智能建筑中的楼宇自动化设计及其应用
时间：2023-05-28 09:40:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李延朋 LI Yan-peng；
李炳坤 LI Bing-kun；
张鑫伟 ZHANG Xin-wei；
李欣然 LI Xin-ran；
李凯 LI Kai；
刘阳 LIU Yang；
唐亮亮 TANG Liang-liang；
王光辉 WANG Guang-hui
（中国建筑第五工程局有限公司，郑州 450000）
相比传统建筑，智能建筑更能满足当今人们对居住环境的需求，并且其在各种功能设计上也引入了更多智慧化的技术。1984年美国建成了第一幢智能建筑，而我国直至上世纪末才开始建设，但我国在此方面发展迅猛，未来智能建筑仍有巨大的市场。楼宇自动化是一种通过计算机指令控制整个建筑中所有功能系统的控制系统，其可以对建筑中的水、电、照明等设备进行管理，使其可以自动化的完成相应的工作，进而提高建筑管理水平，减少运营成本，为住户提供更好的生活环境。
1.1 设计原理
作为提高建筑智能化的关键，楼宇自动化的设计原理应当科学、合理，使楼宇内各种设备在均能正常运转的同时，尽可能的降低运营费用，实现建筑内部设备与建筑的全面监控与管理。楼宇自动化包括涉及建筑内水、电、照明、暖气供应，以及建筑管理的电梯、安保等系统，楼宇自动化的设计原理是通过将各个子系统集成为一个涵盖楼宇所有电气设备的完整系统，通过现代化的监控技术获取自系统运行的信息，了解其即将发生或者已经发生的安全隐患问题，并在总系统中针对其问题发出警报，使控制室能向现场设备或有关工作人员发出控制指令，使意外发生时能尽快疏散建筑人员，进而保证住户生命财产安全[1]。此外，楼宇自动化设计在进行机电设备一体化管理的同时，也应通过对子系统的监控减少设备故障的产生，同时优化设备运行的方案，例如，在空调与通风监控系统中，建筑空调在运行时会消耗大量的能源，但在楼宇自动化管理下，系统可根据建筑内部的实际情况，结合国家相关建筑节能环保要求，给出合理的系统运行方案，从而减少电力、水力等资源的消耗，进一步降低运营成本。
1.2 设计思路
在楼宇的自动化设计中，为保证总系统可以全面控制所有的子系统，实现对楼宇所有电气设备的管理与控制，可利用以太网实现总系统与各子系统的结合，使整个系统形成一个被网络连接的整体，从而使总系统可以对各子系统进行控制和管理。楼宇自动化系统总体设计思路如图1所示，由图可知，设计中通过以太网交换机连接总控台工作站和楼宇各子系统控制器，并使用传感器和执行器传输信息。利用以太网可将各系统联系到一起，并基于此进行整体的联动管理，从而简化控制过程，使管理人员能轻松、便捷的获取到所需的楼宇信息[2]。在图1系统实际使用的过程中，用户可通过系统的电脑端或手机端获取楼宇自动控制系统的运行信息，并可以利用系统包含的监控功能，将采集到的信息进行保存和分析，从而使总系统在分析子系统情况时有所依据。这种自动化的系统优势在于比人工管理响应更快，更有利于建筑的安全运行。
图1 楼宇自动化系统总体设计思路
1.3 结构设计
楼宇自动化的结构设计应满足以下要求：第一，建立中央站实现各系统的分类管理；
第二，通过中央站实施监控运行状态，并给出控制指令；
第三，保证监控信息的实时访问与处理；
第四，保证整个系统在运行的过程中，可以随时融入新的功能系统，或移除旧的功能系统。基于此，在楼宇自动化的结构设计中（如图2所示），根据楼宇中各系统的功能，将其分为三部分，分别是管理层、监控层、现场层，使各模块间彼此协作，从而完成系统各部分的管控，使整个系统的运行自动化、智能化[3]。其中，管理层为结构顶层，负责处理系统运行中所有问题，主要设备为总控台计算机，并可通过总控台的设备对各子系统发布指令要求；
监控层为结构中层，负责监控各子系统设备的运行情况，主要设备为BAS监控计算机，可利用控制器发送警报；
现场层为结构底层，负责各子系统对应的功能管控，主要设备为各种现场装置。
图2 楼宇自动化系统结构设计
2.1 建筑概况
以某智能建筑的楼宇自动化设计为例，该设计使用IFIX组态软件，利用其中包含的各种技术，使楼宇自动化设计更为科学、合理，并基于此建立更加安全、可靠的楼宇自动控制体系，使其能为智能建筑及其住户服务。该智能建筑（简称Z建筑）的具体信息如下：该建筑地上共30层，地下共2层，地上部分用于餐饮、娱乐、办公，地下部分为停车场；
建筑所需的楼宇自动化设计内容包括空调系统、给排水系统、照明系统、安防系统、电梯系统，各系统由总控台进行统一的控制和管理。
2.2 IFIX组态软件简介
