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楼宇自控系统方案解析

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本期导读

楼宇自控系统BAS(Building Automation System)是智能建筑必不可少的基本组成部分,已在世界各地广泛应用,并受到充分重视。它的任务就是创造一个安全、舒适与便利的工作环境,同时尽量减少能源消耗,它可以监控厂房内各种机电设备的运行情况和故障状况,并控制这些机电设备。它不仅可以根据需要随时打印各种报表,给管理人员带来很多的方便,同时,它对机电设备的实时监控,更方便于人员对设备的维护、维修和管理。在节能的同时,又节省了人力、物力,大大降低了管理成本。

2019-07-03 10:14:15 讲师:楼宇自控 编辑:杨洋洋
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楼宇自控系统BAS(Building Automation System)是智能建筑必不可少的基本组成部分,已在世界各地广泛应用,并受到充分重视。它的任务就是创造一个安全、舒适与便利的工作环境,同时尽量减少能源消耗,它可以监控厂房内各种机电设备的运行情况和故障状况,并控制这些机电设备。它不仅可以根据需要随时打印各种报表,给管理人员带来很多的方便,同时,它对机电设备的实时监控,更方便于人员对设备的维护、维修和管理。在节能的同时,又节省了人力、物力,大大降低了管理成本。

国防大学防务学院教学楼项目,对智能化系统有很高的要求,它不仅需要对空调系统,冷冻站系统、换热系统等系统的机电设备进行统一管理,而且这些设备还需自控系统进行通讯和必要的联动控制,保证达到需要的环境控制需求,致力于创造一个高效节能、绿色环保、高性能价格比的环境。

需求分析

新教学楼智能化系统建设的总的指导思想是:总体规划、功能完善、体系配套、先进实用、易于维护、方便扩展、规模合理。因此我们根据具体情况,对建筑物内自控系统的具体需求、应用功能等进行全面的分析,对智能化系统的详细规划、对系统配置进行深入的研究,把本系统建成技术先进、配置合理、经济实用、安全可靠的现代化建筑。

功能要求

楼宇自控系统利用先进的计算机监控技术对建筑物内的各种机电设备进行集中监控,为用户提供舒适的受控环境,并在此基础上通过资源的优化配置和系统的优化运行实现节能。

设计本系统时应包含对教学楼的冷热源系统,空调通风系统,给排水系统,变配电系统、电梯系统的监控。如业主不使用单独的智能照明系统,又希望能实现灯光的定时控制,可采用楼宇自控系统对建筑内的照明进行监控,亦可对泛光景观照明的回路做定时开启关闭。将智能照明系统纳入楼宇自控系统,自然结合在一起可以节省初始投资。

系统硬件的构成应至少包括以下部分:

采用三层网络通信结构:BAS工作站(服务器)、监控软件、通信接口等;现场DDC控制器,输入/输出模块;现场传感器、执行机构以及其他必要的设备组成。

服务器与现场DDC通讯网络以及DDC控制器之间都是采用100M/1000M以太网。

基于网络的集中管理平台,并通过通用、标准的接口协议可向上集成。

控制器具有10%点数的余量,并且扩充方便。考虑到控制器区域管理的需要,所有监控设备必须直接连接到DDC控制器上,以免控制器损坏引起的大面积区域设备远程监控瘫痪。

系统能快速进行信息检索,并对信息点参数进行查询、修改、控制等。该系统应能及时反映故障的部位,记录和打印发生事件的时间、地点和故障现象,指出排除的方法和措施,且能进行智能测试,制定维护计划。对所监控设备的工作状态、运行参数、运行记录、报警记录等作模拟实时显示、遥控、打印报表、存档,并定期打印各种汇总报告。通过楼宇自控系统对教学楼的各种机电设备进行统一监控。采用计算机统一管理能耗数据,并对能耗状况做科学的数据分析,有助于相关人员及时掌握大楼的用能情况,及时进行合理的能源分配,避免能源浪费。

