作者：殷际英、林宋、白传栋 编著
出版社：化学工业出版社
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楼宇设备控制及应用实例试读：
前言
进入21世纪，智能化楼宇的概念逐渐清晰，并正在建筑领域中产生着越来越大的影响。智能化楼宇以计算机为控制中心，经结构化综合布线系统与各通信终端和传感终端相连接，可以感知建筑物内各个空间的信息，并通过计算机处理，给出相应的反应，从而使建筑物具有了一定智能，提高了管理和使用效率，降低了能耗。其中，楼宇设备自动化系统（BAS）发挥了决定性的作用。BAS包括楼宇基础设备及其监控系统、楼宇电梯系统、楼宇通信系统、楼宇保安系统、楼宇消防报警系统、楼宇停车场管理系统和楼宇综合布线系统等。这些是系统是基础技术、光机电一体化技术、网络信息技术和计算机技术在智能建筑体上的综合集中应用，在很大程度上也反映出了光机电一体化技术所具有的宽广适应性和应用范围。
本书是“现代机电一体化技术丛书”之一，叙述了BAS的基本概念、典型结构和运行原理，在内容选择方面偏重普及性、实用性和新颖性，并配有大量说明图表。本书尽量避免冗长繁复的公式导出过程，在内容深度和语言叙述方面力求面向不同层次读者。
全书共分8章，各章节的顺序安排便于读者学习和掌握，并且这些章节在内容上基本涉及了智能楼宇设备自动化技术的各个主要方面。其中，第1章对BAS的基本内容和方向做了概述和展望；第2章介绍了楼宇基础设备及其监控系统方面的内容，主要包括典型通用的楼宇供电、照明、空调、给排水和冷热源装置及其监控系统；第3章介绍了楼宇电梯系统方面的内容，包括电梯的基本构造和工作原理，运行控制系统和监控系统；第4章介绍了楼宇通信自动化系统方面的内容，主要包括楼宇数据通信系统、楼宇会议电视和可视电话系统、楼宇卫星通信和楼宇计算机网络系统；第5章介绍了楼宇保安系统方面的内容，主要包括楼宇防盗报警系统、楼宇巡更管理系统和楼宇对讲安全系统；第6章介绍了楼宇火灾自动报警系统方面的内容，主要包括楼宇火灾报警系统和楼宇消防灭火；第7章介绍了楼宇停车场管理系统方面的内容，主要包括楼宇停车场管理系统设计和楼宇停车场管理系统的主要设备；第8章介绍了楼宇综合布线系统方面的内容，主要包括综合布线的标准、非屏蔽和屏蔽布线系统，以及布线系统和布线方案的选择等。
本书可作为从事智能化楼宇设备的管理、运行和维护人员，或其他工程领域中相关人员的技术参考书，以及大专院校机械工程类相关专业学生的教材和学习参考书。
本书第1～4章由殷际英编写，第5～7章由林宋编写，第8章由林宋和白传栋编写，董信昌、马梅和任炜提供了帮助，全书由殷际英统稿。
由于编者水平所限，书中的疏漏之处敬请读者批评和指正。编著者第1章 概论1.1 楼宇设备自动化系统（BAS）的基本概念1.1.1 智能楼宇概述
智能楼宇（Intelligent Building）是通过通信网络系统将多个系统进行有机综合，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，使建筑物具有安全、便利、高效、节能的特点。国际智能建筑物研究机构认为，智能楼宇应具有如下基本功能。
①智能楼宇通过其结构、系统、服务和管理的最佳组合提供一种高效和经济的环境。
②智能楼宇能在上述环境下以最小的代价为管理者实现最有效的资源管理。
③智能楼宇能够帮助其业主、管理者和住户实现造价、舒适、便捷、安全、长期的灵活性以及市场效应的目标。
世界上最早期的智能楼宇是1981年建成的美国康涅狄格州哈特福德市的“都市办公大楼”和1985年8月在日本东京青山建成的青山大楼，正是它们开创了传统建筑工程与新兴信息技术相结合的新领域——智能楼宇。智能楼宇的空调设备、照明设备、防灾和防盗系统、垂直交通运输（电梯）设备等借通信设施与计算机连接，向大楼中的住户提供“物美价廉”的计算机服务和通信服务。楼宇内的建筑设备实现了综合管理自动化。采用了最新型空调系统与防灾设备，以及最新型电梯，各类相关产品都是以提高能源效率与达到综合性的安全为目标。这样，不仅因为节约能源可使住户付出的费用减少，而且使住户感到更安全、舒适、方便。
我国智能建筑的起步并不晚。在1986年，由国家计委与科委共同立项，由中国科学院计算技术研究所承担的软课题《智能化办公大楼可行性研究》已开始立项并进行工作，并在1991年提出报告，同一年，由日本投资，北京市建筑设计院主持设计工作的北京发展大厦，这个以有明确的高智能性大楼为设计目标的项目，设计工作之后随即投进建造。1989年建成并投进使用。这座位于北京东三环路上的20层建筑被认为是我国的第一栋有明确设计定位的智能大楼。
近两年来，智能化建筑已从写字楼发展到住宅和居住小区的智能化。在这方面，建设部住宅产业化推进中心做了大量工作。在1999年年初召开的住宅智能化座谈会基础上，同年4月，住宅产业化办公室与勘察设计司联合发文在全国开展申报“全国住宅小区智能化技术示范工程”，经过几个月的申报与筛选，在2000年初评出七个示范小区方案。之后对这几个小区的实施还进行跟踪，竣工时进行验收并对此后的运行进行观察。
最早的智能楼宇主要依赖于计算机技术、自动控制技术、通信技术（即所谓的“3C”技术）以及集成技术等。以它们为主构成了楼宇智能化技术。
建设智能楼宇的目标主要在于提供安全、舒适、快捷的优质服务；建立先进的管理机制；节省能耗与降低人工成本等方面。因此，智能楼宇必须有相应设备系统来支持上述目标。（1）安全性
在安全性方面可由如下子系统实现：
①防盗报警系统；
②出入口控制系统；
③闭路电视监视系统；
④安保巡更系统；
⑤火灾报警与消防联动系统；
⑥紧急广播系统；
⑦紧急呼叫系统；
⑧停车场管理系统等。（2）舒适性
在舒适性方面，可由如下子系统实现：
①空调与供热系统；
②供电与照明控制系统；
③卫星及共用天线电视系统；