IFIX组态软件是一种提供网络功能和分布式数据管理，并且可以支持各种标准通信协议和主流工控设备的软件，其可以将需要使用的组件拼装到一起，在不需要重新编写程序的情况下，使其提供相应的功能，其主要功能有图形功能、数据点管理、通信功能、管理功能等。同时，IFIX组态软件具有可靠性好、周期短和效率高的优点，可以适应不同场景和控制系统的应用要求，在使用时可以通过图形、表格、实时曲线等展示控制系统的数据，并且能根据已设定的程序，进行数据保存、报警管理等工作。
2.3 基于IFIX的楼宇自动化系统设计
2.3.1 设计要求及目标
楼宇自动化系统系统具有监控信号复杂、异构系统存在等特点，结合A建筑的自动化设计需求，为使最终的设计结构具有更好的可移植性、可扩展性和兼容性，设计基于IFIX的楼宇自动化系统。设计要求包括：①用户可借助IFIX软件获取楼宇中各系统的运行状态；
②用户能够通过软件远程控制楼宇中系统的运行；
③系统可自动生成各种报表信息，用于工作人员检查和分析楼宇自动化系统运行情况。基于系统的设计要求，进一步确定其设计目标，在设计时应遵循“分散控制、集中管理、数据共享”的原则，确定设计目标为针对所有楼宇中的自动化系统，对其进行监测和控制，进一步提高Z建筑的管理水平，从而减少运维成本，进而达到节约资源的目的。
2.3.2 系统设计
本次设计采取三级集散控制系统结构进行控制，利用现场控制级、监控级、管理级实现单个设备的控制任务、监测管理。现场控制级应与各现场装置连接，并对其进行控制，应包括过程数据采集、直接数字控制、设备监测和系统测试与判断、安全操作；
监控级应监视各装置的运行状态，并针对监测到的异常情况进行报警，应通过操作站实现对操作请求的处理；
管理级应负责协调与管理整个系统的运行，使系统的监测、处理能在系统中协同运行，维持系统的稳定性。基于此，设计三级系统结构如图3所示。
图3 楼宇自动化设计三级系统结构
2.3.3 设计方案
根据已确定的设计要求、设计目标和系统设计架构，确定设计方案，如图4所示，通过使用合适不同的现场设备，使整个系统更加完善，并利用计算机实现对其控制和管理。
图4 系统设计方案
2.3.4 楼宇自动化系统设计
①空调系统。空调系统在楼宇系统中是能耗相对比较大的系统之一，楼宇系统中的大量自动化设备，也使得系统的负荷远超传统建筑。基于此，首先进行系统负荷分析，通过建筑内空气参数调查，可知休闲娱乐区、办公区、机房等区域的冬夏两季温度和湿度均存在差异，根据不同区域的温湿度特征，确定空调系统的电力测量接线方式如图5所示。
图5 空调系统的电力测量接线方式
②给排水系统。给排水系统主要监控主备泵的启停控制、水泵的故障报警、水泵运行情况、水箱水位监测等，系统通过监控所获得的数据信息，对设备进行控制和预警。由于系统和设备长期运行可能出现问题，在发生异常或故障时，系统会发出警报信号，使工作人员能尽快处理故障问题。同时，考虑到消防问题，当火灾发生时系统可自动启动消防泵。
③照明系统。照明系统主要负责Z建筑的照明和指示灯的运作，在照明系统的设计中，由于室内照明主要由住户或使用者控制，因此，主要管理的照明设备为公共照明设备和指示灯，系统利用传感器等分析当前室内外的光照情况，通过系统管理实现公共照明设备的自动开关和光照度调节，并保持指示灯常亮。
④电梯系统。由于Z建筑楼层较高，必须配置电梯系统，建筑内包含多台电梯，但在某些时间段，电梯会处于待机状态。基于此，为实现节能的目标，设计电梯系统与安防系统联网运行，并设计电梯系统电力测量接线如图6所示。通过将两个系统联网，利用安防系统的监控功能对电梯进行检测，当电梯长时间无人靠近或使用时，切断其工作电路，当有人靠近时，使电梯进入待机状态。
图6 电梯系统电力测量接线图
⑤安防系统。安防系统主要作用是使建筑维持一个安全稳定的状态，本次设计的主要内容是闭路电视监控系统。根据已设计的架构图，将各种监控设备安装至相应的位置，使其对Z建筑进行全方位的监控。
2.3.5 系统运行效果
在所有设计完毕后，进行安装和施工工作，经过几个月的试运行后，该楼宇自动化系统的运行效果能达到预期的要求和目标，系统可将各子系统结合形成一个整体，并实现统一的管理和监视，各平台能保持一个稳定的状态运行，在测试异常状态时，也能及时作出响应，在第一时间进行设备的自动管理，同时给管理人员发送警报信息。
智能建筑是未来建筑发展的趋势，并且已经取代了一些传统建筑，为进一步推广智能建筑的覆盖，应加强此方面的研究。根据本文中的案例，首先应保证智能建筑中楼宇自动化设计符合建筑自身需求，科学合理的确定设计思路和设计方案，同时明确技术的核心内容，保证硬件方面可以支持系统运行，并设计合适的软件系统，从而实现智能建筑中楼宇自动化系统的设计与应用，进而为住户提供更优质的服务。
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