基于智慧化理念的建筑電氣系統設計研究

于蘭伊　李明

摘要：隨著科學和技術地進步，人們對城市建筑的技術要求和功能訴求也在持續提高，未來智慧建筑將逐漸成為城市建設的趨勢，并且由于建筑的智能水平快速提升，對具備智慧化理念的建筑電氣系統也提出了更高的要求。由此，本研究對智慧建筑電氣系統進行研究與設計，首先對智慧建筑電氣系統設計概述、設計要求及設計原則進行闡述，以此為依據和導向，從智慧建筑電氣系統結構設計和系統設計兩個維度進行探索與實踐，最后從應用研究的角度對該系統進行論述。

關鍵詞：智慧化；建筑；電氣系統

中圖分類號： TU855??????????????????????????? 文獻標志碼：A

智能建筑被稱為“世紀性建筑”，是我國產業發展和科技進步的集中展示。智能建筑從項目的規劃設計起始，便是系統化工程，結合智能控制、監控終端、功能性子系統等模塊的集成，能夠顯著提升建筑的管理水平和工作效能。

城市智慧建筑是將城市中的商業、辦公、居住、餐飲、旅店、會議、展覽、交通和文娛等多種城市生活空間要素進行多種組合，并在各要素之間構成一種相互幫助和相互依賴的有機關系，進而構成一個高效率和多功能的綜合體。而在此基礎上，提出了一種基于“智慧化”的管理概念。城市智慧建筑綜合管理的主要內容是利用樓宇自動化系統，對建筑內部的設備和環境進行全方位監視和管理，為建筑的居民和用戶營造一個安全、舒適、高效、經濟和便利的生活環境，并通過對其進一步優化，來減少建筑的運行成本。智能建筑的系統監控范圍具體包含了建筑的電力、照明、通風、空調、安全、防災、給排水和車庫管理等設備和系統，它是在城市建筑智能化管理中，設計任務量和工程建設量最大的子系統。

1智慧建筑電氣系統設計概述及設計要求

現代建筑相較于傳統建筑的最大差異在于建設之初首先進行科技設備規劃設計，例如停車場的車輛識別管理系統、電梯監控系統、自動化消防系統等。但每一個子系統的軟件體系結構自我封閉，在各個子系統中，只能應用獨特的通訊協議來實現數據交換，而它們所能提供的第三方接口也很多，很難與國際標準相匹配，這就造成了各個子系統之間的信息共享、操作聯動存在障礙。這種建筑信息系統現狀，與智慧建筑的電氣系統水平相差甚遠。[1]

而基于智慧化理念的建筑電氣系統則對建筑內的安全防護、人流管理、消防預警、節能照明、高效車輛停放、信息傳播、數據傳送等眾多功能進行智能化賦能，以傳感器、監控探頭和智能設備為終端，利用人工智能技術和互聯網技術進行智慧化管理，最大化的實現建筑管理水平提升和綜合防范能力優化。

智慧建筑電氣系統采用分布式架構進行設計，該架構能夠同時兼容多種網絡系統和硬件設備，系統所搭載的軟件和安裝的硬件間相互隔離，各子系統間的耦合性能夠在實現安全的目的下賦予子系統高效運轉，并可根據實際工程中的硬件配置和信息需求來依靠軟件模塊進行調配部署。此外，整個系統遵循開放性原則，為二次開發提供豐富、精確的通信接口，如在工程中有特殊需求，還應該提供附加的數據和通信接口，從而達到與其它子系統進行數據交換的目的。[2]

2智慧建筑電氣系統設計原則

在設計智慧建筑電氣系統時，要遵守系統協調的基本原理，以智慧建筑原有的各子系統和設備為基礎，對原有功能進行優化和提高，其主要原則是：

（1）規范性原則。在對智慧建筑電氣系統綜合管理系統進行開發的過程中，要根據相關軟件設計標準，選擇合適的工具、系統、產品、設備等。

（2）領先性原則。智慧建筑電氣系統采用先進的計算機技術、數據庫集成技術和網絡技術，并以優異的技術性能來滿足系統集成要求。

（3）兼容性原則。即可拓展性，智慧建筑電氣系統具備良好的兼容性和拓展性，智慧建筑中各個獨立的子系統整合到一個平臺上，并對其進行統一管理，還可對平臺進行擴展，添加新的子系統和設備。[3]