④背景音乐系统；
⑤多媒体音像系统等。（3）便捷性
在便捷性方面，可由如下子系统实现：
①结构化综合布线系统；
②信息传输系统；
③通信网络系统；
④办公自动化系统；
⑤物业管理系统等。
总之，智能楼宇是多学科、多种高新技术的巧妙集成，也是综合经济实力的象征，包括多功能可视电话、多媒体技术、电子邮件、卫星通信、计算机国际通信网络、智能与环境控制等。而且可以预言，未来的信息高速公路、能量元管线传输等最尖端的高科技也会首先应用在智能楼宇之中。因此，不宜对设备与技术限制得太具体，要照顾到其未来可能的发展前景，但智能楼宇系统的结构特征可以用如图1-1所示的结构模型加以概括。在图1-1中，BAS（Building Automation System）为楼宇设备自动化系统；OAS（Office Automation System）为办公自动化系统；CAS（Communication Automation System）为通信自动化系统。连接上述三个子系统的是SCS（Structured Cabing System）为结构化综合布线系统，它主要包含综合布线系统PDS（Premises Distribution System）在内。图1-1 智能楼宇系统的结构特征
通常称一座具有办公自动化（Office Automation，OA）、通信自动化（Communication Au tomation，CA）和楼宇自动化（Building Automation，BA）功能的大厦为所谓的“3A”大厦。这是对图1-1内涵的简单通俗概括。“3A”大厦中通常还包括消防自动化（Fire Automation，FA）、保安自动化（Safety Automation，SA）。
需要指出的是，在重视智能楼宇的硬件设施配置的同时，还必须要加强软件管理和人员素质的培训，将智能楼宇视为一种软硬件高度集成的技术系统。在智能楼宇的工程实施以后，还需要建立先进的综合管理机制，系统与管理之间存在着相辅相成的依赖关系。通过建设智能化大厦，就有可能实现能源的科学与合理的消费，从而达到最大限度地节省能源的目的。同时，通过管理的科学化、智能化，使得楼宇的各类机电设备的运行管理、保养维修更趋自动化，从而节省能源与降低人工成本。（1）楼宇通信自动化系统（CAS）
适用于智能楼宇的CAS，目前主要有以下三种技术。
①程控用户交换机PABX 多在建筑物内安装PABX，以它为中心构成一个星形网，既可以连接模拟电话机，也可以连接计算机、终端、传感器等数字电话机，还可以方便地与公用电话网、公用数据网等广域网连接。
②计算机局域网络LAN 在建筑物内安装LAN，可以实现数字设备之间的高速数据通信，也有可能连接数字电话机，通过LAN上的网关还可以实现与公用网和各种广域计算机网的连接。在一个建筑内可以安装多个LAN，它们可以用LAN互联设备连接为一个扩展的LAN。一群建筑物内的多个LAN也可以连接为一个扩展的LAN。
③PABXLAN的综合以及综合业务数字网ISDN （Integrated Services Digital Network）为了综合PABX网与LAN的优点，可以在建筑物内同时安装PABX网和LAN，并且实现两者的互联，即通过LAN上的网关与PABX连接。这样的楼宇通信网既可以实现话音，也可以实现数据通信；既可以实现中、低速的数据通信（通过PABX网），也可以实现高速数据通信（通过LAN）。
如果选择的PABX是采用2B+D信道的ISDN交换机，则楼宇网将是一个局域的ISDN。在ISDN端点的2条B信道可以随意安排，例如典型用法是分别接一台计算机/终端和数字电话机，或连接两台计算机/终端。（2）楼宇设备自动化系统（BAS）
BAS的实现技术主要涉及自动控制、计算机管理及其系统集成技术。
①楼宇设备自动化系统可以分为三种情况。
a.单机自动化。指楼宇设备中的单个设备可以装备自动检测、调节的设备，实现分散设备的优化控制和管理。
b.分系统自动化。指楼宇设备和设施按功能划分的各个子系统，诸如电力供应与管理、照明控制与管理、消防报警与控制、安保监控等子系统分别实现自动监控。
c.综合自动化。指上述多个子系统组合为一个整体，实现全局的优化控制和管理。
分系统级和全系统级的自动监控系统近年来多采用集散式结构，实现集中监视、分控制。
②楼宇运营管理系统按其功能可以分为三种情况。
a.柜台业务处理。包括各种房间和设施的预约、分配、计费等面向客户的服务。
b.面向楼宇管理者的功能。楼宇管理机构的人事、财务、经营决策等一般管理信息系统的功能。
c.综合楼宇自动化系统。在较好基础、较高技术的条件下，可以将上述两类系统进行一体化设计，实现楼宇设备自动监控与运营管理的综合自动化。与工厂自动化领域的“计算机集成制造系统”（CIMS）相似。不同的是CIMS的对象是生产某些产品的整个工厂，而综合楼宇自动化系统的自动化对象是楼宇本身。（3）楼宇共用办公自动化系统（OAS）
出租型的智能化办公大楼，通常在楼内设置有楼宇共用办公自动化设备与设施。按其实现技术可以分为两类。
①基于文字和数据的办公自动化系统 这类系统通常由中西文打字机、文字处理机、办公室工作站、高档微机、主机等构成，以处理文字和数据信息为主，为各住户提供公共的办公业务支持。这类系统在技术上比较成熟，一些厂家能够成功地综合办公自动化软件包，并且有多种多样的办公自动化设备供选择。因此，主要的问题在于技术上的决策。
②基于声、像的办公自动化系统 这类办公自动化系统主要面向话音、图形和图像的处理，自然也包括文字和数据的处理。支持这类系统的网是多媒体网，即可以同时传输和交换话音、数据、图形和图像信息。连接在多媒体网上的网络终端设备相应地是声、图、文终端，以及相应的各类网络服务器。适当地组合多媒体通信网络服务器与终端，可以构造一些专用的办公自动化环境，如电信会议室（电话会议室和电视会议室），包含电子黑板等的电子会议室等。这些环境可以提供话音扩音、记录、压缩检索等服务，也可以提供图像传播存储、检索等服务。（4）智能楼宇的结构化综合布线（SCS）和系统集成