系统管理中心位于一楼值班室。

系统结构设计

本楼宇自控系统应该采用集散式的控制方式,采用两层网络结构。上层以太网络,为集中管理层。由服务器、工作站、网络路由设备组成。下层为现场总线网络,为就地控制层,这层应采用国际标准的传输协议,由各种DDC及I/O扩展模块组成。系统为点对点式通讯,任何设备故障都不会影响系统其他设备。分站的直接数字控制器(DDC)具备独立的运行能力,当与系统其他设备的通讯线路发生故障时,不会影响自身的运行。DDC可以脱离上层监控计算机独立完成远程监控、测量与计算、自动调节、故障报警等控制程序。

系统优化说明

风机盘管联网控制

本项目共有风机盘管317台,如果每台风机盘管都设置一个温控器,这样成本会很高,我们将这些风机盘管按区域进行分组控制,每4~5台为一组,共79组。这样会大大的降低业主的投资,并起到便捷控制的作用。

本系统采用的联网风机盘管温控器,通讯协议为MODBUS,通过网关接口转换成BACnet/ip协议接入BA系统。可在BA系统上监控如下功能:

  • 风机盘管模式
  • 占用、待命、非占用模式
  • 室内温度
  • 制冷模式设定温度
  • 制热模式温度设定
  • 水阀开关
  • 风机三速控制
  • 公共区域照明智能控制

按照招标文件要求设置照明控制系统,应采用先进的计算机可寻址照明管理系统,为教学楼公共区域照明提供十分灵活和独立的亮度控制。

系统应采用基于高级视窗系统的图形编程软件使灯光照明系统可以集中编程或修改。

在满足以上需求的前提下,我方选择采用楼宇自控系统DDC来控制公共区域的照明,这样既节省了业主的投资成本,同时也便与未来物业管理。

系统组成及系统配置介绍

本项目楼宇自控系统管理层由1台操作员工作站及软件,1台网络控制引擎,相应系统集成模块、打印机等组成,设置于一层控制室内。

控制层由独立数字现场控制器DDC、及各类输入/输出模块和末端设备(包括各种传感器、变送器、执行器,阀门和开关)等组成。

楼宇自控系统通过配置相应的硬件和软件,对建筑内的空调系统、制冷系统、送排风系统、给排水系统、变配电系统、公共照明系统、电梯系统、热源及热交换系统等进行监控管理。其中系统工作站及网络控制引擎直接连接到TCP/IP以太网。

系统总体层次及网络结构

系统结构示意如图:

系统采用分布式集散控制方式的两层网络结构,管理层建立在以太网络上,控制层则采用 BACNET 总线技术,两个层面均可以自由拓朴,灵活的结构为系统实施和维护带来最大的便利。管理层网络以综合布线为物理链路,通过标准TCP/IP通讯协议高速通讯,主要设备包括 IBMS 服务器、管理工作站、现场便携终端、网络控制引擎等提供高速通讯,系统基于浏览器/服务器(Browser / Server)结构。

控制层网络采用开放的标准化现场总线BACNET,MS/TP ,将通用控制器、专用控制器、以及专业计量仪表等现场设备连接在一起。高达 78.6K 的通讯速率,为本项目大量的数据通讯提供了硬件条件。同时还支持自由拓扑结构,易于在网络中添加或减少设备,为组网实施和今后升级改造提供了最大的便利。其传输距离允许 500~2700 米的最远端,我方的设计则根据项目实际条件配置相应的中继设备,保障网络的通讯质量和稳定性。

系统架构的核心设备是网络控制引擎,它是管理现场网络并向操作站发布信息的职能设备。同时具备多种硬件接口和开放的软件接口,支持目前楼宇控制及信息领域中绝大多数的标准:能以 Web Service、TCP/IP、BACnet、LonWorks、ODBC、Modbus 等不同技术与其它厂商的设备通讯。设计时按照危险分散原则,设置多个网络控制引擎分别管理不同区域,使网络上任一节点的故障均不会影响整个系统的正常运行和信号的传输。

