作者：范国伟
出版社：人民邮电出版社
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智能楼宇与组态监控技术试读：
前言
随着社会经济的快速发展和生活水平的不断提高，智能楼宇的发展也日新月异，其应用技术得到了社会的广泛认同和重视，因此，尽快培养和造就大批掌握智能楼宇设备自动化系统的技术应用型人才，是我国高等教育的一项紧迫任务。本书正是为了满足高等院校培养楼宇智能化专业及自动化专业和建筑电气类相关专业人才的需求而推出的，期望通过学习能尽快地将楼宇智能化设备运行与控制技术付于实用。同时，对有关人员相关资格的考核培训提供学习和实训的帮助。
本书是依据行业实施所涉及的技术标准和规范编写的，主要内容包括楼宇智能化的供配电、空气调控、给水排水、安保监控、消防报警等综合管理系统，并学习用计算机组态的方法快速上手，实现对楼宇智能化设备的运行监控与自动控制。
本书取材新颖，实用性较强，较紧密地结合工程实际应用。同时，运用了先进的计算机组态控制技术，突出了先进性和实用性，让读者“在做中学，在学中做，做学结合，以做为主”，将理论知识与技能训练有机地结合起来。
本书的建议教学课时为64学时，各章的参考教学课时见下面的课时分配表。
本书由安徽工业大学范国伟老师任主编，安徽工业大学机械学院陶兆胜博士、安徽工业大学电气信息工程学院方华超工程师任副主编，安徽冶金科技职业学院王平高级技师，马钢股份公司第一能源总厂供电分厂袁军芳高级技师参加了编写，安徽职业技术学院程周教授审阅了全部书稿并提出了很多宝贵意见，在此表示感谢。
由于编者水平有限，书中难免有不当之处，在此恳切地希望广大读者批评指正。编者2013年10月第1章智能楼宇技术的基本概念
智能楼宇（Intelligent Building，IB）也称智能建筑，又称智能大厦。楼宇智能化技术是一门发展十分迅速的综合技术，它以现代建筑为平台，综合应用现代计算机技术、自动控制技术、现代通信技术和智能控制技术，对建筑机电设备进行控制和管理，使其达到高效、安全和节能运行。随着现代化相关技术日新月异地发展，楼宇智能化技术也在迅速地发展并不断增添新内容。图1-1所示为现代化智能楼宇群。图1-1 现代化智能楼宇群
现代社会对信息的需求量越来越大，信息传递速度也越来越快，21世纪是信息化的世纪。目前，推动世界经济发展的主要是信息技术、生物技术和新材料技术，而其中信息技术对人们的经济、政治和社会生活影响最大，信息业正逐步成为社会的主要支柱产业，人类社会的进步将依赖于信息技术的发展和应用。
近年来，电子技术（尤其是计算机技术）和网络通信技术的发展，使社会高度信息化，在建筑物内部，应用信息技术、古老的建筑技术和现代的高科技相结合，产生了“楼宇智能化”。楼宇智能化是采用计算机技术对建筑物内的设备进行自动控制，对信息资源进行管理，为用户提供信息服务，它是建筑技术适应现代社会信息化要求的结晶。在我国为举办2008年奥运会建造的鸟巢体育馆和水立方游泳馆（见图1-2）就凝集了许多智能楼宇的控制技术。图1-2 鸟巢体育馆和水立方游泳馆1.1 楼宇智能化的概念与特点
智能楼宇即智能型建筑，是指运用系统工程的观点将建筑物的结构（建筑环境结构）、系统（智能化系统）、服务（住、用户需求服务）和管理（物业运行管理）4个基本要素进行优化组合，提供一个投资合理，具有高效、舒适、安全、方便的建筑物，达到有效节省电能、大量节省人力、延长设备使用寿命、有效加强管理、保障设备与人身安全等目的，是应用信息技术与传统建筑的完美结合，实现了对建筑物科学、高效、节能、环保的现代化管理，改善了人类的居住和工作环境。1.1.1 楼宇智能化系统的概念
什么样的建筑才算是智能化楼宇？目前世界上对楼宇智能化的提法很多，欧洲、美国、日本、新加坡以及国际智能工程学会的提法各有不同。其中，日本的国情与我国较为相近，其提法可以参考，日本电机工业协会楼宇智能化分会把智能化楼宇定义为：综合计算机、信息通信等方面的最先进技术，使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等协调工作，实现建筑物自动化（BA）、通信自动化（CA）、办公自动化（OA）、安全防范自动化系统（SAS）和消防自动化系统（FAS），将这 5 种功能结合起来的建筑，外加结构化综合布线系统（SCS）、结构化综合网络系统（SNS）、智能楼宇综合信息管理自动化系统（MAS）组成，就是智能化楼宇。智能建筑基本结构图如图1-3所示。图1-3 智能建筑基本结构图
我国GB/T50314—2006对智能建筑（楼宇）给出如下定义：“以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境”。
智能楼宇是一个发展中的概念，智能楼宇的内涵是其功能，内涵会随着时代的发展、实现技术的进步，而不断丰富和发展。楼宇智能化不会是一个终极状态，而是一个不断完善的过程。
楼宇自控系统为基础的系统集成方式，主要通过建筑内的综合布线系统和计算机网络技术，将智能建筑的各个主要子系统采用各种开放式结构，将协议和接口都标准化和规范化。集成的方式主要包括以下几种。（1）硬件网络系统集成
智能建筑的系统集成结构大多采用二层网络形式，上层为以太网络，下层采用RS485、LonWorks等速率较低的标准工控总线方式集成串联各种硬件设备。集成模式还可通过开发与第三方系统的网络接口，将各种系统资料集成到网络主干上，实现集成的目的。（2）信息系统集成