（4）易用性原則。智慧建筑電氣系統的設計需滿足當前智慧建筑所需的各種業務需求，并能夠獲得業主認可。

（5）安全性原則。對于智慧建筑來講，安全性與可靠性是硬性要求，因此在智慧建筑的電氣系統中，應該采用多種安全技術來保障系統的安全性。

3智慧建筑電氣系統結構設計

智慧建筑電氣系統結構設計如圖1所示，該系統的核心即智慧控制單元，其上層功能由監控終端和集中數據庫監控平臺構成，用以實現為智慧控制單元提供參數支持和數據支撐，其下層由智能照明控制子系統、空調和熱冷源控制子系統、停車引導控制子系統、建筑自動控制子系統、消防及門禁等第三方子系統組成，與智慧控制單元由通信網關進行連接，并由智慧控制單元進行資源調配和控制調度。[4]

在每個子系統的核心處理器控制器，用總線將帶有能耗測量的大功率輸出模塊以及各類信號輸入檢測模塊進行連接，將能源測量和控制集成到一個模塊中。指揮控制單元根據不同的子系統運轉情況和現場環境數據，對其進行相應算法處理，根據所采集的能耗數據和智慧控制單元下達的節能模式，對每個回路進行節能控制，從而達到子系統能耗數據收集、控制、監督、分析等任務地實現。

其中，在智慧控制單元與子系統之間的鏈接功能是由通信網關承擔。受制于系統兼容性和功能性的考慮，智慧建筑的電氣控制系統必然會出現不同類型的裝置設備與系統共存的情況。通信網關作為擁有豐富硬件界面和軟件協議的中介設備，具備高性能數據處理能力。此外，它還可以用拓展的方法來添加物理界面，具體包含了以太網、RS-232/RS-485、CAN、Profi- bus、EtherCAT等現場總線界面，以及 Modbus、BacNet、 IEC104、DL/T645等通信協議界面。此外，還可以根據特定場景需求，對某些非標的界面進行自定義，實現外延、拓展等操作。

在實際的電氣系統結構設計方面，采用復合以太網絡體系架構，將整個體系結構劃分為上層監控層、智慧控制單元層和子系統控制層三個層次。通過對系統進行分區，可以保證每個子系統之間的相互獨立，具有較高的可靠性。子系統采用 CAN 總線的光電隔離結構，在某條總線發生故障時，不會對整個系統的穩定性造成影響。通過第一路以太網將各分系統與較高層次的中央控制單元相連，并通過第二路以太網將較高層次的智慧控制單元與較高層次的監測單元相連。當其中某個系統中的一個模塊或 CAN 總線發生故障時，該系統將報警信號傳送到智慧控制單元模塊，再傳送到 HMI 上位機的監測軟件。

4智慧建筑電氣系統設計

系統的硬件開發內容包括為建筑內的安全防護、人流管理、消防預警、節能照明、高效車輛停放、信息傳播、數據傳送等功能設計具有高度兼容性和穩定性的中央處理器模塊，硬件設計層面的重點要求在于具有較高的冗余性能，并為后期升級提供豐富接口的通信網關模塊，包括無線網絡接收模塊、超聲波檢測模塊、I/O 模塊等，每個模塊的印制電路板全部采用四層板設計，可以提高電磁兼容性和抗電磁干擾性能，并達到 EMC 的國家三級指標。

因為第三方系統設備接口種類和數量眾多，并且是相對獨立的系統。因此在智慧建筑電氣系統結構設計中，還設計具有可擴展接口的通信網關模塊，以及嵌入通信卡，從而形成通信網關系，實現與第三方設備系統的兼容。