在系统的两层结构中,无论是管理层还是控制层,均具有同层资源共享功能(Peer to Peer)。在系统主机发生故障时,所有网络控制引擎仍保持通讯和数据的交换,而倘若网络控制引擎掉线,其控制网络的全部现场控制器之间亦能保持点对点无主从的方式进行直接通讯,从而保障系统不间断的可靠运行。

当在网络的任意节点添加计算机,通过标准的WEB浏览器,能够通过用户名和密码轻松访问用户权限范围内的被控设备。甚至可以在全世界任何地方通过内联网或互联网进行显示和控制操作。应设计灵活的模块化网络结构,为系统未来的扩展提供保证。

系统设计体现集散式的控制方式

系统充分体现了集中管理、分散控制的集散式系统的设计思想,所有DDC控制器均在被控设备机房内就近安装。控制器与现场前端设备(即传感器、执行机构、设备动力盘箱等)信号联接线的联接在机房内部完成。DDC控制器在本地对被控设备进行监控,包括实时检测现场设备的信号,根据控制器里内置的程序对设备进行控制,并将设备运行或报警信息上传给建筑设备管理管理系统中央管理工作站。中央管理工作站对收集到的信息、数据进行分析和管理,包括实时数据的图形显示,查看历史数据,处理各种实时报警,察看和打印各种报告,配置系统,系统编程等。这种集中管理、分散控制的模式既实现了对大型建筑机电设备的有效管理,又将控制功能分配给本地DDC控制器,避免了过去集中控制方式的弊端,即一旦中央控制设备出现故障将无法实现对所有机电设备的控制。因此系统中任何一台设备发生故障,系统其他部分都可以正常运行。在系统布线时,信号线、控制线尽量不穿墙、不跨越楼层。

系统的开放性和集成性

优异的开放性能,是实现系统集成的必要保证。系统的开放性体现在三个方面:开放的系统协议、开放的数据库和开放的操作界面。我们配置的系统完全满足这三个方面的要求。系统的集成设计可与第三方系统实现无缝联接集成,无缝集成多家第三方产品设备,例如冷水机组、热力系统、电梯系统、消防报警控制盘和变频驱动器(VFDs)等,共计上百种产品设备。另外系统可支持不同标准协议的开放接口,如Web Service、TCP/IP、BACnet、LonWorks、ODBC、Modbus 等不同技术与其它厂商的设备通讯。实现同其它建筑设备管理。

