楼宇自控基础

1、.楼宇自控基础.主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC.主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC.什么是楼宇自控系统楼 宇 自 控 系 统 （ B A S - B u i l d i n g Automation System）又称为建筑设备自动化系统，它是在综合运用自动控制、计算机、通信、传感器等技术的基础上，实现建筑物设备和实施的有效控制与管理，保证建筑设施的节能、高效、可靠、安全运行，满足广大使用者的需求。 .采用楼宇自控系统 是大型建筑物监控的必然趋

2、势建筑物规模的增大（高度与面积）建筑物的多功能使用使用者对建筑物的服务要求多样化（环境的舒适性、沟通的便捷性、生存空间的安全性、设施服务的完善性、管理组织的严密性等）服务性能要求日趋提高建筑物内部建筑设备的复杂性（VAV、群控、节能等）.BAS的对象环境电力供应系统 (高压变配电、低压配电、应急发电)照明系统 (工作照明、事故照明、艺术照明、障碍照明、泛光照明等)环境控制系统 (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)消防系统(火灾自动报警与消防联动控制)安保系统 (防盗报警、电视监控、门禁、巡更)交通运输系统 (电梯、电动扶梯、停车场)广播系统 (背景音乐、事故广

3、播、紧急广播).广义BA系统的组成.狭义BA系统 国外消防、安保等系统都属于BA的子项，但国内考虑到安全性、行业划分等原因，属于独立的系统。 停车场控制与广播控制系统一般也自成系统。 国内狭义的BA系统主要包括电力供应与管理系统、照明控制管理系统和环境控制与管理系统等由各系统承包商利用DDC控制器或PLC控制器对其进行监控和管理的子系统。.BA系统功能 设备运行监控 节能控制 设备信息管理与分析.设备运行监控 利用分散在控制现场的控制器完成设备本身的控制。 通过现场总线实现设备之间的通讯和互操作。 中央控制站集中显示和管理各控制点的状态和参数，并对整个系统进行控制和配置。.设备运行监控的作用

4、自动、远程控制，减少人力 加快系统响应时间 提高控制精度 方便物业人员对整个系统的把握 发生故障时自动报警进行处理.节能控制能耗分析 冷热源与空调49%给排水15%厨房电器5%照明18%其余6%电梯7%给排水冷热源与空调照明电梯厨房电器其余.BAS的有效节能手段最优设备投运台数控制最优启停控制焓值控制工作面照度自动控制公共区域分区照明控制供水系统压力控制温度自适应设定控制（平均室内温度每升高1度，能耗降低6%）VAV冰蓄冷等.BAS的节能控制效果通过有效控制可节约建筑物20%左右的能耗有效地使用和发挥BA系统的功能，降低能耗保护环境，是可持续发展战略的重要实施环节节能控制方式能有效地减少设备的

5、运行时间，降低设备的磨损与事故发生率，大大延长了设备的寿命，其间接减少设备维护与更新费用的作用也是巨大的.设备信息综合运用水平国内BA系统的设计目标大多定位在运行控制与管理，对建筑设备与系统状态检测点的确定仅是运行控制所必需的信息，功能以运行监控为主如果不能全面及时地掌握各设备系统的信息，就不能进行综合分析，不能进行故障诊断，尤其是对于渐发性的故障不能提出预警设备运行信息的综合分析有利于物业设施管理的设备故障诊断、设备运行状态优化、设备维护保养、降低设备能耗、提高服务质量等诸多工作项目.BA的观念转变 BA发展初期，人们认识到，由于BA系统收集到大量数据，为充分利用这些数据，增加利润，许多BA

6、厂商开始致力于推广能源分析与管理系统、在线故障诊断等高端应用。（功能拉动应用） 但是欧洲从能源危机后，许多国家开始重视能源管理，推出了许多能源审计和能源标准。目前，欧美能源管理的需求反过来促进了BA的发展。（需求推进应用） BA系统在能源管理与控制方面的许多应用已经突破了BA本身的控制内容，进一步渗透到建筑结构、暖通设计、照明设备等的设计、改造领域。.BAS的发展 20世纪80年代，随着计算机集中管理分散控制系统（DCS）的诞生而产生20世纪80年代到90年代，作为一种低成本的DCS得到发展20世纪90年代的最后五年，随着各种通信协议的标准化和现场总线的发展而迅速推广目前， BA系统从初期的单

