楼宇自动化系统的设计与应用分析

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　　摘 要：作为智能建筑的重要组成部分，楼宇自动化系统在现代建筑领域起着越来越重要的作用。本文主要从楼宇自动化系统的含义、楼宇自动化系统的主要硬件设备设计与体系结构设计，以及楼宇自动化系统的应用前景等几个方面对楼宇自动化系统进行了分析和探讨。
　　关键词：楼宇自动化系统；体系构造；应用前景
　　中图分类号：C35 文献标识码： A
　　引言
　　人类社会已进入现代化信息社会，信息已逐渐渗透到人们日常工作生活等各个领域，办公自动化、电子商务等概念也逐渐由假想变为现实，这一切都是依赖于计算机技术、通信技术、信息技术、网络技术等的飞速发展。而楼宇自动化系统作为当今智能信息化社会的典型代表产物之一，同样在人们日常的工作和生活中起着各种重要作用。
　　一、楼宇自动化系统的含义
　　楼宇自动化是智能建筑的主要组成部分。楼宇自动化对建筑的所有公用机电设备，包括建筑的中央空调、给排水系统、供配电系统、照明系统、电梯系统、消防系统等，进行集中监测和遥控来提高建筑的管理水平，降低设备的故障率，减少维护及营运成本，它的设计水平和质量对智能建筑功能的实现有直接影响。
　　二、楼宇自动化系统的主要硬件设备设计分析
　　楼宇自动化系统主要由中央管理工作站、传感器、控制器、执行器、控制与信息网络和被控对象等几部分组成。其中中央管理工作站安装有以动态图作为界面的监控管理软件，控制器主要采用DDC控制器。
　　1、中央管理工作站
　　中央管理工作站在楼宇自动化系统中作为“主脑”，通过通信接口与控制器进行数据通信，完成系统的信息采集与控制。其特征是多屏显示、现存图形的重复利用、动画界面、采用颜色梯度的动态信号、动态趋势。中央管理工作站主要由PC机、服务器、各种网络设备和各种软件组成。由于功能、特点、监控要求不同，其配置方式也会有所差别。①单机集中式：全部信息的采集处理、监视、控制和管理等工作都由一台主机完成，可靠性不高。②双机集中式：采集到的信息同时送给两台主机，主机间有切换环节，当任意一台主机的硬件或软件出现故障时，会自动切换到另一台主机，提高了系统的可靠性。③双机分布式：分主控制层和就地控制单元。主控制层，双机配置，通过通信接口与就地控制单元通信，实现监控系统的全局监视、控制、显示、打印和管理功能，对整个系统进行管理和优化。就地控制单元，实现本单元的信息采集、处理、监视、控制和与主控制层的通信，完成实施性强的控制和调节。
　　监控系统的主要软件及功能如下：①系统软件：随主机提供的全套系统软件，包括实时操作系统和输入输出设备的系统软件。②支持软件：确保主操作系统的有效运转。③应用软件：保障实时监控系统的全部功能。④监视软件：对系统的硬、软件进行实时监视，确保系统安全运转。⑤自诊断软件：检查和核对整个系统运行的正确性，显示检查结果或报警。⑥自恢复软件：当操作系统发生故障时，能够尽快自动恢复。
　　2、控制器
　　DDC控制器有一体式和分布式两种结构。①一体式通常将CPU、存储器、I/O端口、通信接口等组合在一个控制模块中；②分布式由主控模块（负责通信和计算）和独立I/O模块构成，主控模块没有I/O端口，必须和I/O模块配合使用。不同的I/O模块的端口类型和数量不同，这样由主控模块和若干I/O模块构成的DDC就可以满足任何工程现场的需要，即可以根据不同的需求定制不同的控制系统。
　　在DDC系统的设计和使用中，I/O端口有4种：①模拟量输入（AI）端口。输入的模拟量主要有温度、压力、流量、液位、空气质量等，这些物理、化学量通过相应的传感器测量，并经变送器转变为标准电信号，如0-5V、0-10V、0-20mA、4-20mA等。这些标准电信号进入DDC的模拟量输入端口，经过内部的A/D转换器转换成数字量，再由DDC进行分析处理。②数字量输入（DI）端口。DDC可以直接判断DI输入端口上的开关信号，并将其转化成数字信号（“通”为“1”，“断”为“0”），这些数字量经过DDC进行逻辑运算和处理。DDC对外部的开关量传感器进行信号采集，一般数字量接口没有接外设或外设是断开状态时，DDC将其认定为“0”，而当外设开关信号接通时，DDC将其认定为“1”。③模拟量输出（AO）端口。当外部需要模拟量输出时，系统经过D/A转化器转换后变成标准电信号，如0-5V、0-10V、0-20mA、4-20mA等。模拟量输出信号一般用来控制风阀或水阀等。④数字量输出（DO）端口。当外部需要数字量输出时，系统直接提供开关信号来驱动外部设备。这些数字量开关信号可以是继电器的触点、NPN或PNP晶体管、晶闸管等。他们被用来控制接触器、变频器、电磁阀、照明灯等。
　　3、传感器
　　传感器是一种能把非电信号转化为电信号的器件，它是控制系统的重要末端设备之一，主要用于采集现场过程模拟量数据，输入信号。常见传感器品种：力敏电阻、热敏电阻、热熔传感器、感应传感器、霍尔传感器、压电传感器、超声波传感器和热电传感器等。
　　4、执行器
　　阀门和执行器在楼宇控制系统中总是成对出现，阀门用来控制流体的方向、压力和流量的装置；执行器，接受主机发出的控制信号，执行控制指令，对受控对象施加控制的装置。在楼宇自动化系统中常用的阀门有电磁阀、电动阀、蝶阀和球阀。执行器种类主要有电动、气动和液动三大类。其作用主要为驱动、执行、特性补偿、自诊断等。