结构化综合布线系统是智能楼宇体内的神经系统。结构化综合布线系统的特点是，将所有的语音、数据、视频信号等的布线，经过统一的规划设计，综合在一套标准的布线系统中，将智能楼宇的三大子系统BAS、CAS、OAS有机地连接起来，从而为智能楼宇的系统集成提供了物理介质。
随着现代通信、计算机及其网络技术的飞速发展，智能楼宇中的各个子系统正向着大规模、控制对象多且分散的方向发展。对各个子系统之间以及建筑内、外对信息传递速率和共享程度也提出了更高的要求。将智能楼宇中各类设备和子系统通过一定的技术方式集成在一起，“系统集成”这一新的概念和技术产生了。
系统集成是通过结构化的综合布线系统及计算机网络技术，把构成智能楼宇的各个主要子系统（BAS、OAS、CAS等）从各个分离的设备、功能、信息等集成到一个相互关联的、统一、协调的系统之中，使资源达到充分共享，管理实现集中、高效和便利。
系统集成使各类设备、子系统及其系统平台达到完整统一，它支持智能楼宇中功能和环境的各个方面，并且在功能上齐全，在用户界面上一致。
系统集成实现的关键在于解决系统之间的互连性和互操作性问题，这是一个多厂商、多协议和面向各种应用的体系结构。这需要解决各类设备、子系统之间的接口、协议、系统平台、应用软件、其他相关子系统、建筑环境、施工配合、组织管理、人员配备等各类面向集成的问题。
系统集成是一个涉及多学科、多技术的综合性应用领域，它从设计到实施是一个复杂的应用系统工程观点的全过程。可以这样认为，没有系统集成的建筑不是真正意义上的智能楼宇，因此对其应有全面和深刻的认识，并将这种观点运用在智能楼宇设计的各个环节之中。
智能楼宇的发展是科学技术和经济水平的综合体现，它已成为一个国家、地区和城市现代化水平的重要标志之一。智能楼宇将成为城市中的“信息岛”或“信息单元”，它是信息社会最重要的基础设施之一。随着社会的进步、科技的腾飞以及人类的需求，智能楼宇的发展将呈现以下趋势。
①把建筑设计中智能部分的设计列为其基本要求之一。
②采用最新高科技成果，向系统集成化、综合化管理以及智能城市化和高智能人性化的方向发展。
③智能楼宇正在迅速发展成为一个新兴的技术产业，将作为一个新的研究课题和商业机会，积极投入力量，开发相关的软硬件产品，使智能楼宇实施便利，成本降低。
④智能楼宇的功能朝着多元化方向发展，有针对性地设计出符合用户使用功能要求的智能楼宇。
目前，智能楼宇已从单一地建造发展到成群地规划和建造，并提出了以智能楼宇为核心，建设所谓“智能城市”的设想。智能楼宇也不仅限于智能办公大楼，且已在向公寓、医院、学校、体育场馆等建筑领域扩展，特别是由住宅扩展而出现的智能住宅的前景，将使智能楼宇在未来有更广阔的发展天地。1.1.2 楼宇设备自动化系统概述
楼宇自动化系统是智能建筑的主要组成部分之一。智能建筑通过楼宇自动化系统实现建筑物（群）内设备与建筑环境的全面监控与管理，为建筑的使用者营造一个舒适、安全、经济、高效、便捷的工作生活环境，并通过优化设备运行与管理，降低运营费用。楼宇自动化系统涉及建筑的电力、照明、空调、通风、给排水、防灾、安全防范、车库管理等设备与系统，是智能建筑中涉及面最广、设计任务和工程施工量最大的子系统，它的设计水平和工程建设质量对智能建筑功能的实现有直接的影响。
楼宇自动化系统的组成如图1-2所示。图1-2 楼宇自动化系统的组成（1）楼宇设备系统及其自动化程度的划分
楼宇智能化首先是从楼宇建筑设备自动化系统（BAS）开始的。智能楼宇内部有大量的建筑机电设备，如空调设备、照明设备、给排水系统的设备等，为楼宇内的生活和生产提供必需的环境。楼宇设备自动化系统调节、控制建筑内的各种设施，包括暖通、通风、空气调节、变配电、照明、电梯、给排水、消防、安保、能源管理等，检测、显示其运行参数，监视、控制其运行状态，根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使其始终运行在最佳状态。自动监测并处理诸如停电、火灾、地震等意外事件。自动实现对电力、供热、供水等能源的使用、调节与管理，从而保障工作或居住环境既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人。（2）BAS的对象环境
智能楼宇中的建筑机电设备和设施就是楼宇设备自动化系统的对象和环境，通常可将建筑机电设备和设施按其功能划分为七个子系统（并不是所有的楼宇都要具备下述所有的七个子系统，每个子系统也不一定都具有全部的功能）。
①电力供应系统 包括高压配电、变电、低压配电、应急发电。
②照明系统 包括工作照明、事故照明、艺术照明、障碍灯等特殊照明。
③环境控制系统 包括空调及冷热源、通风环境监测与控制、给水、排水、卫生设备、污水处理。
④消防系统 包括自动监测与报警、灭火、排烟、联动控制、紧急广播。
⑤保安系统 包括防盗报警、电视监控、出入口控制、电子巡更。
⑥交通运输系统 包括电梯、电动扶梯、停车场、车队。
⑦广播系统 包括背景音乐、事故广播、紧急广播。
上述这些设备数量极多，因而被控制、监视、测量的对象同样很多，数以万计。这些设备也很分散，它们分布在各层次和角落。BAS的目的就是优化生活和工作的环境，确保这些设备安全、正常、高效运行，并节省能源、节省人力和延长设备的工作寿命。1.2 楼宇设备自动化系统的主要内容1.2.1 BAS的功能要求
BAS的整体功能可概括为四个方面。（1）设备控制自动化
设备控制的自动化应以对各种设备实现优化控制为目的，主要控制对象和控制任务如下。
①变配电设备及应急发电设备
a.变电设备各高低压主开关动作状况监视及故障报警；