7、一设备的控制，发展到今天的综合优化控制、在线设备故障诊断、全局信息管理和总体运行状态协调等高层次的集中管理分散控制方式，面向建筑物设备系统的BA系统已将信息、控制、管理、决策有机地融合在一起.主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWorks BACnet OPC.自动控制系统的发展第一阶段30-40年代基地式仪表一操作人员监控几个参数，产品质量取决于操作员技术第二阶段40-50年代简单的 气动单元组合仪表（为主）与电动单元组合仪表一人监控40个左右参数，工作效率得以提高第三阶段50-70年代单元组合仪表，中央控制（电动为主）一人监控500个左右参数，自动化

8、程度提高第四阶段70年代中期-至今计算机控制智能控制一人可监控几千个参数，数据自动处理。高可靠、高度自动化.闭环计算机控制系统.PID（比例/积分/微分）控制算法 模拟调节器的理想PID算法： 计算机系统中的差分PID控制算法：tdipdttdeTdtteTteKtu0)()(1)()(kjdipTkekeTTjeTkeKku0) 1()()(1)()(e(t)：偏差u(t)：控制量Kp：比例放大系数Ti：积分时间常数Td：微分时间常数e(k)：第k次采样所得偏差值e(k-1)：第k-1次采样所得偏差值u(k)：第k时刻的控制量.PID的几种控制效果.PID控制的参数整定 采样周期整定 比例放

9、大参数整定 积分时间常数整定 微分时间常数整定.继电器控制算法.直接数字控制系统的组成.集中控制系统的不足 整个系统的控制、管理依赖于中央控制站，一旦中央控制站崩溃，整个系统将陷入瘫痪； 全部控制运算功能由中央控制站控制主机完成，对控制主机中断优先级、分时多任务操作等控制都提出了极高的要求，同时控制主机的运算处理能力限制了整个控制系统的规模和实时响应能力； 所有现场采集的数据都要通过网络系统传送给控制主机进行处理，然后由控制主机发出命令指挥现场执行机构的动作，信息传输线路长、网络传输数据量大，当系统监控点数较多时实时响应能力差。.集散控制系统基本思想：集中管理、分散控制.集散控制系统的组成操作

10、管理装置通讯装置分散过程控制装置.集散控制系统的发展 70年代，以Honeywell TDC-2000为代表的第一代产品（分散过程控制器、良好的人机界面、数字通讯系统）； 第二代DCS产品最主要的改进是从主从式星型结构转变为对等的总线结构（算法扩充、过程操作范围扩大、多处理器应用）； 第三代DCS产品向上能与MAP与Ethernet接口，相下支持现场总线，从而打破了“信息孤岛”（算法上增加了自适应、自整定等功能，支持第三方应用软件）。.DCS层次结构 操作员站（图形/系统组态、数据分析与决策、报表生成与报警） 数据通讯（分层结构满足不同场合的需求） 分散过程处理装置（数学运算、逻辑运算、时间控

11、制、输入输出控制、PID运算、专用处理模块等）.BAS是一种低成本的DCS集散控制系统是工业生产过程控制需求的产物，首先在工控领域得到成功应用，然后逐渐应用于楼宇控制。相对于工业控制，楼宇控制无论在控制精度，还是系统实时响应性能、可靠程度等方面都不如工控那么严格；同时，系统的建设投资也较低。为适应楼宇控制的特点，集散控制系统的许多备份、冗余措施在楼宇控制中都取消了，系统结构及控制器、工作站的功能也有不同程度的简化和削弱，但整体系统的组成和构架还是相同的。因此有人称楼宇控制系统为“一种低成本的集散控制系统”。 .主要内容 楼宇自控概述 自动控制原理及集散控制系统 BA主流技术简介 LonWork

12、s BACnet KNX OPC C/S .&. B/S.现场控制总线.现场总线的优越性现场总线的优越性节省硬件数量与投资；节省硬件数量与投资；节省安装费用；节省安装费用；节省维护开销；节省维护开销；用户具有高度的系统集成主动权；用户具有高度的系统集成主动权；提高系统的准确性与可靠性；提高系统的准确性与可靠性；. 现场控制总线是楼宇自控系统现场控制级的通讯现场控制总线是楼宇自控系统现场控制级的通讯网络，是实现底层控制设备之间数据共享与通信的基网络，是实现底层控制设备之间数据共享与通信的基础。现场控制总线技术提高了系统的可靠性，缩短了础。现场控制总线技术提高了系统的可靠性，缩短了响应时间