系统主要控制功能

楼宇自控系统提供舒适的环境、低成本的运行费用、有效的楼宇自控和管理人员的高效的工作。而这一切的实施,都是通过先进的系统性能和合理的系统配置来实现的。

前面,我们对设计方案中所使用的系统的性能特点已经进行了详细的描述,在本部分,我们对设计方案的监控功能加以具体说明。

在本方案中建筑设备监控系统的工作站是操作人员使用系统的首选位置。

除非另有说明,所有被控设备均可通过系统的工作站实现远程启停,或由独立就地直接数字控制单元里的定时程序启停。另外通过工作站可不受定时程序限制来启停每个系统。

系统的顺序启动程序可防止同时启动电机造成负载过大,该程序还可为那些原先在运行的电机提供掉电后顺序重新启动的程序。

系统提供软件延时用以保证风机的电机在重新启动前冷却。电机启停保证最小时间间隔(电机顺序启动时)和最小滞留时间(启停之间),时间间隔依电机马力而定。

当某个设备关断跳闸后可通过软件远地切断接触器电源,从而实现禁止风机自动重新启动。风机的重新启动是由本地手动或系统网络操作人员实现的。

空调机组

  • 监控内容
  • 控制机组送风机的启停控制,并监测送风机手/自动转换状态、故障报警及运行状态;
  • 监测风机前后压差监测;
  • 新、回风风阀比例控制:根据送回风温度及室内外温湿度进行新风量控制,以在保证新风量的前提下尽可能充分利用回风或室外自然条件,达到舒适而且节能的目的。
  • 根据送风、回风温度与设定温度的比较对冷水阀进行PID调节,从而利用最少的冷冻水使室内温度维持在设定范围内。
  • 通过对二通电动加湿阀的自动调整,实现对湿度的调节;
  • 根据回风湿度控制加湿电磁阀的开启和关闭;
  • 通过监测防冻报警开关,当被测温度低于5℃时,开启水阀并关闭送风机,同时关闭新风阀门;
  • 控制依据回风温度和空气焓值控制新风、回风阀门,控制阀门开启的大小来控制风量;
  • 风道初效过滤器淤塞报警;
  • 监控点位:
  • 检测机组的送回风温湿度;
  • 控制送回风机启停;
  • 监测送回风手/自动状态及故障状态监测;
  • 风机跳闸警告;
  • 检测初中效过滤网的压差报警;
  • 利用压差来监测风机运行状态;
  • 根据回风温度自动控制冷/热水阀开度;

新风机组

  • 监控内容
  • 机组送风机的启停控制,并监测送风机手/自动转换状态、故障报警及运行状态;
  • 风机前后压差监测;
  • 根据送风、新风温度与设定温度的比较对冷水阀进行PID调节,从而利用最少的冷冻水使室内温度维持在设定范围内。
  • 通过对二通电动加湿阀的自动调整,实现对湿度的调节;
  • 根据新风湿度控制加湿电磁阀的开启和关闭;
  • 通过监测防冻报警开关,当被测温度低于5℃时,开启水阀并关闭送风机,同时关闭新风阀门;
  • 风道初中效过滤器淤塞报警。
  • 监控点位:
  • 检测机组的送、新风温湿度;
  • 控制送风机启停;
  • 监测送风机手/自动状态及故障状态监测;
  • 风机跳闸警告;
  • 检测初中效过滤网的压差报警;
  • 利用压差来监测风机运行状态;
  • 根据送风温度自动控制冷/热水阀开度;

 送排风机

  • 监控内容
    • 送排风机启停控制、运行状态及故障报警、手自动状态;
    • 室内温度监测;
    • 送排风机累计运行时间。当累计值达到设定值时,发出检修报警信号。

给排水系统

  • 集水井排水监测内容
    • 水泵工作状态、故障报警和手自动状态;
    • 集水坑超高液位检测和报警;

公共照明系统

  • 公共照明系统的监控内容
    • 回路的运行状态;
    • 回路的手自动状态;
    • 回路开启关闭控制;

空调末端系统

  • 风机盘管监控内容
    • 室内温度检测,根据室内温度对风机盘管高、中、低速控制;
    • 根据室内温度进行水阀开关控制;
    • 风机盘管定时开关设定。

 其他

  • 室外环境
    • 室外温湿度监测;
    • 室内二氧化碳浓度监测;
    • 5浓度监测。

系统集成

    楼宇自控系统通过接口方式对以下系统运行状态进行监视。

  • 冷热源系统
    • 建筑设备自动化管理系统可通过MODBUS或TCP/IP接口将冷热源群控或建筑节能系统的冷热源数据接入,可通过数据接口提取水泵状态、冷机状态参数、冷冻水、冷却水、一二次热水的参数等相关数据,对系统的运行状态进行记录,在发生故障或状态偏差时进行报警提示。
  • 电梯系统
    • 建筑设备自动化管理系统可通过MODBUS、TCP/IP接口或直接通过干接点集成监测电梯运行状态,可提供如:上行、下行、门状态、故障等运行参数。
  • 变配电系统

