美国安德沃楼宇自控系统在温控方面的应用
引 言
楼宇自控系统是由中央管理站、各种控制器及各类传感器、执行机构组成的、能够完成各种控制及管理功能的网络系统。随着当代智能建筑技术的发展，对现代化大厦自动化管理的要求日益提高。过去我们习惯把自动化系统叫做楼宇自控系统(Building Automation System)，但因为目前楼宇自动化系统被赋予越来越多的管理功能，所以确切的说，我们应该称之为楼宇管理系统(Building Management System)。
二十一世纪，中国正处于迅速发展之际，自动化将在这巨大的发展中扮演重要的角色，建筑业也不例外。随着建筑物的增高，所采用的先进设备的增多以及能源管理重要性的增加，楼宇自动控制系统必将成为不可缺少的工具之一。它体现的不仅仅是大楼设备管理的现代化，而且是中国建筑业大踏步赶上世界信息时代高科技先进水平的重要标志。但由于国内技术和信息的缺乏，设计人员与国外交流的机会极少，决策层对楼宇自动化也还未形成共识，许多大楼控制系统的设计仍采用的是国外六十或七十年代的方式，这与大楼的档次极不相称，也与祖国日新月异的发展脚步极不合拍。我急切希望能通过自己的双手和努力，不断学习世界上的先进科学、技术与管理，让其为祖国的繁荣兴旺起到它应起的作用。
安德沃控制公司(Andover controls corporation)位于美国麻萨诸塞州，公司创立于1976年，楼宇自控系统是该公司的主要产品。该公司凭借其在楼宇自控领域占领导地位的技术迅速赢得了客户，并成为美国著名的楼宇自控生产厂家。在世界各地建立了销售网络。目前该公司产品的销售额占美国楼宇自控系统的首位，并且起销售量的45%以上是取代其他公司的同类产品，目前已经在世界各地装了一万五千多个自控系统。鉴于安德沃控制公司在楼宇自控领域的领导地位，拥有世界上最先进的楼宇控制技术，因此，本毕业设计选用了安德沃控制公司的Continuum系统。
北京泛利大厦是一座列入北京市总体规划方案的豪华级大厦，该大厦级办公、商场、餐饮和娱乐于一体，占地0.65公顷，总建筑面积8.3万平方米。地下三层，地上二十层，地上二十一层塔楼内有少量办公用房。大厦地下一层东部为餐饮，地上一至二层为商场，三至二十层为写字间，地下一层西部设自行车库(双层)，中部为汽车库及部分管理用房，地下二层为汽车库、变电所，地下三层为汽车库、制冷机房、水泵房、中水处理间及部分管理用房。作为一座象征改革开放的现代化大厦，对其自动化的管理要求很高。本文介绍的是空调的自动控制系统。空调系统包括：空调机5台、新风机31台、冷冻机5台、风机盘管13台、排风机31台、冷却水泵5台、冷冻水泵5台、冷却塔4台、冷却塔风机16台。
对于这样的建筑物，其空调的控制设计有以下要求与特点：
⒈空调系统属舒适型，以保证人体舒适为主要目标，对温度控制要求不很严格，也不要求恒设定值。由于北京属北方城市，冬季气候时多干燥，因此设计时需加上加湿控制。
⒉对节能有严格的要求，较大型的现代化建筑中，用电设备多，而在各种能量中(空调、照明、动力等)空调占了相当大部分。一般在办公大楼中，空调(包括冷热源和传送系统)耗电占50%，照明占33%，其他占17%。泛利大厦冷水系统冷冻机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机及空调系统中的各种风机容量极大，因此对节能有严格的要求。
⒊对建筑物和设备的管理有较高要求：由于建筑面积达、设备多，高档建筑物都设立中央监控中心，以保证高效、良好运行，减轻人员劳动强度，不断的、及时的提供有关设备运行状态资料。
根据以上特点，泛利大厦建筑物自动化系统(BAS)采用了集散系统(DCS)。集散型控制系统是七十年代中期以来随着微机技术的发展而发展起来的新型控制系统。首先用于工业控制，八十年代以来，在空调控制中也逐渐应用集散系统。国外厂商也先后发展了新的系统，如美国Andover公司的Continuum；美国Honeywell公司的Excel 5000；日本山武公司的SAVIC-NET系统；江森公司的METASYS系统；瑞士能德公司(L&G)的S600系统；英国SATCHWELL公司的BAS 2800系统等。集散控制系统中应用了直接数字式控制(DDC)的控制方式，其本质是以采样(离散量)控制代替模拟(连续量)控制的调节，它是以一台计算机对多个回路进行采样、计算、控制；特别对于舒适空调这种滞后较大的温度对象，更利于发挥优势。DDC用于空调系统，对计算机采样周期要求不高，一般参数可采用10-20秒。因此，对计算机快速性要求不高。而控制的精度和调节品质也能满足要求。这是因为：