13、，减小了上位机的运算负荷，是整个控制系响应时间，减小了上位机的运算负荷，是整个控制系统性能提高的保证。统性能提高的保证。.LON: LON: 全称为全称为Local Operating NetworksLocal Operating Networks，即局部操作网络。是由美即局部操作网络。是由美国国EchelonEchelon公司推出的，是目前最流行的现场总线之一公司推出的，是目前最流行的现场总线之一。LonWorks: LonWorks: 是是EchelonEchelon公司为支持公司为支持LONLON总线的设计而开发的一总线的设计而开发的一 整套完整的开发平台。整套完整的开发平台。LonT

14、alk: LonTalk: 是是LonWorksLonWorks中使用的开放式通信协议，其最大特点是对中使用的开放式通信协议，其最大特点是对ISO/OSIISO/OSI七层参考模型的完全支持。七层参考模型的完全支持。LonMark: LonMark: 是与是与EchelonEchelon公司无关的公司无关的LonWorksLonWorks用户标准化组织，按照用户标准化组织，按照LonMarkLonMark设计规范设计的设计规范设计的LonWorksLonWorks产品均可非常容易地集成产品均可非常容易地集成在一起。在一起。.二、神经元芯片（二、神经元芯片（neuron chipneuron c

15、hip）神经元芯片（神经元芯片（neuron chipneuron chip）是是LonWorksLonWorks技术的核心，它不技术的核心，它不仅是仅是LONLON总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的总线的通信处理器，同时也可作为采集和控制的通用处理器，通用处理器，LonWorksLonWorks技术中所有关于网络的操作实际上技术中所有关于网络的操作实际上都是通过它来完成的。都是通过它来完成的。一个神经元芯片拥有三个单元处理器。一个用于链路层的控一个神经元芯片拥有三个单元处理器。一个用于链路层的控制（制（MACMAC处理器）；一个用于网络层的控制处理器）；一个用于网络层的控制( (网络

16、处理器网络处理器) )；另一个用于用户的应用程序（应用处理器）。另外，还包括另一个用于用户的应用程序（应用处理器）。另外，还包括11 11个个I/OI/O口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功口，这样在一个神经元芯片上就能完成网络和控制的功能。能。.三、三、LonWorksLonWorks技术的组成技术的组成LonWorksLonWorks节点和路由器节点和路由器LonTalkLonTalk协议协议LonWorksLonWorks收发器收发器LonWorksLonWorks网络和节点开发工具网络和节点开发工具.四、四、LonWorksLonWorks节点节点LonWorksLonWo

17、rks节点包括：节点包括：应用应用CPUCPU、I/OI/O处理单元、通信处理器、处理单元、通信处理器、 收发器和电源收发器和电源LonWorksLonWorks两种节点的构成形式：两种节点的构成形式：1 1）以神经元芯片为核心的控制节点：一个神经以神经元芯片为核心的控制节点：一个神经元芯片几乎包含了一个现场节点的大部分功能模元芯片几乎包含了一个现场节点的大部分功能模块块应用应用CPUCPU、I/OI/O处理单元、通信处理器，处理单元、通信处理器，因此，一个神经元芯片加上收发器便可构成一个因此，一个神经元芯片加上收发器便可构成一个典型的现场控制节点。典型的现场控制节点。2 2）采用采用MIPM

18、IP（Host BaseHost Base）结构的控制节）结构的控制节点：对于一些复杂的控制，可将神经元芯点：对于一些复杂的控制，可将神经元芯片作为通信协处理器，用高级主机资源来片作为通信协处理器，用高级主机资源来完成复杂的测控功能，从而提高节点的运完成复杂的测控功能，从而提高节点的运算、控制能力。算、控制能力。.五、路由设备在五、路由设备在LonWorksLonWorks技术中的作用。技术中的作用。正是由于路由设备的使用，使正是由于路由设备的使用，使LONLON总线突破传统现场总总线突破传统现场总线的限制线的限制不受通信介质、通信距离、通信速率的限不受通信介质、通信距离、通信速率的限制。在制