智慧建筑電氣系統的通信網關模塊為 PCI 接口提供通訊卡，能夠從底層插槽與通信網關模塊相連。在此基礎上，將通訊卡的驅動程序裝入通訊卡中，就能完成一般的通訊總線，如 RS-232、RS-485、CAN、Profibus、EtherCAT等。

將 BACnet、ModBus、DL/T645、IEC104等常見的通訊標準進行整合，使其與已有的通訊標準達到最大程度的兼容水平。另外，該系統還能用軟件方法對總線進行自由編程，并能支持第三方的非標準專用協議。[5]

4.1中央處理器控制模塊軟件設計

中央處理器控制模塊的軟件設計以國際標準 IEC61131-3 OpenPLC為基礎，采用功能框圖 FBD/ CFC、梯形圖 LD、指令表 IL、結構化文本 ST、順序功能框圖 SFC 等五種編程語言。該系統可實現系統處理器的在線仿真、在線優化、斷點調試等功能，并可通過以太網絡進行編程和模擬。處理器控制模塊以各子系統的特定特性為參照，在進行軟件設計時，加入以下特定特性。

（1）空調、冷熱源、給排水節能控制算法

以不同的節約方式為依據，對空調系統、給排水系統和冷源系統的各個能耗指數進行測試，然后將其按設備的需求層級和功耗進行分類，在上級系統下達節約能源的指令和能耗限額時，各個系統回路以能量的比率進行分布，從而獲得節約方案。該方法還能夠比較實時能源消耗與同期能源消耗，從而獲得能源消耗的評價數值。

（2）智能照明節能控制算法

通過對中央處理器模塊下方的控制照明回路進行分類，得出空閑可關閉、節能可關閉、節能時調光、應急常開等不同的回路種類，在監控終端和集中數據庫監控平臺下達節能控制方式指令和能源消耗指標時，通過對這些回路的種類和能量消耗分析，得出節能控制方案。同時，將實時能源消耗與同期能源消耗相比較，得出能源消耗的評價數值。

（3）停車引導控制算法

在停車引導控制子系統中，提出一種基于泊車空間大小的泊車指引方法，該方法將泊車空間劃分為不同的分區，并將分區劃分為不同的分區，并對分區內的泊車空間以及各分區內的車輛出入情況進行統計。以這些區域等級、剩余車位及出入車輛的數據為基礎，實現最優的停車區域及路徑計算，并以此為基礎，以 LED 智能牌的形式，向即將進入的業主提供指引。

4.2通信網關模塊軟件設計

通信網關模塊作為與中央處理器和各子系統鏈接的樞紐，需具有較強的兼容性用以匹配各類第三方智能設備，包括匹配智慧建筑的樓宇自動控制網絡數據通訊協議、中華人民共和國電力行業標準 DL/ T645等。智慧建筑電氣系統以函數庫的形式加載，并按照實際需求進行具體組態與配置，能夠適應目前市面上大多數第三方裝置廠商的通信需求。在某些非標準設備界面的情況下，通信網關模塊軟件擁有 RS-485/RS-232、CAN 和以太網等現場總線的自由程序庫，方便進行個性化設計，從而達到特定場景下的集成需求[6]。

4.3智慧控制單元軟件設計

同時，在系統的核心部分，采用國際標準 IEC61131-3作為設計標準，為其提供具有熱備份功能。兩者之間采用 DB9通訊線路相連，實現對其數據庫的實時信息實時處理能力，并利用100 M以太網實現對兩者的實時處理。在智慧控制裝置開機后，以評估的方式確定智慧控制裝置作為主要裝置，另外一個作為備用裝置。在此基礎上，實現與監控終端和智慧控制單元的通信，并完成對下層子系統數據收集與監測。實現上層監控系統、智慧控制系統的實時性，以及數據可靠性。

