài)。

（5）通排風系統(tǒng)。設置DI/DO點，遠程監(jiān)控排風機。

（6）高低壓配電。通過通信接口的形式釆集設備信息，只監(jiān)不控。

（7）電梯系統(tǒng)。通過通信接口的形式釆集電梯信息，只監(jiān)不控。

（8）柴油發(fā)電機。通過通信接口的形式釆集發(fā)電機信息，只監(jiān)不控。

2.3 BAS實施及調試期間的問題梳理

（1）熱水鍋爐系統(tǒng)原僅考慮內部控制，未預留外機啟停干觸點信號，導致無法實現(xiàn)由BAS控制的熱水鍋爐與外部水路的聯(lián)動。

（2）機電招標時未明確所有空調箱需自帶控制箱，故無法由BAS進行遠程控制連接。

（3）對于公共區(qū)域照明系統(tǒng)，現(xiàn)場的控制箱沒有手自動切換按鈕，物業(yè)今后只能進行遠程控制，而不能就地控制。

（4）所有的電動開關碟閥、風閥執(zhí)行器均沒有單獨的電控箱，供電和控制均接在BAS的DDC箱上，完全靠BA控制。BA系統(tǒng)出問題時，無法現(xiàn)場電動開關這些閥門，給今后物業(yè)的維保帶來問題。

（5）冷熱循環(huán)水旁通閥為機電總包供應并安裝，為手動閥門，而弱電設計時，考慮到整體空調系統(tǒng)過渡季節(jié)的聯(lián)動控制，該點需設為電動閥門BA控制點。由于總包已采購了手動閥門并安裝完畢，直至BA系統(tǒng)接線時才發(fā)現(xiàn)該閥門為手動閥門，導致實際無法實現(xiàn)聯(lián)動控制。

（6）在采用通信接口接入的系統(tǒng)中，電梯、風機盤管、高低壓配電、柴油發(fā)電機廠家均提供了標準的通信接口，故 BAS釆集信號情況良好。而冷水機組由于采購網關接口模塊，與 BAS的集成有一定困難，無法實時釆集其監(jiān)控數(shù)據(jù)。

（7）在BAS調試期間發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)普遍存在響應速率慢的問題，比如人機界面存在打開卡頓、數(shù)據(jù)反饋時間滯后、控制信號傳輸速度緩慢等。首先測試了系統(tǒng)服務器至DDC控制器之間的網絡延遲和丟包率，發(fā)現(xiàn)網絡延遲和丟包率正常。再隨機抽查末端的控制及反饋時間，其結果達到1～8 s。而根據(jù)BAS制定的招標技術要求，控制指令發(fā)出到執(zhí)行器動作的時間不大于2 s;客戶端的人機界面上數(shù)據(jù)點實時更新速度不應大于2 s;以太網通信層的傳輸率應保持在10 Mbps以上。

以上問題的出現(xiàn)造成后續(xù)BAS調試中與其他機電系統(tǒng)專業(yè)分包間的互相扯皮，有些能夠通過變更追加，有些如要整改會影響工期進度，大量無法進行補救的接口和響應速度的問題將使BAS不能達到設計預想的功能要求。這樣不僅給今后物業(yè)使用帶來不便，甚至會使很多功能形同虛設。

2.4 問題的分析和解決

從技術層面進行分類，第1～6項屬于軟硬件接口問題，一般在安裝接線時就能發(fā)現(xiàn)，解決難度不大;第7項屬于網絡傳輸問題，往往到了調試階段才會發(fā)現(xiàn)，此時整個樓宇自控系統(tǒng)網絡架構已經搭設完畢，查找問題和整改非常困難而且耗時。