各楼宇自动控制系统的厂家基本都依照以上的集成原理进行系统集成，并自行开发系统集成的管理软件。楼宇自动控制系统的厂家所开发的系统集成管理软件，通过已经架设好的网络架构系统集成，连接所有与之相关的对象，将信息综合起来并相互作用，以实现整体控制的目标。可采用OPC（用于过程控制的OLE）技术和ODBC（开放式数据库互连）技术实现智能建筑的系统集成。（3）远程系统集成
数字化建筑的最新集成技术是将信息集成系统建立在内部网上，在 Intranet 的基础上通过Web服务器和浏览器在整个网络上进行信息的交换、综合与共享，因此可以远程取得资料或发出连动，将各大型建筑群统一在同一平台做出实时且有效的监控管理。（4）实时数据与管理资料的集成
智能建筑中包括多个子系统，涉及实时控制和分时管理两个不同的信息处理领域。现场资料的收集与记录成为重要的系统集成对象，因此必须通过现场资料收集器（如DDC）来完成各个子系统的集成联结，形成一个完整的大系统，实现对建筑物消防、安保、电梯控制、灯光控制、停车、周界防护、门禁等诸多子系统实时数据的集成，并完成各子系统之间的联动控制。1.1.2 楼宇智能化系统的特点
楼字智能化技术是电气及自动化技术的发展和延伸。楼宇智能化系统是人类从电气时代走向信息时代过程中，电气与信息相结合的产物。楼宇智能化系统工程具有先进性、综合性、灵活性、智能性等显著特点。（1）技术上的先进性
20世纪下半叶，堪称现代科技的匠大成就，即生物工程、信息工程、空间技术、微电子技术和计算机技术获得了突飞猛进的发展。楼宇智能化汇集了信息技术、计算机技术、微电子技术的大量科技成果，并应用于楼宇建设。例如，利用计算机分布控制原理，自动控制空调机组，根据设定值自动调整温度、湿度、压差等参数，通过比例、微分、积分运算，实时进行有效调控。又如，利用信息处理技术有效管理大厦、小区人员出入，进行周边防卫、监控警戒、火灾防范等。在网络信息服务上，楼宇智能化服务的范围越来越广泛，它能提供与外界的各种信息联系，为办公、业务、家庭服务创造良好的信息环境；通过管理中心开放式计算机网络，把多元信息服务与物业管理相结合，为大厦、小区公众和住户提供各类信息服务，如日常管理服务信息、交互电视信息、远程教育医疗检索信息、网上购物信息等；通过互联网遥控家电，并按一定程序管理家务。由此可见，信息技术正在改变着原有社会运行格局，改变着人们的劳动方式和生活方式，改变着社会生产组织和管理体制，成为决定生产力发展速度和经济竞争力的关键因素。（2）系统上的综合性
系统集成的目标，就是通过对庞大对象内多学科、跨行业、多技术系统的综合与优化，将智能型计算机技术、通信技术、信息技术与被集成对象有机结合，在全面满足功能需求的基础上，集世界优秀产品与技术之长，追求最合理的投资和最大的灵活性，以求得长期最大限度满足经济、社会与环境效益的总目标。对智能楼宇而言，需通过对设备的自动监测与优化控制，对信息资源的优化管理和对使用者的最佳信息服务，达到投资合理，适合信息社会需要，并具有安全、舒适，高效和灵活特点的目标。图1-4所示为智能楼宇的系统集成目标。图1-4 智能楼宇的系统集成目标1.2 智能楼宇系统的组成与功能
近几年来，随着我国国民经济的持续稳定发展以及人民群众物质生活水平的不断提高，家居安全、舒适、便捷已成为每个老百姓关心的实质性问题。这使得建筑楼宇的功能逐渐发生巨大的改变：从单一的封闭型休息居所转向集休息、娱乐、办公等为一体的开放式、智能型多功能智能大楼。另外，世界范围内的电信业的重新调整和飞速发展，使电信服务商、有线电视服务商、硬件设备及其他新兴企业参与通信业务的竞争。随着数字广播电视卫星和电信供应商支持视频服务，有线电视（CATV）运营商将面临一个崭新的竞争时代。个人对PC的需求达到了创记录的数字，并且在短时期内会继续发展，因特网（Internet）、综合业务数字网（ISDN）、电子邮件（E-mail）等，正在成为人们生活中不可缺少的一部分，并且这方面的需求还在飞速增长。因此，建筑的自动化、现代化、智能化就成为房地产开发商的一个极具竞争力的卖点。图1-5所示为上海浦东的智能楼宇的超高层建筑。图1-5 上海浦东的智能楼宇的超高层建筑
理想的智能化功能的实现，主要依赖于计算机、通信、自动控制等多项关键技术的飞速进展。智能化工程各系统要体现当今时代潮流，设计合理，具有既可单独操作控制，又能整体管理的功能，安装维护方便，安全可靠。
建筑智能化工程包括以下方面：
① 计算机管理系统工程；
② 楼宇设备自控系统工程；
③ 保安监控及防盗报警系统工程；
④ 智能卡系统工程；
⑤ 通信系统工程；
⑥ 卫星及共用电视系统工程；
⑦ 车库管理系统工程；
⑧ 综合布线系统工程；
⑨ 计算机网络系统工程；
⑩ 广播系统工程；会议系统工程；视频点播系统工程；智能化小区综合物业管理系统工程；可视会议系统工程；大屏幕显示系统工程；智能灯光、音响控制系统工程；火灾报警系统工程；计算机机房工程。1.2.1 智能楼宇系统的组成
智能化楼宇的基本要求是，有完整的控制、管理、维护和通信设施，便于进行环境控制、安全管理、监视报警，并有利于提高工作效率，激发人们的创造性。简言之，楼宇智能化的基本要求是：办公设备自动化、智能化，通信系统高性能化，建筑柔性化，建筑管理服务自动化。楼宇智能化系统的基本内容如图1-6所示。图1-6 楼宇智能化系统的基本内容
楼宇智能化提供的环境应该是一种优越的生活环境和高效率的工作环境。
• 舒适性。使人们在智能化楼宇中生活和工作（包括公共区域），无论是心理上还是生理上均感到舒适，为此，空调、照明、噪声、绿化、自然光及其他环境条件应达到较佳或最佳状态。
• 高效性。提高办公业务、通信、决策方面的工作效率，节省人力、时间、空间、资源、能耗、费用，以及建筑物所属设备系统使用管理的效率。