建筑设备自动化管理系统可通过MODBUS、TCP/IP接口集成高低压变配电系统。采集高低压进线的三相电压、电流、有功功率、功率因素和有功电度等,并对低压柜的合闸开关状态、跳闸开关状态,电力品质参数进行监测;对运行状况巡检、故障报警显示与记录。

系统软件可实现如下监控要求:

  • 系统启动后通过彩色图形显示,显示状态和报警信息,显示每个测量参数值;
  • 各参数都有列表报告,趋势图显示和报警显示;
  • 软件对用电负荷进行累积计算,并打印报表,以供物业管理部门所用;
  • 对高低压配电的电流、电压、频率、功率因数、有功功率、电度等进行监测,并作记录;统计和比较;
  • 中央站用彩色图形显示上述各参数,记录各参数、状态、报警、累计时间和其历史参数,且可通过打印机输出。
  • 其他系统
    • 建筑设备自动化管理系统可通过MODBUS、TCP/IP、BACnet、开放的LONbus接口或开放数据库等方式集成其他机电设备。

系统节能性说明

在满足舒适性的前提下,楼宇自控系统通过合理组织设备运行,使运行费用为最低。楼宇自控系统通过计算机控制程序对全楼的设备进行监视和控制,统一调配所有设备,可以实现用电负荷的最优控制,有效节省电能,减少不必要的浪费。

1)系统通过监测电力系统,力求掌握整个建筑内的用电负荷情况,并根据用电负荷情况对整个建筑的设备进行监视和控制,统一调配所有设备用电量,以实现用电负荷的最优控制,在保证舒适的空调环境和工作条件的基础上,大幅度地节省电能,减少不必要的浪费。

2)空调系统是建筑物内机电设备中能源耗费的大户,约占总能耗的60%。通过设备监控系统的控制,将所有空调机、新风机进行控制,控制机组在合理的温度、湿度范围内运行,以避免夏季过冷和冬季过热这样浪费能源的现象。例如:对于室内人员的变化、发热设备的变化系统可以自动调整空调设备的制冷负荷,使机房内空调制冷和输送能耗更低,达到节能的目的。

冬、夏季为进一步降低室内新风的能耗且又要满足人员的最低新风量要求,在空调机组回风处设置有CO2浓度传感器,由测得的CO2浓度自动控制空调机新、回风口处电动调节风阀开度的大小,调整新回风混合比。

监控全热换热设备,进行能量回收。空调机组室外环境温度发生变化时,系统可以根据室外温度变化,及时调节相关设备的工作状态。尤其在春秋季节,气候变化比较频繁,当室外温度比较凉爽时,系统可以自动调节新风机组水阀、新回风阀,充分利用外界新鲜的适宜空气,降低空调能量的消耗。

系统还可根据冷却水供回水温度,控制冷却塔风机的启停及运行数量,最大程度的节能。

另外,空气过滤器堵塞报警可及时提醒物业人员对其进行清洗或更换;防冻报警探测可对设备起到保护作用等,均对节约能源起着直接和间接的作用。

3)送排风系统,通过本系统使送风机、排风机连锁运行,系统可以设定运行时间,或根据CO传感器,使风机在需要时投入运转,避免浪费。

4)纳入楼宇自控系统的设备的运行状态始终处于系统的监视之下,楼宇自控系统可提供设备运行的完整记录,同时可以定期打印出维护、保养的通知单,这样可以保证维护人员不超前、不误时地进行设备保养,因此可以使设备的运行寿命加长,也就是降低了建筑的运行费用。系统自动记录设备的累计运行小时数,当累计值达到规定的维修时间时,自动切换到备用设备,同时报告中央控制室,以均匀各台设备运行时间、延长设备使用寿命。纳入楼宇自控系统的机电设备,可以使这些机电设备在统一的界面上完成一切操作,极大地方便了机电设备的管理,减少管理和维护人员数量。提高建筑设备管理水平,增加设备的运行寿命,减少设备发生灾害性故障和连锁反应的可能性,大大降低了建筑的运行费用。

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