針對軟硬件接口，通常BA系統(tǒng)中的手自動狀態(tài)、運行狀態(tài)、故障等監(jiān)控DI點位，需由控制箱提供無源干接點;風機啟停控制點位等DO點，需控制箱提供24 V交流繼電器控制接口;如變頻器頻率、閥門開度等模擬量控制及反饋AI點位，需由目標控制器提供 0～10 V/4～20 mA標準信號。對于照明、電動開關碟閥、風閥執(zhí)行器等需要手動控制的設備，需單獨提供控制電箱，方便就地手自動切換控制。冷水機組、風機盤管、熱泵機組等設備，需將各自的網關通信接口協(xié)議（需支持BACnet/IP、MODBUS、KNX、Lonworks等標準協(xié)議）、內部數(shù)據(jù)地址表、接口通信相關設置參數(shù)及接線圖等數(shù)據(jù)提供給BAS實施單位，并由BAS實施單位進行第三方網關的軟件開發(fā)。大部分設備的網關模塊都不是標準配件，因此需要在簽訂采購合同時針對選配件有明確的要求。本項目針對上述軟硬件接口不足，通過合同變更，后期增加相應接口，都進行了彌補。

針對西門子DESIGO系統(tǒng)響應速率慢的問題，將可能的影響因素分別從BACnet/IP以太網和BAC MS/TP總線兩個通信傳輸層面歸類如下：

（1）在BACnet/IP以太網通信層，硬件上100 m以內的BACnet/IP以太網的傳輸線纜一般采用五類線以上，如采用同軸電纜，雖然傳輸距離較長，受干擾度小，但是傳輸帶寬一般不會超過10 Mbps。

（2）網絡廣播風暴（Broadcast Storm）。在一個局域網中，若DDC數(shù)量超過120個或者某個DDC失去聯(lián)系，系統(tǒng)會通過ARP（Address Resolution Protocol，地址解析協(xié)議），對于MAC地址與IP地址對應關系未記錄在緩存中的DDC，系統(tǒng)會通過ARP利用局域網對所有DDC進行廣播以確認MAC地址，導致在BAS系統(tǒng)網絡中形成廣播風暴。這種現(xiàn)象會導致BAS系統(tǒng)網絡資源被大量占用，正常的通信數(shù)據(jù)無法傳輸。解決方法是用IP控制器將控制器DDC劃分IP網段，即通過設置子網掩碼的方式，設置廣播子網，防止網絡風暴蔓延至全網。對于西門子Desigo系統(tǒng)來說，將不多于80個控制器設置到一個網段，將第三方網關單獨設置網段，可以有效避免網絡廣播風暴對響應速率的影響。

（3）網絡中無用信息和垃圾數(shù)據(jù)過多。由于西門子DDC提供COV（Chang of Value，值變化率）服務，即按預先設置的參數(shù)精度，一旦變化值超過參數(shù)精度，則對上位機發(fā)送更新數(shù)據(jù)，若變化速率與參數(shù)精度設置不匹配，會導致更新數(shù)據(jù)過多堵塞網絡。因此在調試階段，由專業(yè)的BAS工程師根據(jù)量程和變化量設置合理的精度至關重要。

（4）在BACnet MS/TP總線通信層，在單條TIA-485總線回路內，各硬件之間通過主從令牌傳遞指令，平均一次為7 ms（基于38 400 bd/s）。由于總線上電流為20 mA，同一總線內過多的控制模塊會導致回路感抗過大，傳輸效率下降。因此需控制每條總線的控制模塊數(shù)量在合理數(shù)量以內（如PXC2、PXC4、PXC16對應需要在20個以內，而PXC36可增加至60個以內）。

（5）總線傳輸速率與采用的線型有關，普通的rvsp線速率一般為38400 bd/s，通常僅適用于不大于100 m的使用場景。如需要更高的速率和更遠的傳輸距離，需要采用專用通信線纜如awg18，其傳輸速率能夠達到76 800 bd/s。

（6）DDC控制器信號接地需與電源接地分開設置，并只能單端接地，另外需加終端電阻，否則會因回路感抗過大或產生信號干擾而導致傳輸中斷。

（7）人機界面關聯(lián)點位合理化，不宜大于80個，否則界面打開速度會比較慢。

（8）盡可能避免采用光纖收發(fā)器，可以替代采用帶光纖模塊的交換機。雖然光纖模塊價格貴，但其故障率小，支持熱插拔易更換。

（9）服務器操作系統(tǒng)需采用正版，硬件CPU、主板、內存等配置需達到系統(tǒng)要求。對于目前BA大量高速存儲，盡量采用固態(tài)硬盤。

根據(jù)以上影響因素，弱電集成商逐條排查并整改，初步排除以太網管理層級的通信問題。通過對總線通信層面進行整改，將rvsp通信線纜改為awg18專用線纜，人機界面數(shù)據(jù)分散化合理安排，增加DDC控制器減少總線回路點位，合理劃分IP網段，服務器改用固態(tài)硬盤等措施，最終將響應速率降低到技術要求范圍內。