• 方便性。除了集中管理、易于维护外，还应具有高效的信息服务功能。
• 适应性。对办公组织机构、办公方法和程序的变更以及设备更新的适应性强，当网络功能发生变化和更新时，不妨碍原有系统的使用。
• 安全性。除了要保证生命、财产、建筑物安全外，还要考虑信息的安全性，防止信息网中发生信息泄露和被干扰，特别是防止信息数据被破坏、被篡改，防止黑客入侵。
• 可靠性。选用的设备硬件和软件技术成熟、运行良好、易于维护，当出现故障时能及时修复。
对智能楼宇系统的基本要求是：智能楼宇系统的建设要达到建设部提出的智能建筑的标准。
所谓智能建筑物管理系统（Intelligent Building Management System，IBMS），它是以目前国际上先进的分布式信息与控制理论为基础而设计的计算机分布式系统（ Distributed Computer System，DCS）。它综合利用了现代计算机技术（Computer）、现代控制技术（Control）、现代通信技术（Communication）和现代图形显示技术（CRT），即4C技术。
智能建筑简单来说，就是利用IBMS进行管理的建筑。智能建筑通过对建筑物的4个基本要素，即结构、系统、服务和管理，以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑能够帮助大厦的主人、财产的管理者和拥有者，在诸如费用开支、生活舒适、商务活动和人身安全等方面得到最大利益的回报。
其主要的特征，就在于它的“智能化”，在于它所采用的多元信息传输、监控、管理以及一体化集成等一系列高新技术，以实现信息、资源和任务的共享，达到向人们提供全面的、高质量的、安全、舒适、快捷的综合服务的目标和节能的效果。
为了完成这一目标，需要在建筑物内建立一个综合集成的计算机网络系统。该系统应能将建筑内的设备自控系统、通信系统，各种管理系统、办公自动化系统集成为一体化的综合计算机管理系统。
对于智能建筑而言，选择什么样的系统和设备，既可以满足当前用户的需求，同时又能兼顾用户需求发展的要求，有效的、最充分的利用业主的初期投资为用户营造一个安全、方便、舒适、便捷的办公环境，是当前智能建筑业者所追求的目标，即生活环境更幽雅舒适和高度安全；完善的通信系统使得建筑物内外的数据通信、语言通信和影像通信成为可能；先进的办公自动化系统更使建筑物内有关政治、经济活动所需要的方便、快捷、高效变成现实。特别是近几年在国际上随着智能建筑管理系统的完善以及综合业务数字网（ISDN）、双绞线分布数据接口（TPDDI）、光纤分布数据接口（FDDI）等的出现和推广，使得智能建筑物内外各种信息、数据图像的高速传输和大容量传输成为可能。
综合布线系统是连接 CAS、OAS、BAS、SAS、FAS 的神经中枢，它的任务就是传输各系统所需的语音、数据、文字、图像等各种类型的信息，以实现信息的交换、软硬资源的共享。综合布线可以解决传统的单一系统中各自为政、线路交叉、混乱和无法集中管理的弊端。它能适应在出租办公室体制中，房间使用功能多变的情况下，以不变应万变的敷线布局问题。
楼宇自控系统也叫建筑物自动化系统（Building Automation System，BAS），指建筑物本身应当具备的自动化控制功能，它将建筑物内的电力、照明、空调、电梯、给排水、送排风等设备，进行集中监视、控制和管理，而构成的一个综合系统。它的目的是保证建筑物成为健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境，并保证系统运行的经济性和管理的智能化。
安全防范系统（Security Automation System，SAS）是对建筑物内部各重要空间、走廊、通道等实施24小时的监视和监控，在出现意外情况时及时向大楼保安部门及警方发出报警信号，并实时记录出事现场状况，保障人们在建筑物内部生活和工作的生命和财产安全。
通信自动化与网络技术是密不可分的。它指建筑物本身应具备的通信能力，包括对语音、数据、图像等信息进行采集处理、传递的系统。它包括建筑物或建筑群内部的局域网和对外联络的广域网和远程网。目前，通信自动化系统（CAS）主要有电话通信网、局域网和广域网、综合业务数字网、卫星通信网、有线电视网等。图1-7所示为智能小区安防监控系统示意图。图1-7 智能小区安防监控系统示意图
办公自动化系统是智能建筑的重要组成部分之一，实现办公自动化就是要利用先进的技术和设备来提高办公效率和办公质量，改善办公条件，减轻劳动强度，实现管理和决策的科学化，防止或减少人为的差错和失误。
传统的办公系统和现代化的办公自动化系统的最本质区别是信息存储和传输的媒介不同，传统的办公系统利用纸张记录文字、数据和图形，利用照相机或摄像机胶片记录影像，利用录音机磁带记录声音。这些都属于模拟存储介质，所利用的各种设备之间没有自动的配合，难于实现高效率的信息处理、检索和传输，存储介质占用的空间也很大。
现代化的办公自动化系统中，利用计算机和网络技术使信息以数字化的形式在系统中存储和流动，软件系统管理各种设备自动地按照协议配合工作，使人们能够高效率地进行信息处理、传输和利用。办公自动化技术的发展将使办公活动向着数字化的方向发展，最终将实现无纸办公。1.2.2 智能楼宇系统的功能
楼宇智能化系统的基本功能应包括以下内容。
① 智能化工程各系统要体现当今时代潮流，设计合理，具有既可单独操作控制，又能整体管理的功能，安装维护方便，安全可靠。
② 建立大楼的计算机数据网络，满足用户的信息服务要求。
③ 建立大楼的安全防范系统，方便大楼的封闭管理，为用户提供一个安全、舒适的生活环境。