(1)静态误差es(计算机控制为PI调节)
es=(Ti/T) ×(1/2^)×100%
式中:Ti为积分时间；T为采样周期；n为计算机数字位长度。
如Ti=30分钟；T=10秒；n=15则es=0.55%。而一般空调仪表
(温、湿度)的检测精度低于1%，因此对es以满足要求。
(2)动态误差，即调节过程中的超调量
对于空调控制来说，由于纯滞后时间TL与其等效时间常数TO的比值TL/TO较
大，在这种条件下，采用DDC控制，由于受采样时间的影响，使其动态误差
反而减少，调节品质优于模拟PID。
此外，采用集散系统比常规空调系统还具有以下优点：
(1)由于大楼设中央监控，采用集散系统可以将控制和检测传感器合用一套，节省了投资；
(2)现场只有传感器、执行器，取消了调节器，接线比较简单，减少了设备占用面积。
(3)用编程方法就可以改变控制方案，灵活性好，可采用多种节能软件，提高运行效率；
(4)便于今后扩充系统。
泛利大厦所选用的系统是安德沃控制公司的Continuum系统，此系统便是一个电脑化的、区域网络式的控制系统，采用直接数字式控制(DDC)的控制方式。
Continuum 系统具有以下的系统特性：
(1)高速两级多用户网络
通过Continuum系统特有的高速两级多用户网络，控制器之间可以实现数据全程共享。通过工作站、便携式计算机以及触摸屏等终端设备，多个用户可以同时访问系统。用户甚至可以使用普通电话线，实现与系统的远程通讯。Continuum系统基于EtherNet(即以太网)运行，支持多种通讯协议，如TCP/IP、IPX/SPX、BACNet等。
(2)宏大的系统容量
Continuum系统解决了在局域网或广域网上单用户和多用户应用的最大需要，能够支持搭192个网络控制器和64个工作站，每个网络控制器能支持2条Infinet总线，每条Infinet总线可以连接127台现场控制器和31台 ACX系列进出入控制器或DCX250触摸屏控制器。并可以为第三方设备提供可编程通讯端口。
(3)高度的数据共享
Continuum系统上所有的节点，包括工作站、文档服务器、网络控制器、现场控制器等设备，都可以共享中央数据库(SQL Server)数据。也可以独立使用本地的数据库。利用系统灵活的客户机/服务器环境，当工作站的操作者对系统桌出任何变化使，稳当服务器会自动更新全部数据，保证信息的实时性。
(4)友好的操作界面
通过直观友好得界面，用户可以完成对系统的全面控制和管理，包括对设备的操作、数值修改、报告打印，进出记录以及网络上不同用户或不同控制器之间的数据传送等等。所有这些操作只需通过图形化的界面，用鼠标轻轻一按即可完成！系统支持很多图形文件格式，用户可以引入各种图像或照片创建个性化的背景。
(5)简便的编程方法
控制器编程使用简明英语(Plain English)。正如它的名称一样，简明英语的使用非常的简单，易于理解和掌握，即便以前完全没有接受过计算机知识的教育，经过简单的培训就可以用它编写应用程序。
(6)强大的集成平台
除了对常规的机电设备进行控制外，系统还可以把大厦内外其他子系统集成在一起，实现与其他子系统之间的功能联动。
(7)灵活多变的管理功能
系统可以向大厦的使用者提供多种数据和信息，作为大厦物业管理的基础。从被控设备收集的数据，存储在一个中央数据库，在需要时可以从工作站上输出。楼宇自控系统可以进行多种灵活的数据记录和处理，如能源消耗报告、趋势分析报告、运行时间表设定、综合报警信息、人员考勤记录等，这些信息可以向大厦物业管理人员提供全面的第一手资料。
Continuum系统及其软件的强大功能，为此空调系统设计创造了非常好的条件。通过该系统，会设计出舒适、节能、高效的空调系统，使泛利大厦成为一座真正现代化的智能大厦。
络与硬件设计
1、系统构成
安德沃楼宇无限自动控制系统是一个集散型的控制系统，采用楼宇自控的最先进的技术，网络的拓扑结构为总线式，系统的网络分为两极：一级网络和二级网络，在网络上连接着三级系统控制装置。此外还有同区域控制器连接的信号探测元件和执行机构。
