基于现场总线控制的建筑智能化设计

来源:用户上传      作者:

　　摘要：本文以现场总线控制技术中最为广泛应用的LonWorks、BACnet技术为例，阐述基于现场总线控制的建筑智能化设计理念和目标，结合现场总线控制的技术特点和工程实例论述设计智能建筑系统时对实现其实用性应注意的问题。
　　
　　关键词：现场总线控制技术FCS；LonWorks；BACnet；智能建筑；设计与实用性
　　
　　Abstract ：This article takes as the sample of LonWorks、BACnet technology from FCS, Fieldbus Control System which is in rapid development and wide use in Intelligent Building design, to expound the design principle and objective of building intelligent design。The specific technical of FCS and project sample are combined into functionalism discussion that needs to be attend in building intelligence system design.
　　
　　Keywords ：FCS, Fieldbus Control System; LonWorks；BACnet；Intelligent Building; Design and functionalism
　　
　　1 前言
　　 FCS, Fieldbus Control System现场总线网络控制技术是楼宇自控系统主要的组成，也是建筑智能化系统不可缺少的部分，其任务是通过开放式现场总线控制网络平台对建筑物中的系统、设施及设备进行端口到端口的控制。
　　 楼宇自控系统中，通过使用现场总线技术对网络实现统一管理和调度。与传统中小型计算机集中控制系统和分散式控制系统(集散控制系统DCS, Distributed Control System)相比，FCS现场总线控制技术抗干扰能力较强、处理能力卓越等优势。
　　
　　2 设计与实用性
　　 现阶段的建筑智能化设计以满足建筑维护及客户的需求，择优性价比高的智能化技术和智能化产品进行系统集成，并未有突出系统集成的重点。当今形势下的智能建筑集成应该以节能、节约、舒适为侧重点，但这与各类建筑不同的智能化需求有着紧密的联系，如何在智能化的设计与实用性间做到最优博弈是关键之处。
　　 最优建筑智能化设计应该以智能化控制建筑环境中物理或自动化的方式，达到设备系统最佳状态的运转，但是同时还需要设备、系统、材料、空间使用、施工、人为感官等多方面的综合考虑。多方面因素的影响就会难以避免的造成智能化设计与智能化系统的实用性相脱节：系统设计过于冗繁，集成工作量庞大，且远超过建筑所需控制范围；网络主干、集成控制技术部分设计缺少可扩性、开放性和灵活性，无法为建筑未来可能需要的系统扩充奠定良好的基础。而现场控制总线技术是很好的标杆，帮助衡量建筑中各系统的协调和集中管理，本质在于现场总线技术是集计算机自控技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术的综合，基于现场总线控制技术的自动化系统网络结构即能使各系统中硬件通过数字信号得以灵活控制，又可以将整个系统的实用性赋予前瞻性的剖析。
　　 如何缩小智能化系统设计与实用性的脱节也是设计时最应注意的问题，由于现阶段多方面的因素的影响，使得智能化设计与施工还没有一整套十分成熟的技术，首要重点应该在确保经济、实用的同时，考虑节能、环保的设计。
　　 本文以总线控制技术中最为广泛应用的LonWorks、BACnet技术为例，阐述其技术特点、控制原理及在具体工程实例中的设计理念和设计所要达到的控制目标。
　　
　　3 技术特点的应用
　　3.1设备集成管理
　　 LonWorks技术更能体现“信息集中，控制分散”的特点，即平面式网络拓扑结构，多用于下层构架（控制器与设备）节点间的控制，具有较强的控制核心器件的技术（Neuron芯片技术）[1]，主要以LonTalk通信协议为主。它的优势在于：可以建立相互独立的控制网络，做到整个网络通信不受个别节点故障的影响；而BACnet技术措施是以分层式网络拓扑结构为基础，多应用于上层管理结构（人机界面），规定设备间互通的规则并向上层传输大量的资料，对比LonWorks1.25兆位/秒的最大传输率，它的最大传输率可达10兆位/秒，并且有6种支持的通信协议。LonWorks和BACnet对比总线技术中的其他技术优势在于具体有广泛统一的通信协议技术，随着智能建筑的广泛应用，系统规模的增大，被控对象的不断增加及分散，二者可以应用于同一个智能系统中，各尽所长，BACnet作为基础的协议框架和网络模型，LonWork则作为实现控制的直接手段。在BACnet与LonWork共存的集成系统中，
　　 智能建筑对比普通建筑，核心在于集成，总线控制技术则像是集成的核心控制与设备之间的血管连接，必不可少。普通建筑、部分集成建筑与完全集成建筑的生命周期花费比较（表1）：
　　生命周期花费部分 普通建筑 部分集成建筑 完全集成建筑
　　对比首次成本 ＄75,000 ＄78,000 ＄33,000
　　修改、升级和添加 ＄129,379 ＄126,379 ＄88,052
　　运转和维护 ＄21,250 ＄5,250 ＄3,750
　　通用费用（水电空暖） ＄200,000 ＄179,400 ＄179,400
　　
　　净现值 ＄2,325,232 ＄2,074,091 ＄1,773,493
　　比较完全集成建筑 +＄551,739 +＄300,598
　　
　　 表1：普通建筑、部分集成建筑与完全集成建筑的生命周期花费比较[2]
　　
　　 可见完全集成建筑在各项对比中都要比普通建筑花销少。与部分集成建筑相比，只有在通用费用（水电空暖）花销上等同，其它费用也都少于部分集成建筑。可见，集成建筑在首次成本花费、升级花费、运转和维护花费上都有很大的省钱优势，也给我们带来了方便、快捷、节省人力物力的控制。随之孕育而生了基于现场总线控制技术的建筑能源管理系统BEMS（Building and Energy Management System）。
　　
　　3.2 控制原理
　　3.2.1能源监控
　　 顾名思义，建筑能源管理系统BEMS是对建筑物消耗的能源进行监测和控制的管理系统。而建筑物中能源的消耗是涉及多种因素：人类活动、环境影响等等。因此，在高度集成的建筑能源管理系统BEMS设计中，往往要将这些因素作为被分析的数据信息进行采集，再通过系统分析的设置数据控制具体设备。以门禁控制系统所读取的数据为例，可以根据室内人员数量等信息结合日光传感器等一系列传感器测得的数据计算出室内照明、空调、通风等的舒适值及节能值，再通过管理系统的控制平台发出指令，经过以太网络的高速传输将控制信息传递到每个控制节点进行控制。
　　
　　3.2.2空调系统
　　 单独以空调系统控制为例，LonWorks技术可以实现对温度、湿度、新风、回风、排风、甚至室内二氧化碳含量等监视：LonWorks控制担当了各类数据与信息的传输媒介，采集感应装置所读取的环境数据，预先编排风机、风门运行程序，通过回风温/湿度、室内空气质量等信息回馈与设定值的偏差智能调节经济的运行状态，再将调节命令输出到各类具有串行芯片的控制器控制阀门、开关等设备。