④ 所用设备采用技术先进、成熟可靠、性能价格比较高的产品。
⑤ 所用设备便于操作、便于维护，稳定性好。
随着智能建筑的大型化、多功能化和服务项目的不断增加，建筑内所采用的机电设备、通信设备和办公自动化设备种类不断增多，其管理已非人工所能应付。因此，智能建筑物管理系统应运而生。1.3 智能楼宇的发展趋势
建筑是人类一定历史时期科学技术和文化艺术的结晶，它必然要吸收当时的先进技术，必然要反映当时生产力的发展水平。建筑技术与其他门类的科学技术是同步发展、相互关联、互为条件的。建筑材料由草木、土木、砖瓦石、混凝土向钢筋水泥发展的过程中，建筑物由单层、多层、高层向超高层发展。今日的建筑，特别是大型高层建筑，它不仅是城市文化的标志，更是城市信息化的重要支撑点——信息网络的结点。信息化浪潮的外部环境和人们对建筑提供信息服务的要求，以及建筑自身管理和销售都强烈地依赖信息，都使智能建筑的兴起和发展成为必然。
国内近几年智能建筑的发展，已经带动和促进了相关行业的迅速发展，已经成为高新技术产业重要的组成部分。智能建筑技术的不断迅速发展和智能建筑领域的持续扩展将会使相关的产业规模不断壮大和发展速度不断加快。近年来不断壮大产业队伍和已形成的产业规模就是例证。
智能建筑的发展，也带动了建筑设备智能化技术的快速发展。近年来制冷机组、电梯、变配电、照明等系统与设备的控制系统的智能化程度越来越高，一方面为智能建筑功能的提高提供了有力的技术支持，另一方面也促进了相关行业产品技术水平的不断提高和产品的更新换代。
智能建筑及其相关高新技术产业得以在世界范围内高速发展，绝非个人意志所及，其适应时代发展需要的固有优势，尤其是巨大的经济效益，使之充满活力，方兴未艾，并将成为21世纪的主要高技术产业之一。智能化系统也可以从模块化发展，如图1-8所示。1.3.1 智能楼宇建设上的应用
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》开始立项并进行工作。同年，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投入建造，1989年建成并投入使用。这座位于北京东三环路上的20层建筑应当被认为是我国的第一栋有明确设计定位的智能大楼。尽管如此，鉴于当时的一些条件，智能建筑作为一个行业和一个时代的标识，还没有在社会上得到广泛的认可，只是在一些个别建筑物上采用了较为完善的设备体系，体系之间只能做到一些必要的联动， 只有有限的通信功能和计算机应用，还谈不上集成。到了20世纪80年代后期，开始出现介绍智能建筑的文章，宣传了建筑“智能化”的概念。这一阶段是我国智能建筑发展的启蒙时期，为日后的发展进行了准备工作。图1-8 智能化系统的模块化发展
我国智能建筑的发展真正形成规模是在1992年前后，在邓小平同志南巡讲话的鼓舞和鼓励之下，重申了我国改革开放的总方针，各地兴建了若干开发区，特别是房地产市场的开放。在这样的大气候下，建设规模空前扩大。同时， 在经过一系列对国外情况的调查之后，对建设标准和设施规格的要求也不断提高并逐步与国外接轨，加上当时一些国际上有关智能建筑的先进产品和品牌已先后进入我国，大环境的需求与技术上的可能结合起来，使得智能建筑一发而不可收地发展起来。
现在我国已建成了一批技术水平较高、设施完善、效益明显、管理到位的智能建筑。但是从总体上看，行业管理和市场的整顿还仅仅是开始，特别在技术上还缺乏统一的规范要求，为此，国家技术监督局和建设部在 2000 年 7 月颁布了国家标准“智能建筑设计标准”（GB/T50314—2000），基本上总结了近十年智能建筑的建设经验，对统一技术要求起到了一定的作用。
智能建筑跨及多个行业，它除了涉及自动化、计算机网络、通信、供暖空调以及土建等行业以外，“智能建筑与绿色建筑结合起来”的提法表明它已向环境保护和节能技术方面发展。随着我国房地产业的不断发展，智能化建筑也从写字楼逐渐发展到住宅和居住小区，这同时也促进了楼宇智能化技术的不断发展与完善。
与发达国家相比，我国的楼宇自动化控制技术还是一个新兴的技术领域。智能建筑技术发展异常迅速，各行各业中的高新科技都会直接或间接地反应到智能建筑中来。因此，我们必须紧密跟踪这些最新的技术发展，吸收、消化，并将它们用在工程实践之中。1.3.2 智能住宅小区建设上的应用
智能化社区是通过数字化信息将管理、服务提供者与每个住户实现有机连接的社区。这种数字化的网络系统，使社会化信息提供者、社区的管理者与住户之间可以实时地进行各种形式的信息交流。由于现代网络浏览器的先进性以及多态的表现性，加上各种网络多媒体技术的应用，从而营造出了一个丰富多彩的虚拟社区。该虚拟社区以现实社区为支撑，是现实社区的发展和延伸，所以社区仍为主体。现实的社区可提供具体建筑物和环境，而虚拟社区是基于网络之上的，所提供的服务是有形的，具体化的。虚拟是在网络空间的虚拟，但为现实社区拓展跨地域的空间，与外部有广泛联系，使更多的社会资源能够共享和跨地域提供服务在社区成为可能。图1-9所示为智能小区综合系统构架图。图1-9 智能小区综合系统构架图
智能化社区的概念相应实现了信息数字化的社区理念，而社区的管理、社区的文化建设、社区提供的服务之所以能统一在一个数字化社区，由于有一个数字化的平台。数字化社区比传统社区能提供更加有效的管理，更加丰富的文化，更加全面的服务，能实现一个环境优雅、设施齐全、生活方便、居住安全的环境。