三级系统控制装置如下：
(1)连接在一级网络上的一级控制装置，包括控制终端(中央控制工作站)和文档服务器。
(2)连接在一级网络和二级网络之间的二级控制装置，即系统控制器(主控制器)也称作网络控制器。
(3)连接在二级网络上的三级控制装置，包括区域控制器，可编程式触摸屏。
总的来说，系统的功能以这样的方式实现：
第三级控制器接收来自设备末端的信号探测元件传来的信号，由控制器本身带有的CPU根据控制程序进行计算，然后发出控制信号到设备末端的执行机构来控制设备的运行。同时负责将报警信号通过网络发送到上级的控制装置和接受到的系统和设备信息的存储和记录。
二级网络负责传送第二级控制器和第三级控制器之间的数据传输和通讯。第二控制器负责协调第三级控制器之间的动作，且存储个控制器的数据，并发出报警信息。
下面就详细介绍一下应用于泛利大厦的ANDOVER无限系统的各个部分网络控制：
(1) 一级网络--ENERGYNET
它是连接一级和第二级系统之间的数据传输网络，是高速的LAN局部网，利用国际通用的标准的ARCENT和ETHERNET技术，采用同轴电缆或光纤电缆，网络的速率为2.5MB和10MB，在此网络上最多可以连接多达254个第一、二级控制装置，其中一级控制装置可多达16个。
(2) 二级网络--INFINET
它是连接第二级和第三级系统之间的数据传输网络，采用一对低电容的屏蔽双绞线进行传输，控制器是标准的RS485接口传输速率为19.2KB在每一个第二级控制器装置(主控制器)上最多可以连接254个第三级控制器装置(区域控制器)。
第三级控制装置(区域控制器)接传感器和执行机构。
泛利大厦的楼宇自控系统的硬件由四级构成，第一极为末端输入/输出装置，包括各种传感器、变送器、操作器、检测开关、电器控制装置等；第二级为区域控制器；第三级为主控制器一台；第四级为中央管理计算机与外部设备。本系统在中央控制中心设置一套电脑工作站及一台服务器，用来监视和控制空调系统。中央监控中心为586微机，21英寸康柏彩色监视器，还配有一台EPSON LQ-1600KⅢ黑白打印机。
中央控制中心对其属下各系统进行指令输入、信息管理、网络报警和数据管理。并通过软件编写实现各系统的联动。
应用软件：采用Continuum应用软件，下面对其作一介绍：
(1) 控制和管理核心
应用软件是一种用户可编程序，通过应用软件，操作者实现对大厦内外设备的编程，确定操作的顺序，规定控制的规则，监视运行参数，调整预先设定值，记录设备状态，输出系统报告。应用程序由控制程序、函数、方案、报警、报告、通讯、其余现实、数学计算、口令和历史记录等单元构成，可以实现判断逻辑、过程说明、定义报表、报警管理等各种系统所需的控制和管理功能。
(2) 日程管理
日程管理功能允许您根据日程表进行多种应用控制，设备合适运行、过程何时开始、人员何时进入、何时开门、何时关门等，都可以实用程序编辑器，为每个不同房间或不同的设备，设定和调整独立的日程表。系统将完全按照用户的“吩咐”按时起停这些设备。
(3) 对象管理
对象管理系统(OMS)把系统内的每个项目(用户、点、控制器、程序、报警、图形或报告等)作为一般对象对待，以方便组织和管理全局数据。对相管理系统是一个应用系列，对用户式透明的对象连接与嵌套(OLE)自动提供了可进入常用应用程序的能力，例如Word、Excel、 Navigator等。另外，大量的系统设置向导可指导很快完成整个系统的设定。
(4) 历史记录
系统从1秒到365天内的任意递减内，通过用户定义的每个控制器，能够记录系统的各种变化(输入、输出、数学计算、标志等)。记录的内容包括系统参数的顺时值、平均值、最大值和最小值。记录是可以自动的，也可以是手动的。系统可以计算记录的平均值、标准偏差、总和、最小值或最大值。
(5) 报警管理
应用报警管理功能可以设置报警点、报警策略、报警发生后应采取的行动。对同一点可有多种报警，每种报警具有不同的优先级别和不同的作用。报警发生时除了产生报警信息到主工作站和备份工作站外，还能够自动显示一个彩色图形，在打印机上打印报告，甚至把一个具体的报警事件记录下来，发送电子邮件到出现在地址本上的每个人。报警也可以通过区域终端、工作站或调制解调器送到远程计算机设备上。可谓每一报警点预先录制语音信息，为报警点提供音频报警。