19、。在LonWorksLonWorks技术中，路由设备包括以下几种：中技术中，路由设备包括以下几种：中继器、桥接器、路由器。继器、桥接器、路由器。.六、六、LonWorksLonWorks控制网络的基本要素控制网络的基本要素 LonLon网络服务器网络服务器LNSLNS NSSNSS网络服务服务器网络服务服务器 NSINSI网络服务器接口网络服务器接口 LCALCA对象服务器对象服务器 LCALCA数据服务器数据服务器 工作站通讯接口工作站通讯接口(PCLTA(PCLTA、SLTASLTA等等; LonMaker); LonMaker) 通讯通道通讯通道 路由器路由器 子网子网 节点节点.六、六

20、、LonWorksLonWorks技术特点包括技术特点包括1 1）在一个神经元芯片上可以完成网络和控制的功能。在一个神经元芯片上可以完成网络和控制的功能。2 2）支持多种通信介质（双绞线、电力线、光纤、无线等），）支持多种通信介质（双绞线、电力线、光纤、无线等），以及它们的互连。以及它们的互连。3 3）LonTalkLonTalk是支持是支持ISO/OSIISO/OSI七层参考模型，提供了一个固化在七层参考模型，提供了一个固化在神经元芯片内的网络操作系统。神经元芯片内的网络操作系统。4 4）提供给使用者一个完整的开发平台，这包括现场调试工具）提供给使用者一个完整的开发平台，这包括现场调试工具L

21、onBuilderLonBuilder、协议分析工具、网络开发语言协议分析工具、网络开发语言Nenron CNenron C等。等。5 5）由于支持面向对象的编程（网络变量）由于支持面向对象的编程（网络变量NVNV），），从而很容易实从而很容易实现网络的互操作。现网络的互操作。.1.25Mbps 1.25Mbps 双绞线双绞线到到网络管理工具网络管理工具1.25Mbps 1.25Mbps 双绞线双绞线电力线电力线1.25Mbps 1.25Mbps 双绞线双绞线到电力线到电力线LonMarkLonMark典型典型LONLON网络示意图网络示意图.BACnet: 楼宇自动控制网络数据通讯协议（即:

22、 A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，简称BACnet协议）由美国暖通、空调和制冷工程师协会(ASHRAE ) 组织的 标准项目委员会135P (Stand Project Committee: SPC135P)历经八年半时间开发的。 协议是针对采暖、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时也为其他楼宇控制系统（例如照明、安保、消防等系统）的集成提供一个基本原则。. 随着信息技术及整个信息产业的发展，楼宇自动化系统（BAS）正朝集成化、智能化和网络化方向迈进。 现场总线仅对楼宇自控系

23、统的现场控制级网络进行了定义，而楼宇自控系统网络的标准化进程并不满足于现场控制级网络的公开化和标准化，而进一步追求整体通信解决方案的标准化。 长期以来，众多厂家各自不同的专有协议阻碍了BAS系统的发展。一个不具备开放性、不能实现互操作的系统给系统的运行、维护和升级改造带来不便。因此，用户期望不同厂家的产品能使用同一种标准通信语言，实现互操作和开放性。 . 受上世纪70年代能源危机的影响，在楼宇自控系统中，空调与冷热源系统（ HVAC&R）最先意识到开放性标准的重要性。 1987年，在美国纽约召开了由楼宇自控领域专家组成的关于“标准化能量管理系统协议”的圆桌会议，会议决定由ASHRAE资

24、助制定一个标准楼宇自控网络数据通信协议。. 通过定义工作站级通讯网络的标准通信协议，以取消不同厂商工作站之间的专有网关，将不同厂商、不同功能的产品集成在一个系统中，并实现各厂商设备的互操作，从而实现整个楼宇控制系统的标准化和开放化。. 1987.1 ASHRAE 发起成立SPC135p 委员会-Standard Project Committee 135p 1991.8 第一个公开评审草案标准 1994.3 第二个公开评审草案标准 1995.3 第三个公开评审草案标准 1995.6 正式成为 ASHRAE 标准 1995.12 被批准为美国国家标准，并正式命名为ANSI/ASHRAE 135-

25、1995标准 2002.1 正式发布新版本 ANSI/ASHRAE 135-2001标准 2003.1.18 成为 ISO 的正式标准 ISO16484-5. BMA - BACnet 制造商协会 非赢利性学术组织，致力于推进楼控系统的开放，通过互操作性试验、教学媒体和奖励活动，促进BACnet在楼宇自控系统中 的成功应用。 BTL - BACnet 测试实验室 负责检验产品是否符合 BTL 基于 ASHRAE 标准的要求， 符合 BTL 要求的产品才能进入BTL 列表， 并向行业发布符合 BACnet 标准的产品。 的一个相关标准 - “ASHRAE 135.1P BACnet 一致性测试方