智能小区是在智能化大楼的基本含义中扩展和延伸出来的。它通过对小区建筑群 4个基本要素（结构、系统、服务、管理以及它们之间的内在关联）的优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利、安全、和谐的居住环境。与智能大楼相比，智能小区更注重于满足住户在安全性、居住环境的舒适性、便利的社区服务与社区管理、具有增值应用效应的网络通信等方面的实现和个性化需求。随着 21 世纪的到来，人类逐步跨入了信息时代。信息技术的应用逐步进入千家万户，我国也在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向。随着智能化技术从大厦走向小区，迈进千家万户，信息技术在住宅小区智能化中越来越重要，在一定程度上，可已认为智能化小区＝住宅楼宇的智能化+小区网络化。1.3.3 公共建筑方面的应用
智能楼宇技术在公共建筑方面的应用也有很大发展，如智能分析技术是当前安防行业的大热门。在公共建筑中，目前已有的智能分析应用大致可以归纳为3种：周界监控、消防防灾识别、与楼控系统的集成应用，较有新意的是后两种应用。
首先来看看消防防灾识别。通常消防系统都是通过烟雾探测器分析烟雾浓度而产生火灾报警，但是此类探测器只适用于较小空间内，2一般为 10～20m。但新建建筑基本都已经远远超过这一空间范围，都是数十倍数百倍于此，烟雾探测器显然无法满足应用需求。这时候，智能分析便派上了用场，通过对空间内烟雾浓度的分析，判断是否发生火灾后将信息反馈上传至中心，这是监控系统与消防系统联动的典型模式，部分园区和体育场馆都有应用到此技术。
另一个应用是通过智能分析点人数的功能来调节空调的温湿度，人多的时候降低温度增加送风，人少的时候减少送风。此外，与照明系统的联动，也可以通过智能视频分析来进行，当观测到有人进入后即打开灯光，无人时则关闭，以此达到有效节能的目的。
除智能分析外，无线传输也是建筑中值得关注的部分。据华东建筑设计研究院有限公司机电设计所智能设计部资深设计师印骏介绍，有线与无线交叉应用的情况逐渐增多，在不方便布线或距离不够的场所通常都选用无线传输，如在距离较远的厂房中，门禁读卡器与控制器的连接，或者孤立空间内水电、空调等楼控数据的上传等。而在应急情况之下，当有线线路遭到破坏时，无线方式是一种有效的补充。
国际通用的智能建筑概念指的是，将建筑物的结构、系统、服务和管理4项基本要求以及它们的内在关系进行优化，以提供一种投资合理，具有高效、舒适和便利环境的建筑物。
与其他国家的智能建筑相比，中国的智能建筑更加节能减排与绿色低碳。由于中国智能建筑理念契合了可持续发展的生态和谐发展理念，因此往往更多地凸显智能建筑的节能环保性、实用性、先进性及可持续升级发展等特点，而且与绿色建筑有着紧密的联系。
现阶段，我国智能建筑主要集中在大型公共建筑与商业建筑，主要原因为这类建筑智能化节能效果更加明显。目前，美国有高达70%的新建筑为智能建筑，日本的比例为60%，而我国这一比例仅为 20%左右。不过，来自前瞻产业研究院的研究显示，到 2015 年这一比例将有望达到30%。当前，我国北京、上海、广州、深圳等地的智能建筑行业已脱离幼稚期，开始向成长期发展，预计国内其他城市也将全面跟上。据预测，当前中国智能建筑市场规模约为 1000 亿元左右，年增约为 20%。目前我国智能建筑行业技术的发展，已经从传统的楼宇自动化、办公自动化、安防、节能化过渡至物联网、云计算以及大数据的应用。复习与思考题
1．什么样的建筑才是智能建筑？
2．智能建筑是由哪几部分组成的？各自的主要作用有哪些？
3．与传统建筑相比，智能建筑的优势体现在哪些方面？
4．智能建筑的支持技术有哪些？
5．简述智能建筑所具备的六性。
6．为什么说楼宇智能化技术是一个新学科？它要解决什么问题?
7．简述智能建筑的产生及发展趋势。第2章智能楼宇的供配电系统
各类建筑为了接受从电力系统送来的电能，需要有一个内部的供配电系统。楼宇供配电系统由高压及低压的配电系统、变电站（配电站）和用电设备组成。它是整个建筑物的动力系统，为楼宇内部的空调系统、给排水系统、照明系统、电梯系统、消防及安防系统等提供正常运转所需的电力能源。2.1 供配电系统
供配电产业的发展及可靠性对国民经济的发展起着举足轻重的作用，全国各地重点工程项目、标志性建筑/大型公共设施等大面积多变电所用户的急剧增加，对供配电系统的可靠性、安全性、实时性、易用性、兼容性及缩小故障影响范围提出了更高的要求。电力系统监控的范围如图2-1所示。
供配电系统参照如下标准。
• GB2887—2000《计算站场地技术要求》。
• GB/T13729—2002《远动终端通用技术条件》。
• DL478—2001《静态继电保护及安全自动装置通用技术条件》。
• DL/T400—2010《继电器和安全自动装置技术规程》。
• DL/T 814—2002《配电自动化系统功能规范》。
• DL/T634—2002《远动设备和系统传输规约基本远动任务配套标准》。
• DL/T721—2000《配电网自动化系统远方终端》。
• DL/T770—2001《微机变压器保护装置通用技术条件》。
• GB/T50063—2008《电力装置的电测量仪表装置设计规范》。
• GB—14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》。
• GBJ232—2002《建筑电气工程施工质量验收规范》。
• GB/T15145—2001《微机线路保护装置通用技术条件》。
• GB50171—2006《电气装置安装工作盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》。