4.4 I/O模塊軟件設計

I/O 模組系統通過 CAN 總線與 CANopen2.0通訊協議器，實現對現場工藝參數及操作指令的上傳下達。針對 I/O 模塊有測量與無測量兩種情況，建立各自CANopen目標詞典，并對 PDO 實時數據進行適當設置，可以將 I/O 模塊中的各個信道數據迅速而有效地加載到中央處理器中。

5智慧建筑電氣系統應用分析

智慧建筑電氣系統的設計，重點在于建筑控制的各個層次的網段、網關、總線數目和每個總線的監視區域方面。每條總線所能承載的處理器數目及傳送距離都是有限制的，需要根據現場處理器的分布位置、監控對象及所使用的處理器機型來進行設計。由于智慧建筑電氣系統要與諸如空調設備之類的較大設備中的專門的控制裝置通訊，而且整棟大樓的控制裝置中，有很多廠家的生產設備，所以還必須在各個廠家的生產設備上建立通訊接口。在實際應用中，對控制系統監測區域進行詳細分析。對現場處理器的監測范圍進行選擇時，應按照相同的一組設備的輸入和輸出信號訪問相同的現場處理器的原理，這不但可以減少網絡數據通訊量，還可以減小總線數據負載，加速系統的實時反應速度，更關鍵的是，在智慧建筑電氣系統的通信裝置出現問題時，現場處理器的獨立工作能力仍然可以確保所監測的設備能夠正常運轉。

在將智慧建筑各子系統的狀況信息收集到集中控制單元后，按照預先設定的管理與控制標準，對子系統下達具體控制指令，以調節子系統工作狀況。現場控制器需要對各類設備的運轉狀況及運轉參數進行采集和分析，進行采集和分析時，可利用檢測器或執行器來完成在標準輸入輸出電量信號與現場設備非標準電能或非電量監測信號之間的相互轉化，進而可直接實現監測功能。此外，還可利用通訊和信號方式，將系統的工作狀況和工作參數與其它定制控制裝置進行連接，并與其它專門的控制裝置進行通訊，從而實現對系統工作狀況和工作參數的監測。

6結束語

城市智慧建筑是城市發展過程中的重要組成部分，這與老城區的普通建筑群有很大區別，是由建筑集群走向城市空間擴大化、城市功能集約化、城市價值融合化的過程，同時也具有城市社區的典型特點。[7]由于現有智慧建筑各階段的子系統都較繁復且很難實現一體化，因此，本論述提出智慧建筑電氣系統的設計方法，利用了以嵌入的硬件系統為基礎的通信網關模塊、冗余的中央控制模塊和一般的 CPU控制模塊，并對節能算法、停車引導控制算法和一體化的監測管理軟件進行研究。該模式具有較強的穩定性、兼容性，能夠極大地提高城市智慧建筑智能化和節能的管理效果。

參考文獻：

[1] 李逸凡，陸麒竹，鄧文驍，等.關于國內外智能建筑標準的探究[J].建筑科學，2022，38（10）：158-168，178.

[2] 林文詩，梁舒丹，莊暉蕓，等.關于綠色低碳性能優化的中歐智慧建筑標準體系對比研究[J].建筑科學，2022，38（10）：169-178.

[3] 夏存景，李傳海.建筑工程施工中 BIM技術深度應用及智慧建筑理念研究[J].工業建筑，2022，52（5）：10003.

[4] 劉靜.未來智能建筑下低碳智慧圖書館的模樣[J].工業建筑，2022，52（4）：10075.

[5] 蔣雪雁.智慧建筑運維管理平臺的應用研究——以某大型商業綜合體項目為例[J].建筑經濟，2021，42（9）：78-82.

[6] 黃廣國，胡志誠.劇場建筑電氣設計及火災報警系統探討[J].現代建筑電氣，2022，13（6）：38-43.

[7] 李向榮.智慧城市理念在城市建筑設計中的滲透研究[J].房地產世界，2022（18）.