b.供配电设备运行状态及参数自动检测；
c.各机房供电状态监视；
d.各机房设备供电控制；
e.停电复电自动控制；
f.应急电源供电顺序控制。
②照明设备
a.各楼层门厅照明定时开关控制；
b.楼梯照明定时开关控制；
c.室外泛光照明灯定时开关控制；
d.停车场照明定时开关控制；
e.航空障碍灯点灯状态显示及故障报警；
f.事故应急照明控制；
g.照明设备的状态检测。
③通风空调设备
a.空调机组状态检测；
b.空调机组运行参数测量；
c.空调机组的最佳开/停时间控制；
d.空调机组预定程序控制；
e.室外温度、湿度测量；
f.新风机组开/停时间控制；
g.新风机组预定程序控制；
h.新风机组状态检测；
i.能源系统工作状态最佳控制；
j.排风机组的检测和控制。
④给排水设备
a.给排水设备的状态检测；
b.使用水量、排水量测量；
c.污物、污水池水位检测及异常警报；
d.地下、中间层屋顶水箱水位检测；
e.公共饮水过滤、杀菌设备控制、给水水质监测；
f.给排水设备的启/停控制；
g.卫生、污水处理设备运转监测、控制，水质测量。
⑤电梯设备
a.电梯运行状态监测；
b.停电及紧急状况处理；
c.语音报告服务系统。
⑥停车场管理
a.出入口开/闭控制；
b.出入口状态监视；
c.停车状态监视；
d.停车场送排风设备控制。（2）设备管理自动化
通过对设备的运行状态进行监测，使其得以高效运行，包括如下内容。
①水、电、煤气等的使用计量和收费管理。
②设备运转状态记录及维护、检修的预告。
③定期通知设备维护及开列设备保养工作单。
④设备的档案管理。
⑤会议室、停车场等场所使用的预约申请、管理。
⑥各种资料、文件的汇总。（3）防灾自动化
防灾自动化是指对建筑物和设备的防灾、防火、防盗的管理，以保证用户获得稳定的安全感，包括内容如下。
①防火系统
a.火灾的监测及报警；
b.各种消防设备的状态检测与故障报警；
c.消防系统有关水管的管路水压测量；
d.自动洒水、泡沫灭火、卤代烷灭火等设备的控制；
e.火灾时的供配电系统及空调系统的联动；
f.火灾时的紧急电梯控制；
g.火灾时的防排烟控制；
h.火灾时的避难引导控制；
i.火灾时的紧急广播操作控制。
②防盗系统
a.出入口控制系统；
b.出入口、主要通道和电梯的闭路电视监视；
c.停车场的闭路电视监视；
d.各区域、各部门防盗报警设备状态监测；
e.巡更值班系统。
③防灾系统
a.煤气及有害气体泄漏的检测；
b.漏电的检测；
c.漏水的检测；
d.避难时的自动引导系统控制。（4）能源管理自动化
能源管理自动化是指在不影响用户舒适性的原则下，对设备机器实行效率化的运转管理，以节省无谓的能源消耗。能源管理自动化是以不降低环境条件为前提，并且利用传感技术和先进的运转控制技术来实现能源节省的目的，与过去的消极节省能源方法（如忽视舒适性效果，而将冷暖空调机组设定温度予以调整，不考虑照明灯具的寿命而做过度的开关操作等）是截然不同的。节省能源系统有以下功能：
①电力设备的契约用电控制；
②电力设备的功率因数改善；
③照明设备的自动调节；
④照明设备的自动点火控制；
⑤空调系统节省能源；
⑥自动冲洗设备的节水运行。
楼宇设备自动化系统监视、测量、控制、记录显示的功能见表1-1。表1-1 楼宇设备自动化系统监视、测量、控制、记录显示功能1.2.2 BAS的软件功能
楼宇自动化系统中的软件主要包括系统软件和分站软件。（1）系统软件
系统软件应采用开放式、标准化、模块化设计，可以很方便地进行修改和扩充，而不需要调整或增加系统的硬件配置，系统软件包括以下功能。
①系统操作管理 对进行操作的人员赋予操作权限，记录访问系统人员的身份识别字、访问时间和内容。
②交互式系统界面 以WINDOWS为主的图形窗口人机界面，中文下拉菜单，仿真动画显示，具有综观、控制、流程图、联动图、建筑平面图、报警、文件报表、帮助等画面，具有最简易的可操作性。
③报警、故障的提示和打印 对于系统中设备的报警和故障具有音响提示，打印报警和故障发生的时间、地点、类别、设备类型等。
④警报的处理 当系统发生故障或异常警报时，系统控制软件除了记录、提示、打印警报信点以外，还将对警报进行处理。按照不同的故障、异常、紧急状态做出反应，自动控制相关设备的启停；发出指令切断必须关闭的电源、设备；发出投入备用设备等各种控制指令，避免事故扩大和尽可能地保证设施的正常运转。
⑤系统开发环境 系统给程序员提供进行系统设计、应用的工具软件，包括系统网络配置、系统参数设定、系统图形制作等。
⑥多种控制方式 系统软件提供多种控制方式，包括直接数字控制模式（该控制模式主要用于对空调系统、变配电系统、保安系统的逻辑判断和控制）和组合控制设定模式（该控制模式可将需要同时控制的若干不同控制对象组合在一起）。
⑦系统辅助功能设定 提供采样点信息数据库、控制流程、报表文件的资料复制或储存。（2）分站软件
分站软件用于现场控制器，分站软件应包括以下系统功能模块。
①采样和数据处理功能 对模拟量和开关状态按一定的速率进行采样，具有线性化、单位量转换、数字滤波等功能。
②报警设定 对设备的状态、运行参数、上下限进行设定。
③控制程序 根据设定参数，自动进行各种控制程序的运行，包括时间/事件的控制、区域控制、PID控制、节能控制等。
④数学功能 提供供热、通风、空调系统各种不同类型的数学功能软件。
⑤通信控制 对现场控制器与其他设备（上位机）之间的通信进行管理。1.2.3 BAS的技术基础
楼宇设备自动化系统（BAS）将各个控制子系统集成为一个综合系统，其核心技术是集散控制系统。利用集散技术将BAS构造成了一个庞大的集散控制系统，如图1-3所示。在这个系统中其核心是中央监控与管理计算机。中央管理计算机通过信息通信网络与各个子系统的控制器相连，组成分散控制、集中监控和管理的功能模式，各个子系统之间通过通信网络可以进行信息交换和联动，实现优化控制管理，最终形成由BAS运作的统一的整体。图1-3 BAS的组成