• GB/50198—2011《监控系统工程技术规范》。
• GB/T17626.5《浪涌（冲击）抗扰度试验》。
• DL/T5003—2005《电力系统调度自动化设计技术规程》。
• IEC-61131-3《图形可编程标准》。图2-1 电力系统的监控范围
智能楼宇用电设备的种类多、负荷密度大（一般大于 100W/2m），而且用电负荷比较集中。一般情况下，空调负荷约占总用电量的45%，照明负荷占总用电量的20%～30%，电梯、水泵及其他动力设备占总用电量的25%～35%。一些智能化设备属于连续不间断工作的重要负荷，供电可靠性和电源质量是保证智能化设备及其网络稳定工作的重要因素。因此，智能楼宇对供电的要求如下。2.1.1 保证供电的可靠性
根据智能楼宇的特点，为了保障楼内人员和设备的安全，对供电的可靠性提出了特殊的要求。应根据建筑物内用电负荷的性质和大小、外部电源情况、负荷与电源之间的距离来确定电源的回路数，保证供电可靠。由于智能建筑用电负荷大，因此应对负荷进行分析，合理化分级别，以便正确的设计供配电系统，又不致造成浪费使建筑费用增加。
除了具有外部电网的可靠电源外，还应有备用的发电机组，作为应急电源，备用发电机组的容量要能保证全部一级负荷和部分二级负荷供电（主要保证消防设备和事故照明装置供电）。根据负荷的大小，同供电部门协商确定量回路电源是同时供电，还是采用一用一备的供电方式，并由此确定高压供电系统是单母线分段运行还是单母线运行。2.1.2 满足电源的质量要求
稳定的电源质量是用电设备正常工作的根本保证，电源电压的波动、波形的畸变、多次谐波的产生都会对智能建筑用电设备的性能产生影响，对计算机及其网络系统产生干扰，导致降低设备的使用寿命，使控制过程中断或造成失误。所以，应该采取措施减少电压损失，防止电压偏移，抑制高次谐波，为智能建筑提供稳定、可靠的高质量电源。2.1.3 减少电能损耗
智能建筑配电电压一般采用10kV，只有证明6kV确有明显优越性时，才采用6kV电压，有条件时也可采用35kV配电电压。高压深入负荷中心，以减少6～10kV配电线路中的电能损耗，这对节约用电及降低经营成本，加强维护管理等方面都有实际意义。2.2 电源质量标准
电源质量的好坏直接影响到用电设备的工作性能，关系到电力系统是否安全可靠地运行。电源的质量指标主要有电压偏移、电压波动、电压频率、电压的谐波及电压的三相不平衡程度等。2.2.1 电压偏移
各种电压设备的铭牌上都标有一个额定电压值。但在实际运行中由于电力系统的负荷变化及用户本身负荷的变化等原因，往往使用电设备的端电压值产生偏移，一般规定电压值偏移不超过±5%，当电压过高或过低时，监测系统应予以报警，同时需采取系统或局部的调压及保护措施。对电压偏移的改善一般要求在电网的高压侧采取措施，使电网的电压随负荷的增加而升高，反之负荷减少则电压降低。对于重要的负荷，宜在受电或负荷端设置调压及稳压器。2.2.2 电压波动
由于大容量设备的频繁起动往往引起电压的经常波动，特别是对照明及电子型的设备特别敏感，电压的经常波动引起照明的频闪，给人们一种不舒适的感觉，对人们的心理影响很不好。电子设备、智能型设备在电压波动经常的影响下，往往不能正常工作，甚至损坏。采取的办法包括：对大容量设备采用专用变压器供电，例如空调专用变压器与照明设备、电子设备和智能型设备供电变压器分开；经常起动的大容量设备采用降压起动的方式，降低对电网的冲击。2.2.3 电压频率
在电气设备的铭牌上都标有额定频率。我国电力工业的标准频率为50Hz，美国、日本等国为60Hz。由于频率直接影响各种电器设备的阻抗值及各种交流电动机的转速，直接影响电子系统运行的稳定性，因而对频率的要求比对电压值的要求严格得多，一般不得超过±0.5%。2.2.4 谐波
电力系统中交流电的波形理论上为正弦波，但在实际中由于三相电气设备的三相绕组不完全对称，带有铁芯线圈的励磁电流装置及大型可控硅整流装置产生了于 50Hz 基波成整数倍的高次谐波。由于电气设备的感抗和容抗都与频率成比例，使电网中功率损耗和能量损失增大，各种电机、电器设备发热，使寿命缩短。同时，使自动化设备、通信设备、计算机设备的工作质量受到干扰，甚至破坏。对电力系统中产生谐波的电力设备应采取措施，限制其产生谐波，如回路中加电抗器或用隔离变压器和电源滤波器。2.2.5 三相系统中电压的不平衡
在低压系统中一般采用Y/Y的三相四线制，单相负荷接于相电压0上。由于单相负荷在三相系统中不可能完全平衡，因而3个相电压不可能完全平衡。当不平衡电压加于三相电动机或三相设备时，由于相电压的不平衡使得三项设备的负荷电流增加，对电动机来讲增加了转子内的热损失。当电动机相电压的不平衡超过 2%时，在接近满负荷运行时就会产生过热，时间长了会烧坏绕组。对于电子设备，如计算机，在相电压不平衡大于 2%～2.5%时，也可能受到影响。因此，在设计中应尽可能使单相负荷均匀地分布在三相中，对相电压不平衡敏感的单相设备应分开供电。2.3 供配电系统基本构成
智能楼宇供配电系统是接收、转换、分配和输送电能的系统。它主要由变配电设备和线路构成。变配电设备用于接收、转换和分配电能，由变电站或配电站（只接收和分配电能）实现；线路用于输送电能。表示变配电站中各电器元件之间电气连接关系的电气图叫主接线图，表示电源点向用电点的电能输送路径的接线图叫作供配电方式接线图。2.3.1 变配电站常用主接线
智能楼宇供配电系统的变配电站通常由高压系统和低压系统两部分组成，如图2-2所示，它有一路进线的主回路和两路进线的主回路。图2-2 常用主接线形式