將以上問題從管理層面上進行總結，歸為以下2類：①機電設備（例如：風冷熱泵、空調箱、配電箱等）招標是先于弱電系統(tǒng)招標的，通常項目的弱電招標是最后進行的，先前的各個機電招標無法事先得到弱電的接口要求，或是機電招標文件中簡單描述成“需BA接口”，而沒有明確的細節(jié)要求，導致實際提供接口并不能達到要求。②在弱電設計和招標中技術要求沒有到位，如弱電設計對強電提資未明確手動就地控制要求，導致電箱缺少手自動轉換功能。

3 結語

綜合黃浦江沿岸E16-2項目地塊商辦新建項目弱電樓宇自控系統(tǒng)的實施案例，通過技術問題的解決，回歸到管理方法的總結，作為該項目甲方機電技術管理者，需要從設計、招標、施工、驗收等環(huán)節(jié)來規(guī)避和解決弱電樓宇自控系統(tǒng)與其他機電系統(tǒng)的各種接口問題，提升樓宇自控系統(tǒng)的響應速率，具體如下：

（1）弱電設計中應明確系統(tǒng)聯(lián)動功能和相應的軟硬件接口要求，細化網絡架構的技術要求，其中硬件接口要求需有效提資給強電專業(yè)。通過提前聘用第三方弱電顧問，對項目的弱電系統(tǒng)進行深化設計，這樣專業(yè)弱電設計單位不需要等待定標，可提前介入項目，在機電總承包單位招標前BA系統(tǒng)點位表需調整定稿，對各點位涉及的乙供設備技術要求進行規(guī)定，并對弱電系統(tǒng)的聯(lián)動功能要求進行確認。

（2）將弱電接口要求、網絡架構的速率要求提前寫入各個機電招標文件的技術要求中，且要求需具體化。在審核各個設備或機電標時，應向設備廠商確認設備是否能滿足弱電接口要求，并關注技術標中是否已包含了弱電接口的內容。

（3）在機電設備訂購之前，尤其是水泵、風機、執(zhí)行器等的控制電箱，廠家的深化圖紙須經弱電設計單位或施工單位確認。此做法可有效避免設備或電箱進場以后因不符合要求引起整改。很多時候電箱整改已經不可行甚至影響工期。

（4）在弱電集成商進場后，需搭建平臺給弱電施工單位對各家專業(yè)分包單位和設備廠家進行技術交底，一旦發(fā)現(xiàn)接口要求有問題，及時在設備下單前進行技術調整，及時完成設計變更申請。在調試驗收階段，請弱電顧問進行第三方驗收及測試，以保證系統(tǒng)參數(shù)滿足技術要求。

（5）項目部和運營物業(yè)在竣工驗收時應關注弱電系統(tǒng)的聯(lián)動要求是否實現(xiàn)，以確保弱電系統(tǒng)達到設計所預定的效果。

隨著智能建筑領域的不斷發(fā)展，樓宇自控系統(tǒng)的涉及范圍也越來越廣，能耗監(jiān)測系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、漏水報警系統(tǒng)等專項系統(tǒng)越來越完善和專業(yè)化，越來越多的系統(tǒng)由傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)直接控制已無法滿足專業(yè)化的控制需求，BAS也需要自身功能升級并向BMS（Building Management System，建筑設備管理系統(tǒng)）這樣的平臺化方面轉化。相對硬件接口，做好軟件接口和網絡通信的重要性將越來越大。如何做好樓宇自動系統(tǒng)和各機電系統(tǒng)的接口管理和通信速率的優(yōu)化提升，更好地實現(xiàn)樓宇自動系統(tǒng)給智慧建筑帶來的正反饋，將越來越成為房地產企業(yè)技術管理者的必修課。

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