随着微电子技术的进步和楼宇功能要求的日益多样化，BAS正在不断完善，并朝着多功能化、智能化方向发展。1.3 集散控制系统的基本概念和基本组成1.3.1 集散控制系统的基本概念
集散型计算机控制系统又名分布式计算机控制系统，简称集散控制系统，是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展、渗透而产生，既不同于分散的仪表控制系统，又不同于集中式计算机控制系统，而是吸收了两者的优点发展起来的一门系统工程技术，具有很强的生命力和显著的优越性。集散控制系统已经在工业控制领域得到了广泛的应用。
集散型计算机控制系统的结构是一个分布式系统，从整体逻辑结构上讲，是一个分支树结构，这与工业生产过程的行政管理结构相一致（见图1-4）。按系统结构进行垂直分解，它分为过程控制级、控制管理级和生产管理级，各级既相互独立又相互联系，每一级又可按水平分解成若干子集。从功能分散看，纵向分散意味着不同级的设备有不同的功能，如实时控制、实时监视、生产过程管理等；横向分散则意味着在相同级上的设备有类似的功能。按照这种思想来设计集散型控制系统的硬件和软件，就是要贯彻既集中又分散的原则。图1-4 多层树状结构
集散型控制系统概括起来由集中操作管理部分、分散过程控制部分和通信部分组成。集中操作管理部分又可分为工程师站、操作员站和管理计算机。工程师站主要用于组态和维护，操作员站则用于监视和操作，管理计算机用于全系统的信息管理和优化控制。分散过程控制部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，它用于控制和监测。通信部分连接集散型控制系统的各个分布部分，完成数据、指令及其他信息的传递。集散型控制系统软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。使用组态软件这一工具，就可生成用户所要求的实用系统。集散型计算机控制系统具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。它能够适应工业生产过程中的各种需要，提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，降低能源消耗和原材料消耗，提高劳动生产率，保证生产安全，促进工业技术发展，创造最佳经济效益和社会效益。
集散控制系统是由分散过程控制装置、操作管理装置、通信系统三大部分组成的。（1）分散过程控制装置
分散过程控制装置是集散控制系统与生产过程间的界面，生产过程中的各种过程变量通过分散过程控制装置转化为操作监视的数据，而操作的各种信息也通过分散过程控制装置传送到执行机构。在分散过程控制装置内，进行模拟量与数字量的相互转换，完成控制算法的各种运算，对输入与输出量进行有关的软件滤波及其他运算。（2）操作管理装置
操作管理装置是操作人员与集散控制系统间的界面，操作人员通过操作管理装置了解生产过程的运行状况，并通过它发出操作指令给生产过程。生产过程的各种参数在操作管理装置上显示，以便于操作人员监视和操作。集散控制系统的组成如图1-5所示。图1-5 集散控制系统的组成（3）通信系统
分散过程控制装置与操作管理装置之间需要有一个桥梁来完成数据之间的传递和交换，这就是通信系统。（4）集散控制系统的结构特征
集散控制系统是由一些微处理器、计算机组成的子系统合成的大系统。它的结构具有递阶控制结构、分散控制结构和冗余化结构的特征。
递阶控制结构由相互关联的子系统组成，它们各自的特性以及它们之间的关联决定了集散控制系统的特性。由于各子系统之间需要互相交换信息，因此需要一个协调者负责此工作。它对各子系统的控制按一定的优先和从属关系来实现。它们形成金字塔式的结构，同一级的各决策子系统可同时对下级施加作用，同时又受上级的干预。子系统可通过上级互相交换信息。因此，称集散控制系统具有递阶控制结构。递阶控制结构具有经典控制结构所不具备的优点，主要包括如下内容。
①系统的结构灵活，容易改变，系统容量可以扩大或缩小；
②控制功能增强，除了直接控制外，还有优化控制、自学习、自适应和自组织等功能；
③降低了信息存储量、计算量，减少了计算时间；
④可设置备用子系统，降低成本，提高可靠性；
⑤各级的智能化将进一步提高系统的性能。
分散控制结构是针对集中控制可靠性差的缺点而提出的。与递阶控制结构的根本区别是分散控制系统是一个自治的闭环结构。它的结构可以是垂直型、水平型或复合型。垂直型，又称阶层型，是以上下关系为基础的结构，下位向左右方向扩大，形成金字塔形。系统的通信发生在上下位间，其主导权由上位掌握，对下位设备的动作有监视和进行调整的权限；水平型是对等的分散子系统以自我管理为基础的系统结构，在通信系统中，这些子系统具有平等的地位；复合型把水平型和垂直型结合起来，各子系统各自管理的同时，形成上下阶层关系，各子系统有较强的独立性，上位系统的故障不影响下位子系统间的数据交换和各自的功能，正常工作时，上位监视和支持下位的工作。集散控制系统大多采用复合型分散控制结构。
冗余化结构提高了系统的可靠性。集散控制系统在重要设备、对全系统有影响的公共设备上常采用冗余结构。把所有设备都采用冗余结构是不必要也是不经济的，应对冗余增加的投资和系统故障停工造成的损失进行权衡比较，考虑合适的冗余结构方式。（5）集散控制系统的典型结构
集散控制系统的典型结构采用“模件化控制站+宽带局域网+信息综合管理系统”的形式。通过宽带网络，可在很广的地域内应用。通过现场总线，系统可与现场智能仪表通信和操作，是一类开放的、系统互联的和具有互操作性的系统，是第三代集散控制系统的典型结构，如图1-6所示。图1-6 集散控制系统的典型结构1.3.2 现场控制站