高、低压系统的常用主接线形式有单母线不分段接线和单母线分段接线。图2-3所示高压系统为单母线不分段主接线，低压系统为单母线分段主接线。图2-3 供配电系统示意图
为满足供电可靠性要求，高压侧进线可以是一个回路或多个回路，较为普遍的是两个回路进线的情况，正常时一用一备，当正常工作电源因故停电时，备用电源自动投入运行；低压侧设自备柴油发电机组，当电力系统中断供电时，由自备柴油发电机向重要负荷供电。2.3.2 常用供配电方式
对于低压系统来说，常用的供配电方式主要有放射式、干线式和环状式，如图2-4所示。放射式和干线式两种方式都可以是单回路或双回路形式。图2-4 常用供配电方式（1）放射式配电方式
放射式配电系统从一个中心点放射式的向各负载供电，各负载与中心点之间用固定安装的电缆连接，沿线不接其他负荷，各配电变电所无联系。向各负载供电的馈电系统成套装配在一起形成配电中心，该配电中心可以制成配电幵关柜、开关板和组合式配电控制箱。图2-5 （a）所示为单回路放射式，图2-5（b）所示为双回路放射式。
放射式配电方式的优点是：线路敷设简单，维护方便，供电可靠，不受其他用户干扰。（2）树干式配电方式
树干式配电方式是指由总降压变电所引出的各路高压干线沿市区街道敷设，各中小型企业变电所都从干线上直接引入分支线供电，如图2-6所示。图2-5 两种放射式配电图2-6 树干式配电方式
树干式配电方式的优点是：总降压变电所6～10kV的高压配电装置数量减少，投资可相应减少。缺点是供电可靠性差，只要线路上任意一段发生故障，将影响线路上变电所的供电。（3）环状式配电方式
图2-7所示为环状式配电方式，即指由总降压变电所分别引出两路髙压干线，从左右两侧沿各中小企业变电所敷设，并构成环状供电方式。环状式配电方式的优点是运行灵活，供电可靠性较高，当线路的任何地方出现故障时，只要将故障邻近的两侧隔离开关断开，即可切断故障点，使供电恢复。为了避免环状线路上发生故障时影响整个电网，通常将环状线路中某个隔离开关断开，使环状线路呈“开环”状态。
对于重要设备或者单台大功率设备，通常采用供电可靠性好的放射式供电方式；对于不太重要的且分散的较小功率设备，通常采用干线式供电方式。双回路放射式和干线式供电方式都具有较好的可靠性，可以对重要设备供电。图2-7 环状式配电方式2.4 对供配电系统的基本要求2.4.1 满足供电可靠性要求
供电可靠性是指系统用电设备供电的连续性。根据建筑物内用电负荷的性质和大小、外部电源情况、负荷与电源之间的距离，确定电源的回路数，保证供电可靠。
建筑物供配电系统的可靠性由两方面来满足：一方面是要求有可靠的外部电源；另一方面是要求内部供配电系统的主结线和供配电方式要满足要求，在系统发生部分故障时，仍能满足连续供电的要求。2.4.2 满足电能质量要求
稳定的电源质量是用电设备正常工作的根本保证，电源电压的波动、波形的畸变、谐波的产生都使智能建筑的用电设备性能受到影响，对计算机及其网络系统产生干扰，导致降低使用寿命，使控制过程中断或造成失误等。所以，应该采取措施，减少电压损失，防止电压偏移，抑制高次谐波，为智能建筑提供稳定、可靠的高质量电源。
电能质量主要有频率和电压两大指标，其中，频率指标主要由电力系统调控，电压指标则需由电力系统和用户供配电系统一起来调控。电压质量指标主要有电压偏移、电压波动、谐波及电压的三相不平衡度。2.4.3 智能楼宇供配电系统的特点
① 由于用电量大，一般供电电压都采用 10kV 标准电压等级，有时也可采用 35kV，变压器装机容量大于5000kVA，并设内部变配电所。
② 按照《智能民用建筑设计防火规范》（GB 50045－95）的有关要求，为了确保智能建筑消防设施和其他重要负荷用电，智能建筑一般要求两路或两路以上独立电源供电，当其中一个电源发生故障时，另一个电源应能自动投入运行，不至同时受到损坏。另外，还须装设应急备用柴油发电机组，要求在15s内自动恢复供电，保证事故照明、计算机设备、消防设备、电梯等设备的事故用电。
③ 智能建筑的用电负荷一般可分为空调、动力、照明等。在超智能建筑中通常采用变压器深入负荷中心的方式，变压器进入楼内而且上楼。
④ 变压器进入楼内，不能采用一般的油浸式变压器和油断路器等在事故情况下能引起火灾的电气设备，而采用干式变压器和真空断路器。所以，目前国内的普遍做法是：一般的大中型智能办公建筑，有一路 10kV 市电加应急柴油发电机组就可以了；对于特别重要和用电量很大（例如计算容量大于5000kVA）的大型智能办公建筑，则要求两个独立的市电电源再加应急柴油发电机组。应急电源与工作电源之间必须采用可靠措施防止其并列运行。2.5 智能楼宇供配电自动化系统设计原则2.5.1 稳定可靠性原则
必须保证供配电自动化系统具有高的可靠性和抗干扰能力。宜选用成熟的、通过国家认定的检测机构检测的，经过现场运行考验的综合保护与测量一体化技术的自动化系统。2.5.2 设计规范性原则
供配电自动化系统的设计应执行国家、行业的有关标准、规范及规程、规定。优先选择生产、服务规范化的供配电自动化系统。供配电自动化系统的各种接口规约应逐步采用国家或行业标准，对特殊通信规约应具备详尽规约文本。直流系统及计量系统的建设宜与供配电自动化系统通盘考虑。
对于楼宇供配电自动化建设，宜推行分层分布式系统。充分应用现场总线等先进通信技术解决楼宇内数据交换问题。2.5.3 保护功能独立性原则
由于保护在供配电系统中的特殊重要地位，自动化系统中保护功能应相对独立，不依赖于通信网，其他一些重要的控制设备，如备用电源自动投入装置等，也不依赖通信网，而设置专用的装置。2.5.4 分散化原则
单元装置可靠性高，抗干扰能力强，部分间隔设备具备就地安装能力，并逐步向全分散全下放化过渡。2.5.5 灵活开放性原则