　　
　　4 工程实例
　　4.1 工程简介
　　 广东省环境监控中心占地面积5857m2，总建筑面积为15600m2，监控中心大楼层数15层，大楼高56.8m。监控中心大楼是全省环保系统的数据中心 、网络中心、环境状况监控中心、环境污染事故应急处置指挥中心,现代化智能楼宇技术可以更好的实现大楼监控中心的功能。
　　
　　4.2现场总线技术的应用
　　 广东省环境监控中心智能化系统设计中楼宇自控管理系统（BMS）上层管理层和集成层应用了现场总线技术BACnet，现场控制层通过网络控制器、LonTalk协议连接6部DDC现场控制器，接口协议采用RS485。楼宇自控系统设备构成主要包括系统服务器、工作站、打印机、现场控制器、应用软件、通讯接口及线路、配套传感器等。系统采用两级网络结构，系统服务器/工作站为网络管理层，控制器（DDC）为现场控制层。系统的监控对象主要包括给排水系统、照明系统、安防系统（网关接口）、消防系统（网关接口）。
　　 系统上层管理层和集成层的设计应用BACnet的原因是使火灾自动报警系统、安防系统等第三方设备与建筑管理系统实现无缝连接，以及系统上层满足传输大量信息的需求。现场控制层设计应用LonTalk的考虑是基于：LonTalk网络拓扑结构灵活性便于系统未来的扩展，可以使用总线、星型、环型、混合型等多种网络拓扑结构，也可根据信息采集点的布局结构采用不同的连接方式，可以保证系统上层结构不变，减少了复杂性和工作量。
　　4.3 工程目标
　　广东省环境监控中心智能化系统集成设计目标是将给排水系统、火灾报警系统、安防系统、照明系统等第三方设备通过第三方接口系统进行二次监测，实现监测、控制和管理的一体化，从而提供建筑物内部舒适、安全、节能的环境，提高维护效率、节约人工成本的物业管理方式。
　　
　　5 注意问题及设计拓展
　　5.1实用性
　　 建筑智能化的设计不能单纯盲目的凭借应用技术多少定义，应对建筑本身所需功能、扩展展望、经济合理角度等诸多综合考虑。《智能建筑设计标准》GB/T 50314系列标准及规范中，对不同类型建筑的智能化系统配置有详细的规定。设计时要参照标准中配置智能化系统，也要考虑业主的使用需求、根据各系统的控制需求，注意并非只是系统的简单累加，并布线和系统的经济性与可扩展性。对于诸多厂商诱人的方案宣传，设计者需加以区分和识别，采用适合我国国情且满足具体需求的技术及网络标准，以免造成浪费。广东省环境监控中心的智能化系统设计在很多布线细节上都采用楼层间跳线共用的方式，节省布线长度。
　　 在条件允许的情况下，应当配合建筑师和设备工程师开展绿色、可持续建筑理念的设计，以便提高建筑的生命周期价值 （whole life value）。
　　
　　5.2 施工流程
　　智能建筑系统实用性不仅与设计本身息息相关，与系统具体施工情况在很大程度上相互影响。智能系统的软件、硬件设备选型，网关、控制节点、人机界面（控制平台）等的设计都将对整个系统的实用性产生重大影响[3]。然而，一些负责设计的设计人员参与施工流程的经验较少，就容易造成设计时忽略上述重点部分，造成不必要的失误。
　　
　　6 结语
　　基于现场总线控制技术的智能建筑是实现建筑系统开放且集中控制的必要手段，为智能建筑系统的控制提高了经济性、准确性、可靠性。智能建筑技术中的现场总线控制技术也将大量应用于绿色、可持续建筑。但我国现阶段的智能建筑投入产出比还处于较低的现状，如何利用先进技术打造出经济、实用、高效的智能建筑，还需要设计者、采购者与施工者继续的紧密配合。
　　参考文献：
　　[1]李云，陈建宏等．基于BACnet与LonWorks协议的系统研究［J］．微计算机信息．2010，4-1：164-165。
　　[2] Analyzing the Life Cycle Cost of Integrated Building Systems, Thomas J. Lohner, P.E.At，2007。
　　[3]黄晓锋，徐泽柱，王林，基于BAS的LonWorks与BACnet网关设计。微型电脑应用，2004年第20卷第7期：35-53。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-573465.htm