集散型计算机控制系统的一个突出优点是系统的硬件和软件都具有灵活的组态和配置能力。硬件系统是通过通信网络系统将不同数目的现场控制站、操作员站和工程师站连接起来，共同完成各种采集、控制、显示、操作和管理功能。
在不同的集散控制系统中，现场控制站可分成功能齐全的现场控制站、仅具有数据采集功能的监测站、仅具有顺序控制功能的顺序控制站等。模块化的结构还允许在上述各种过程站中根据不同的可靠性指标采用冗余结构。对于现场控制站，从可编程逻辑控制器（PLC），到单片机组成的小型控制采集装置，再由诸如STD和工业PC等小型工控机到各种16位和32位总线型工业控制计算机等，都是可选的现场控制站设备。
现场控制站与操作站通过通信网络相连接，而输入、输出信号线可能有数百条之多。为减少信号电缆长度以减少长距离传输的干扰、提高可靠性，并降低系统造价，现场控制站一般均放置在靠近过程装置的地方。为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加固处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、抗振动及耐高低温等恶劣环境的能力。（1）现场控制站的功能
在集散控制系统中，各种现场检测仪表（如各种传感器、变送器等）传送的过程信号均由现场控制站进行实时的数据采集、滤波、非线性校正及各种补偿运算、上下限报警、累积量计算等。所有测量值和报警值经通信网络传送到操作员站数据库，供实时显示、优化计算、报警打印等。在现场控制站还可完成各种闭环反馈控制、批量控制与顺序控制等功能，通过接收操作站发来的各种手动操作命令进行手动控制，从而提供了对生产过程的直接调节控制功能。现场控制站的组成如图1-7所示。图1-7 现场控制站的组成（2）用于现场控制站的智能调节器与PLC
当前，现场控制站越来越多地采用了各种智能数字调节器与可编程序控制器，新型的数字调节器与PLC不仅容量更大，速度更快，而且都增置了较强的联网通信能力。可以采用以廉价的双绞线为传输介质的现场总线网，将作为主节点的现场控制站与作为从节点的数十个数字调节器、PLC或数字化智能变送器连接在一起，也可以将数台PLC通过网关直接接入高速数据公路，组成过程控制级的顺序控制站（见图1-8），使得控制功能进一步分散，并使控制速度与功能及系统的可靠性得到进一步提高。图1-8 PLC与集散控制系统的连接
智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，由微处理器、RAM、ROM、模拟量与数字量I/O通道、独立的电源等基本组成部分所构成的一个微型的计算机系统，有单回路、2回路、4回路或8回路的调节器，其控制方式除PID之外还可组成串级控制、信号选择控制及前馈控制和按预定曲线进行程序控制等。智能调节器一般带有异步通信接口（RS-232或RS-422等），可与上位机连成主从式通信网，接收上位机下装的控制参数，并上报各种过程参数。1.3.3 操作员站（1）中心计算机站的功能
集散型控制系统的中心计算机站提供了集中监视、对现场直接操作、系统生成以及诊断等功能。它是几个部分的统称，其主要部分是操作员站和工程师站。
操作员站由大屏幕监视器、控制计算机以及操作员键盘组成。一个集散型控制系统中可以配置多个操作员站，一般这些操作员站是相互冗余的。此外，中心计算机站还有一个网关，并通过它与一个功能更强的计算机系统相连，以便实现高级的控制和管理功能。有些系统还配备一个工程师站，用来生成目标系统的参数等。当然，为了节省投资，工程师站可以用一个操作员站来代替。中心计算机站应该完成以下基本功能。
①过程显示和控制；
②现场数据的收集和恢复显示；
③级间通信；
④系统诊断；
⑤系统配置和参数生成；
⑥仿真调试等。（2）操作员站的功能
集散型控制系统的操作员站应该显示以下几个方面的内容：①模拟流程和总貌显示；②过程状态；③特殊数据记录；④趋势显示；⑤统计结果显示；⑥历史数据的显示；⑦生产状态显示等。（3）操作员站的组成
操作员站由处理机系统、显示设备、操作键盘、打印设备、存储设备和固定这些设备的操作台组成。1.3.4 集散型控制系统的特点
集散型控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便等特点的多级计算机网络系统结构。（1）分级递阶控制
集散控制系统是分级递阶控制系统。它在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为二级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各个水平分级间相互也进行数据的交换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。分级递阶是它的基本特征，分级递阶系统的优点是各个分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在各自的工作中完成各自的任务，同时它们相互协调，相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。与计算机直接数字控制系统相比，在计算机直接数字控制系统中，各个组成部分具有相同等级，数据由同一个CPU进行处理，虽然可以进行优先级别的分配，但是系统的调整是较不方便的。正因为没有分级，一旦组成系统的某些部件发生故障将造成整个系统的瘫痪，系统的可靠性降低。（2）分散控制