　　三、楼宇自动化系统的体系结构设计分析
　　楼宇自动化系统的体系结构按系统规模与管理类型以及控制方式来划分可分为集中式体系、分布式体系以及综合化体系这三种类型。
　　1、集中式楼宇自动化系统
　　集中式楼宇自动化系统的特点正如其名，它可以将现场所有的信号集中起来，放置在同一场地。通常有一台主计算机，专门用于工业控制，通过在过程通道中进行各种数据的采集、分配以及控制，同时在状态异常时自动报警，这些基本的设备管理功能都能在此系统中充分实现。再通俗地说，集中式楼宇自动化系统就是把分散的系统实现集中控制管理。对于机动结构而言，集中式楼宇自动化系统主要是采用双机结构来完成对现场信号的控制，因为双机的处理能力十分强大，能应对比较恶劣的现场环境以及危险性较强，不适宜管理人员进入的特殊场合。这种双机机构是由下位机和上位机组合而成，它们有明确的分工合作确保系统的正常运行，下位机主要是应用于现场信号的数据搜集与控制，上位机则是对设备进行有效的管理，两者之间的所有信息通过一系列的通讯协议来完成对接。集中式楼宇自动化系统的结构十分简单，操作性极强，且所需资金投入比较少，开发周期较短，但是不足之处是其功能有限，无法完全满足现代化智能建筑对于综合管理的需要。 　　2、分布式楼宇自动化系统
　　分布式楼宇自动化系统是目前应用比较广泛的一种系统，它的特点是能够对现场信号进行分布控制，集中管理，在体系结构上层次化十分明确，管理起来也比较轻松，操作性很强。它主要由过程控制计算机、过程管理层计算机以及运营管理层计算机构成。
　　在系统计算机分工方面，运营管理层计算机是所有计算机系统的领导者，运营管理层计算机位于整个系统的最顶端，具有强大的数据处理与系统管理能力，它负责对系统数据库进行维护与管制，并还要负责各子系统的协调工作。过程控制计算机和过程管理层计算机则随时听候运营管理层计算机的指示和命令。过程控制计算机分散布置在各个控制现场，通过各传输装置包括传感器和变送器直接与执行装置等相连，实现主系统与子系统的信息交互以及对现场信号的实时监控；过程管理层计算机分为两种管理体系：监控站和操作站。监控站是监视各个现场的工作情况，并直接与过程控制层计算机联系，把从过程控制层系统得到的各项数据与现场情况直接传递给操作站和运营管理层计算机。而操作站主要负责操作工作，它为管理人员提供一个操作的平台，使得操作者可以通过通讯网络将操作命令及时传送给监控站，再由监控站实现具体操作项目。在楼宇自动化系统中由于各设备子系统的分布比较分散，处于各个不同的场地，并且控制现场的环境通常都各不相同，因此，分布式楼宇自动化系统这种控制结构是实现实时控制的最佳方式。
　　3、综合化楼宇自动化系统
　　综合化楼宇自动化系统集结了集中式楼宇自动化系统与分布式楼宇自动化系统的特点，实现了对于现场的分布控制和综合化管理。它在传统分布式楼宇自动化系统的基础上，合理的融合了集中式楼宇自动化系统的优点，通过对于各项技术的有机结合与综合运用，现已具备了综合化服务和管理的功能。同时再通过引入应用先进的网络技术，就能将其优异的功能融入到各个系统之中，而整个系统通过楼宇自动化局域网相连接，以网络数据库代替了传统的单机集中式数据库，使得数据传输更加快捷、准确，操作性也变得更强。
　　四、楼宇自动化系统的应用前景分析
　　其实在现实生活中，很多人对楼宇自动化系统的了解可以说是知乎其微，楼宇自动化系统还没有真正融入到人们的日常生活中来。
　　近些年来，我国对于智能建筑所涉及的楼宇自动化系统的研究开发与设计应用已越来越重视，但是与国外那些技术相对先进的发达国家相比，在该领域对其的研究、开发、设计、应用起步较晚，这就造成了有些人对国产楼宇自动化系统的性能产生一定的疑虑，尽管还没有真正接触到国产的楼宇自动化系统，却从内心深处误认为国产楼宇自动化系统远远比不上国外楼宇自动化系统，这也使得一些优秀的国产楼宇自动化系统被忽视，得不到很好的应用和推广。当然，事实上，由于国产楼宇自动化系统在研制开发与设计应用上相比于国外发达国家起步是晚些，并在技术支持与使用经验方面都还比较缺乏经验，有待进一步鉴借和提高，因此在整体或长期应用的可靠性方面和设计应用经验上，国产系统与进口系统还是有一定的差距。但是换一个角度而言，在楼宇自控这个行业中，技术只是其中的一个方面，国内外系统存在的差距正在逐步缩小，而在对于应用人员的管理水平和服务意识上，我国真的在这方面还有待于进一步提高，或许这就是国产与进口系统最为主要的差距。
　　结束语：
　　随着科学技术的进步和计算机网络技术的飞速发展，宽带网络已经融入人们生活的每个角落，互联网的优越性是任何系统都无可比拟的，它的操作性与功能都极为强大，对于楼宇自动化系统，正是由于网络的拓展延伸使得智能建筑的可操作性变成可能。由此可见，综合化楼宇自动化系统的市场发展潜力是很大的，很有前途的，也确实是切实可行的。只要在未来的科技领域能给予楼宇自动化系统足够的重视，以及充足的资金投入去进行科学研究，它必将具有很大的应用前景。
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