26、法”就是由该机构授权。. BACnet是由多个楼宇自控系统产品供应商共同达成的应用于楼宇自控领域的一种数据通信协议标准。 BACnet协议提供了楼宇自控系统实现互操作的方法，详细地阐述了楼宇自控网络系统的功能，阐明了有关系统组成单元如何共享数据、可以使用何种的功能以及信息格式、通讯媒介等方面的全部规则。 . 对象是楼宇自控设备的模型化和抽象化的描述。 对象为不同属性（Property）组成的集合，实质上就是一个由数据项组成的数据结构。 对象的属性是楼宇自控设备互操作过程中所表现的外部特性的反映。.BACnet在1995年的第一个正式版本中定义了18种标准对象。.应 用 层网 络 层 ISO 8

27、802-2(IEEE802.2)类 型 1 MS/TP（ 主 从 /令 牌 传 递 ） PTP（ 点 到 点 协 议 ） ISO 8802-3（ IEEE 802.3）ARCNETLonTalk EIA-485（ RS485) EIA-232（ RS232）应 用 层网 络 层 数 据链 路 层物 理 层的 协 议 层 次对 应 的OSI层 次.S 在楼宇自控网络环境中， “对象”作为一个抽象的互操作接口，楼宇设备间的互操作可以看作是BACnet对象之间的信息交换。 对对象的访问必须定义操作的“命令”或“消息”，这种“命令”或“消息”就定义为“服务”。 通过“服务” ，BACnet设备就可以读

28、/写另一个设备的数据，或命令另一个设备执行某些操作。. BACnet在1995年的第一个正式版本中定义了35个“服务”，分为6个功能组：对象访问服务组（Object Access Services ）；远程设备管理服务组（Remote Device Management Services） ；文件访问服务组（ Services） ；安全服务组（Safety Services）；报警和事件服务组（Alarm and Event Services）;1.虚拟终端服务组（ Virtual Terminal Services）。. BACnet网络层位于多种局域网技术之上，其作用是屏蔽不同局域网的差异

29、，并向应用层提供统一的“视图”。 BACnet 网络层的互联设备包括BACnet路由器和半路由器，其作用是连接BACnet网络，形成BACnet互联网络。.BACnet互联网结构. BACnet局域网的作用是传输BACnet服务数据单元。 BACnet标准根据性能价格比定义了四种局域网和一种远程连接技术。.BACnet标准的概括 综上所述， BACnet标准可概括为如下等式：BACnet标准对象模型应用层服务网络层多种局域网.专用于楼宇自控网络完全开放，技术先进被许多标准组织接收为标准，具有广泛的权威性不依赖于现有的局域网或广域网技术，具有良好的互连特性具有良好的伸缩性具有良好的扩展性 .BA

30、Cnet网关互连示意图. BACnet一经问世就得到了业界的广泛关注。 目前几乎全球所有主要的楼宇设备厂商都支持BACnet标准，有80多个厂商和开发商申请了BACnet Vendor ID（ BACnet 厂商标识号）。. BACnet标准最早大规模应用的工程是：美国公用事务管理局管理的Philip Burton联邦大楼，即所谓的“金门450工程”。 据BMA统计， 已在全球82个国家和地区得到使用。.KNX总线标准 EIB (European installation bus) 作为第一个专门应用于电气安装、房屋自动化和安全系统等领域的开放性标准，近年来在国内外场馆照明、智能家居、大范围电气控制等功能型建筑应用中获得巨大成功。但EIB作为一个标准在普通民用建筑、暖通空调和安全技术等领域的推广并不成功。 KNX总线标准以EIB标准为基础，并融合了欧洲另外两个著名总线标准BatiBUS和EHS在配置机制和物理媒介方面的部分内容而形成。 .KNX结构模型.KNX与LON、BACnet、以太网的关系 .网关技术 从一般通讯原理的角度，网关又称为网间连接器或协议转换器，是实现不同协议网络互联的首要手段。 在楼宇自控系统中，我们将一切实现不同协议系统的互连设备或标准统称为网关（底层设备网关、管理层集成网关等）。.OPC 标准 OPC是英文OLE for Proce