分散控制是集散控制系统的另一特点，分散是针对集中而言的。在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程的控制。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。首先是一旦计算机发生故障多将造成过程操作的全线瘫痪，为此，危险分散的想法就提了出来，冗余的概念也产生了。但是，要采用一个同样的计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上都是行不通的。对计算机功能的分析表明，在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散是可能的，也是可行的。（3）自治性
系统中各工作站是通过网络接口连接起来的，各工作站独立自主地完成合理分配给自己的规定任务，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等。系统各工作站都采用最新技术的微计算机，存储容量容易扩充，配套软件功能齐全，是一个能够独立运行的高可靠性子系统，控制功能齐全，控制算法丰富，连续控制、顺序控制和批量控制集中于一体，还可实现串级、前馈、解耦和自适应等先进控制，提高了系统的可控性。（4）协调性
各工作站间通过通信网络传送各种信息并协调工作，各个分散的自治系统在统一集中操作管理和协调下，各自分散工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。采用实时性的、安全可靠的工业控制局部网络，使整个系统达成信息共享。采用标准通信网络协议，将集散型控制系统与信息管理系统连接起来，扩展成为综合自动化系统。（5）友好性
集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员设计的，其使用界面就要与之相适应：实用而简捷的人机对话系统，彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面日趋丰富；综观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、操作指导等画面，菜单功能更具实时性。组态软件中的系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态是集散控制系统的关键部分，用户的方案及显示方式由它来解释并生成集散控制系统内部可识别的目标数据。（6）适应性、灵活性和可扩充性
硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统积木式结构，具有灵活的配置，可适应不同的用户的需要。可根据生产要求改变系统的大小配置，在改变生产工艺、生产流程时也只需要改变某些配置和控制方案即可。以上的变化都不需要修改或重新开发软件，只是使用组态软件，填写一些表格即可实现。（7）开放系统
开放系统是以规范化与实际存在的接口标准为依据而建立的计算机系统、网络系统及相关的通信系统，这些标准可为各种应用系统的标准平台提供软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和更大的可选择性。作为第三代集散控制系统的标志，开放系统已渐为人知。可移植性保证第三方的应用软件能很方便地在系统所提供的平台上运行，保护用户的已有资源，减少应用开发、维护和人员培训的费用。可移植性包括程序可移植性、数据可移植性和人员可移植性。开放系统的互操作性指不同的计算机系统与通信网能互相连接起来，通过互联，能正确有效地进行数据的互通，并在数据互通的基础上协同工作，共享资源，完成相应的功能。集散控制系统在现场总线标准化后，将使符合标准的各种智能检测、变送和执行机构的产品可以互换或替换，而不必考虑该产品是否是原制造厂的产品。（8）可靠性
高可靠性、高效率和高可用性是集散控制系统的生命力所在，制造厂商在确定系统结构的同时进行可靠性设计，采用可靠性保证技术。系统结构采用容错设计，使得在任一单元失效的情况下，仍然能够保持系统的完整性。即使全局性通信或管理站失效，局部站仍能维持工作。为提高软件的可靠性，采用程序分段与模块化设计、积木式结构，采用程序卷回或指令复执的容错设计。在结构、组装工艺方面，严格挑选元器件，降额使用，加强质量控制，尽可能地减少故障出现的概率。1.4 BAS的体系结构1.4.1 采用集散控制系统是BAS的必然选择
在楼宇中，需要实时监测与控制的设备品种多、数量大，而且分布在楼宇各个部分。大型的建筑物，有几十层楼面，多达十多万平方米的建筑面积，需数千套设备遍布建筑物内外。对于BAS这一规模庞大、功能综合、因素众多的大系统，要解决的不仅是各子系统的局部优化问题，而且是一个整体综合优化问题。若采用集中式计算机控制，则所有现场信号都集中于同一地方，由一台计算机进行集中控制，这种控制方式虽然结构简单，但功能有限，且可靠性不高，故不能适应现代楼宇管理的需要。与集中式控制相反的就是集散控制，集散控制以分布在现场被控设备附近的多台计算机控制装置，完成被控设备的实时监测、保护与控制任务，克服了集中式计算机控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性，以安装于集中控制室并具有很强的数字通信、CRT显示、打印输出与丰富控制管理软件功能的管理计算机，完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制功能，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难与无法统一管理的缺点。管理计算机与现场控制计算机的数据传递由通信网络完成。集散控制系统是目前BAS广泛采用的体系结构。1.4.2 集散型BAS的体系结构
集散型BAS的体系结构如图1-9所示。其基本特征是功能层次化。图1-9 BAS的体系结构（1）现场控制层（DDC）