自动化系统应具备灵活的结构平台，系统扩展方便。供配电自动化系统必须具备与楼宇自动化其他系统集成的能力。2.6 智能楼宇供配电系统自动化的功能配置
智能建筑供配电系统是整个智能建筑物的动力系统，它为建筑物内部的空调系统、给排水系统、照明系统、电梯系统、消防及安防系统等提供正常运转所需的电力能源。建筑供配电系统一般为 10kV 小电流接地系统，供电方式有单母线方式、双母线方式和双供电方式，2负荷具有密度大（一般大于100W／m）、峰谷差率大、谐波大的特点。实现中压系统自动化一般采用微机保护装置，而实现低压系统自动化一般采用网络电力仪表。
早期的继电保护大都采用电磁式保护，接点多、接线烦琐、调试整定困难、可靠性差。微机保护采用计算机技术、电力自动化技术、通信技术等多种高新技术，集保护、测量、控制、监测、通信于一体，是实现电力系统自动化的基础硬件装置，是构成智能化开关柜的理想电器元件。
智能楼宇供配电微机保护系统，如图2-8所示，微机保护装置应具有下述功能。图2-8 智能楼宇供配电微机保护系统（1）保护功能
保护功能包括速断、限时速断、定时限（反时限）过流、零序电流、低压、变压器温度、瓦斯、重合闸、备自投、PT切换、接地、控制回路断线告警等，各保护单元也可根据用户要求加入低电压闭锁过电流、不平衡电流、PT断线报警等保护。（2）测量功能
测量功能包括相/线电压、相/线电流、保护电流、零序电流、功率因数、频率、有功功率、无功功率、有功电度、无功电度以及电度累计量。（3）远方管理
通过总控单元可实现远方控制、远方信号、远方调整、远方测量、远方改变定值、保护远方投退、远方设定电度底码、信号远方复归等功能。（4）通信功能
通过RS485/CAN/以太网通信接口，实现远方通信及控制。（5）控制功能
本地/遥控操作各类可控开关设备，如断路器的分合操作等。（6）事件追忆功能
具有30个以上事件追忆功能，可记录事件的时间、类型及动作值。
应该指出的是，与电力系统不同，智能建筑供配电系统的一次回路简单，所涉及的保护功能也较少，线路保护和电器设备保护只有几种（往往不多于4种），因此，体积小、价格低、操作简单的微机保护装置更受用户的欢迎。2.6.1 供配电系统的综合自动化控制
供配电系统作为智能建筑BAS系统的一个子系统，其综合自动化控制有其自身的特点，在智能建筑BAS系统总体管理下，完成自身的综合自动化控制功能。
智能建筑变电所综合自动化系统组成如图2-9所示，这是一种分层分布式的配置，主要由管理层和现场两大部分组成。管理层是变电所综合自动化的核心，由监控主机及其人机联系设备、通信控制机和工程师机组成，安装在变电所控制室。现场部分完成变电所综合自动化的控制功能，由数据采集控制机和保护管理机及其所属各功能单元组成，按变电所中的操作间隔设置，安装在开关屏上或高压开关附近。图2-9 智能建筑变电所综合自动化系统组成2.6.2 智能楼宇的供配电系统的组成
建筑供配电系统由高压供电系统、低压配电系统、变配电所和用电设备组成。通常对大型建筑或建筑小区，电源进线电压多采用10kV，电能先经过高压配电所，再由高压配电所将电能分送给各终端变电所。经配电变压器将 10kV 高压降为一般用电设备所需的电压（220/380V），然后由低压配电线路将电能分送给各用电设备使用。2.6.3 智能楼宇的负荷等级划分
负荷等级划分的原则，主要是根据中断供电后在政治、经济上造成影响的程度而定。按照《民用建筑电气设计规范》（JGJ／T16—1992）对负荷等级的划分为一级、二级、三级负荷。
在智能楼宇用电设备中，属于一级负荷的设备有消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟设施、火灾自动报警、自动灭火装置、火灾事故照明、疏散指示标志和电动的防火门窗、卷帘、阀门等消防用电设备；保安设备；主要业务用的计算机及外设、管理用的计算机及外设；通信设备；重要场所的应急照明。属于二级负荷的设备有客梯、生活供水泵房等。空调、照明等属于三级负荷。2.6.4 常用供电系统图简要说明
① 当外部10kV 两路电源并不完全来自城市区域变电站，而至少有一路是来自区域变电站馈电的10kV公用开关站，如图2-10所示。图2-10 两路10kV电源同时供电
图2-10显示了两路10kV进线，单母线分段，平时两路同时供电，互为备用，装有分段开关自投装置（BZT），高压母线经开关以放射式向各配电变压器供电。这种接线，供电可靠性最高，但设备用得多，多用于等级高的大型旅游宾馆楼或综合楼中。
② 当外部电源多数取自区域变电站馈电的10kV 公用开关站或10kV 环网室，而环网开关可能设在用户大楼内与高压配电室毗连，如图2-6所示。
图2-11显示了两路10kV进线，单母线不分段，一用一备，当工作电源失电时，备用电源自动投入，两路都能保证 100%的负荷用电。此种接线高压设备用得少，投资省，但清扫母线或母线故障时造成全部停电。此种接线常用在负荷不大的住宅楼或商住大厦中。
③ 当外部只有一个高压供电时，也可采用邻近的低电压供电或采用柴油发电机供电，如图2-12所示。
图2-12显示了由一路10kV专用线路供电，另一路是由地区公用变压器或相邻大厦变电所引来380/220V备用电源，若低压备用电源无法获得或送电距离遥远，也可考虑自备柴油发电机作备用电源保证一类负荷用电。这种接线用于二类、三类建筑物，可靠性较前两种稍差。图2-11 两路10kV电源一用一备
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