(6) 集成管理
通过应用软件和中央数据库，可以将建筑内外的不同的独立的系统集成在一起。系统的集成不仅仅是各系统的信息传递和共享，而且这些数据还可以在工作站进行各类数据处理。系统将全部被控设备的数据存在一个中央数据库(SQL Server)上.由于SQL Server是一个工业标准的数据库，这意味着系统能通过网络与大厦内的任何计算机应用系统无阻碍地共享信息，得到有关楼宇设备的运行数据、雇员出勤记录、用于自动化计量的能源数据、支付单据以及系统的维护记录。
2、控制器简介
安德沃控制公司控制器可分为两种：网络控制器和现场控制器。网络控制器又名主控制器，是楼宇真正集散网络的重要一环，它提供了在基于以太网的高速的ENERGYNET上实现非常有效的网络通讯和信息管理。作为系统的各个离散化的控制器的协调者处于终端电脑和区域控制器之间，它的作用是实现全面的整体的信息共享控制，信息传输、数据存储、区域或遥控报警和提供全屏幕菜单化的用户接口。
Continuum楼宇控制系统现场控制器连接在Infinet总线上，所以现场控制器又叫做二级控制器。因为安德沃楼宇自控系统是分立式控制系统，每个区域控制器均可独立工作。由于输入/输出点的多少、形式不同，组成了不同的控制型号。现场控制器以双绞线为传输介质，通过RS-485接口进行通讯，独立完成对HVAC、灯光、保安、门禁等设备的智能控制。每一个控制器内部都有自己的随机存储器。在网络控制器发生故障的情况下，可以继续执行自己的区域控制功能。现场控制器内部数据同整个网络共享。
现场控制器通过Infinet总线进行通讯，而且支持一个便携式服务器接口，支持区域编程和参数的修改。也可以通过这个接口对相同总线上的现场控制器、不同总线上的现场控制器或高速局域网上的网络控制器进行访问或编程。
3、控制器选型
按照空调系统的控制和检测要求，首先确定系统的I/O点，此系统共有I/O点350点，其中AI：35点，DI：197点，AO：13点，DO：105点。针对于此，本着节省资金、满足控制要求的原则，泛利大厦选用的控制器为1台CONTINUUM网络控制器和80台TCX851区域控制器及EMX160和EMX150扩展模块。其特点概述如下：
(1) Continuum网络控制器
Continuum 网络控制器是Continuum智能型楼宇自控系统的中央处理单元，它也担负着网络的管理。它拥有8Mb DRMA、算数处理器和四个可编程通讯接口。它强大的、模块化的CPU主板，用于Continuum I/O模块和现场控制器的监控。支持用户化的简明英语编程。
(2) TCX851二级网络控制器
(Ⅰ)输 入：
TCX851有4个全能输入点，每一个全能输入点都可以接受数字量、计数量、电压量、点流量和热敏电阻信号。
(Ⅱ)输 出：
TCX851有3个数字输出。是24VAC/DC的A型继电器输出。有一个三态输出，可用于需要双向控制的场合，也可按数字输出使用。
(Ⅲ)I/O扩展：
在控制器的底部带有可以让输入/输出扩展模块直接插入的借口，扩展模块又不同的输入/输出点，供不同情况下选用。
(Ⅳ)通 讯：
TCX851的联络是通过INFINET线用一对低电容屏蔽双绞线来实现的，通过令牌传送的通讯协议来达到全网络的数据传输。
(Ⅴ)编 程：
每一个TCX851都是为了适应用户的需求而配置的。利用的是安德沃的简明英语编程语言，此编程可以利用哑终端、便携式设备、CX9000或CMX220系列控制器以及SX8000工作站输入，程序一旦输入后，可以立刻投入运行。
(Ⅵ)软件的能力：
TCX851的动态存储库可以存储简明英语程序、日程表、报警、报告和数据的记录。在普通的算法上，又包含了对数、指数、三角函数，并存有PID、自启动PID、曲线对应等高级功能。应用以上的高级功能可以在短时间内完成应用程序的编制。
(3) 扩展模块
安德沃的扩展模块系列产品使控制器的输入、输出点的增加变得简单而又便宜。不超过两个模块时可与控制器公用电源，超过两个模块使，要有外部提供24V直流电源。
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