现场控制层计算机直接与传感器、变送器、执行装置相连，实现对现场设备的实时监控，并通过通信网络实现与上层机之间的信息交互。在这一层中实现的是对单个设备的自动控制，即单机自动化，具体的功能实现是由安装在被控设备附近的现场控制器来完成。现场控制器采用直接数字控制技术，因此又被称为直接数字控制器（Direct Digital Controller，DDC），在体系结构中又被称为下位机。现场控制器安装在控制现场，可接收上一层的操作站或监控站（上位机）传送来的命令，并将本地的状态和数据传送到上位机。在上位机不干预的情况下，现场控制器可单独对设备执行控制功能，根据设定的参数进行各种算法的运算，控制输出执行。根据现场控制器规模的大小，每台现场控制器可控制的输入输出点一般在几十点至一百点左右，当一个楼宇设备自动化系统规格较大时，就需配用若干个现场控制器。末端装置包括传感器和执行机构。传感器用来将各种不同的被测物理量（温度、压力、流量、电量等）转换为能被现场控制器接收的模拟量或开关量，执行机构用来对被控设备进行控制。现场控制器具有可靠性高、控制能力强、可编写程序等特点，既能独立监控有关设备又可联网并通过管理计算机接受统一控制与管理。（2）监督控制层
监督控制层计算机是现场控制层计算机的上层机或上位机，可分为两类监控站和操作站。监控站直接与现场控制器通信，监视其工作情况并将来自现场控制器的系统状态数据，通过通信网络传递给操作站及运营管理层计算机。而操作站则为管理人员提供操作界面，它将操作请求通过通信网络传递给监控站，再由监控站实现具体操作。值得注意的是监控站的输出并不直接控制执行器，而仅仅是给出下一层系统（即现场控制层）计算机的给定值。在这一层中实现各子系统内的各种设备的协调控制和集中操作管理，即分系统的自动化。
监督控制层计算机除要求完善的软件功能外，还要求硬件必须可靠。每个现场控制器件（DDC）只关系到个别设备的工作，而监督、管理计算机则关系着整个系统或分系统。显然普通的个人计算机用作监督计算机是不合理的。
通信网络通信一般采用两级或多级网络结构，设备直接数字控制均由分布在设备附近的现场控制器（DDC）完成，与监督控制层计算机的通信构成第一级网。监督控制层计算机之间构成第二级网。为参与更高的管理级，需将上述局域网连至更高速的广域网，即第三级网。现场控制器与监督控制层计算机之间的通信监督控制层计算机与分布在现场的直接数字控制器之间需要大量上传下送检测与控制数据，各控制器之间也需要相互通信以实现协调控制。监督控制计算机担负各子系统内的各种设备的协调控制和集中操作管理，即分系统的自动化任务，往往在一栋建筑物，或一个建筑群中设有多台监督控制计算机。为使系统获得最佳控制效果，监督控制计算机之间需传递大量数据，而且实时性要求很高。例如，高层楼宇中某层的某个防火报警探头报警后，防火监控系统自动采取确认、报警、控制等功能，同时通过网络，使建筑物内的空调、电梯、配电等系统以及外部的消防保安及交通等部门都能及时获得信息，并采取相应措施。
由于监督控制计算机之间传输的数据量大，故要求采用高速通信网络。一般采用星形拓扑结构或采用以太网总线式拓扑结构的组网设计。（3）运营管理层
运营管理层计算机位于整个系统的最顶端，通常具有很强大的处理能力。它协调管理各个子系统，实现全局的优化控制和管理，从而达到综合自动化的目的。1.4.3 集散型BAS的几种方案（1）按楼宇建筑层面组织的集散型BAS
对于大型的商务楼宇、办公楼宇，往往是各个楼层有不同的用户和用途（如首层为商场，二层为某机构的总部），因此，各个楼层对BAS的要求会有所区别。按楼宇建筑层面组织的集散型BAS能很好地满足要求。按楼宇建筑层面组织的集散型BAS方案如图1-10所示。这种结构的特点如下。图1-10 按楼宇建筑层面组织的集散型BAS方案
①由于是按楼宇建筑层面组织的，因此布线设计及施工比较简单，子系统（区域）的控制功能设置比较灵活，调试工作相对独立；
②整个系统的可靠性较好，子系统失灵不会波及整个楼宇系统；
③设备投资增大，尤其是高层楼宇；
④较适合商用的多功能楼宇。（2）按楼宇设备功能组织的集散型BAS
这是常用的系统结构，按照整座楼宇的各个功能系统来组织（见图1-11）。这种结构的特点如下。图1-11 按楼宇设备功能组织的集散型BAS
①由于是按整座楼宇设备功能组织的，因此布线设计及施工比较复杂，调试工作量大；
②整个系统的可靠性较弱，子系统失灵会波及整个楼宇系统；
③设备投资省；
④较适合功能相对单一的楼宇（如企业、政府的办公楼宇、高级住宅等）。（3）混合型的集散型BAS
这是兼有上述两种结构特点的混合型，即某些子系统（如供电、给排水、消防、电梯）采用按整座楼宇设备功能组织的集中控制方式，另外一些子系统（如灯光照明、空调等）则按楼宇建筑层面组织的分区控制方式。这是一种灵活的结构系统，它兼有上述两种方案的特点，可以根据实际的需求而调整。第2章 楼宇基础设备及其监控系统2.1 楼宇供配电系统
楼宇是由电力系统供电的，由于发电厂距负荷中心较远，需要通过输电线路和变电所等中间环节，才能把电力输送给用户。同时，为了提高供电的可靠性和实现经济运行，常将许多的发电厂和电力网连接在一起并联运行。由发电厂、电力网（输电、变电、配电）和用户组成的统一体，称为电力系统、输配电系统或供电系统。2.1.1 电力网、电压等级和负荷分类（1）电力网
输、配电线路和变电所等连接发电厂和用户的中间环节是电力系统的一部分，称为电力网。电力网常分为输电网和配电网两大部分。由35kV及以上的输电线路和与其相连接的变电所组成的网络称为输电网。输电网的作用是将电力输送到各个地区或直接送给大型用户。35kV以下的直接供电给用户的线路称为配电网或配电线路。用户电
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