楼宇自动化控制技术基础培训课程

第二章楼宇自动化控制技术基础2.1检测技术与常用传感器

检测技术概述

2.2楼宇自动化系统常用传感器楼宇自控中常用的传感器有如下几种：(1)温度传感器温度传感器用于测量水管或风管中介质的温度，以此来控制相应的水泵、风机、阀门和风门等执行元件的开度。(2)湿度传感器湿度传感器用于测量风道中介质的湿度，以此来控制相应的加湿阀的开度。(3)压力或压差传感器压力或压差传感器主要用来检测水管或是风管中的压力和压差，以此来控制相应的变频器以调整水泵或风机的转速，或是调节比例阀门的开度。(4)流量传感器流量传感器主要是检测水系统中液体的流量，以此来控制相应水泵阀的数量。因为它们都是传感器，所以通常用来控制模拟量，其输出模拟量是0～10V或4～20A。结构是传感器和变送器的组合。除了以上常用的传感器之外，BAS中有时还会用到许多其他类型的特殊传感变送器，如用来检验空气中二氧化碳、一氧化碳浓度等的传感器，用来检测电网中电流或电压的电流电压传感器，用来检测环境明暗程度的照度传感器，还有一些是组合型的传感器，如空气品质传感器、功率因素变送器等等。2．楼宇自控中常用的控制器楼宇自控中常用的控制器有如下几种，它们输出的形式是开关量：(5)水流开关水流开关主要用来检测管道内是否有水的流动，通常应用于制冷站、热站、给排水等带有泵类的系统中。(6)液位开关液位开关主要用来检测液体的液位，如清水池和污水池的液位。

(7)连续输出的调节器2.2自动控制基本原理与系统组成2.2.1闭环控制／调节系统的组成2.2.2控制器调节特性及其选择、执行器器在气体体和液液体的的流动动控制制中，，常常常用阀阀门来来作为为介质质流动动的控控制手手段。。要想想实现现自动动化控控制就就得对对一些些阀门门、风风门等等元件件实现现自动动控制制。这这就需需要用用到阀阀门和和电动动执行行器。。1．阀门门常见的的阀门门有如如下几几种：：(1)风机盘盘管电电动阀阀这这是是一种种平衡衡式冷冷热水水阀，，主要要应用用于风风机盘盘管的的控制制中，，这类类阀所所需的的功率率最小小，是是通电电开启启的一一种阀阀门。。阀门门的开开启时时间仅仅为7s，具有有很好好的密密闭性性，流流体允允许温温度为为0～95℃℃。(2)二通螺螺纹线线性阀阀这这种种阀门门主要要应用用于供供热通通风和和空调调，也也可以以用于于饱和和水蒸蒸气。。它的的连接接方式式是采采用内内螺纹纹结构构，阀阀体是是纯铜铜材料料。它它与电电动执执行器器一起起可以以实现现连续续的开开度调调节，，是进进行自自动调调节的的主要要元件件。(3)法兰式式三通通阀这这种阀阀门主主要应应用于于供热热与空空调，，也可可以用用于饱饱和水水蒸气气。它它的连连接方方式是是采用用法兰兰结构构，阀阀体与与阀座座为一一体化化结构构，泄泄露率率极低低，适适应的的温度度为2～170℃℃。它它与与电电动动执执行行器器一一起起可可以以实实现现连连续续的的开开度度调调节节，，是是进进行行自自动动调调节节的的主主要要元元件件。。2．电电动动执执行行器器电动动执执行行器器有有如如下下几几种种：：(1)电动动阀阀门门执执行行器器这这种种执执行行器器适适用用于于HVAC阀门门(HVAC：采采暖暖、、通通风风和和空空调调)，内内带带一一个个选选择择正正反反作作用用插插头头，，用用于于提提供供模模拟拟输输出出DC0～10V的调调制制控控制制。。它它具具有有安安装装快快捷捷、、阀阀门门定定位位准准确确、、低低功功耗耗、、高高的的关关断断压压力力、、终终端端推推力力限限位位开开关关等等优优点点。。电电动动线线性性阀阀门门执执行行器器还还带带有有手手动动调调节节和和精精确确的的同同步步电电动动机机控控制制。。阀阀的的自自身身还还带带有有位位置置反反馈馈的的输输出出信信号号，，可可以以和和阀阀门门组组合合在在一一起起进进行行PID(比例例积积分分微微分分，，一一种种闭闭环环回回路路算算法法)调节节。。通通常常被被用用来来对对液液体体、、气气体体等等介介质质进进行行变变量量的的开开度度控控制制，，它它也也是是自自动动化化控控制制中中的的主主要要元元件件。。气动动薄薄膜膜调调节节阀阀的的组组成成气动动薄薄膜膜调调节节阀阀是是由由上上部部的的薄薄膜膜执执行行机机构构和和下下部部的的调调节节机机构构两两部部分分组组成成执行机构构调节机构构气动薄膜膜调节阀阀的类型型直通单座座调节阀阀三通调节节阀蝶阀高压角形形调节阀阀隔膜调节节阀直通双座座调节阀阀直通单座座调节阀阀气动薄膜膜调节阀阀三通调节节阀三通阀可可以把一一路流体体分成两两路，或或是把两两路流体体合为一一路，它它们是是在直通通单座或或双座调调节阀的的基础上上发展起起来的，，可以代代替两个个直通阀阀二位三通通电磁阀阀蝶阀蝶阀又称称为翻板板阀。其其结构如如图。它它利用挡挡板的旋旋转改变变流通面面积来控控制流量量高压角形形调节阀阀铸造成型型的角形形结构，，如图所所示。为为了延长长使用寿寿命，适适应高压压差下流流体的冲冲刷和气气蚀，阀阀芯头部部可采用用硬质合合金或可可淬硬钢钢渗铬等等，阀座座则采用用可淬硬硬钢渗铬铬隔膜调节节阀隔膜调节节阀采用用耐腐蚀蚀衬里的的阀体和和耐腐蚀蚀的隔膜膜代替阀阀芯组件件，由隔隔膜起控控制作用用，如图图所示直通双座座调节阀阀直通双座座调节阀阀的结构构如图所所示。阀阀体内有有两个阀阀芯和阀阀座，流流体从左左侧进入入，通通过阀芯芯阀座后后汇合，，从右侧侧流出直接控制制式电磁磁阀气动薄膜膜调节阀阀动态特特性和变变差气动薄膜膜调节阀阀的动态态特性Rpc减小调节节阀时间间常数的的措施是是：尽量缩短短气压信信号管线线的长度度气压信号号传送管管线的直直径要选选择得当当采用阀门门定位器器二、阀门门定位器器阀门定位位器的作作用改善调节节阀的定定位精度度控制质量量高有有利利阀杆正正确定位位使用于恶恶劣环境境较较好好的抗阻阻力使用阀门门定位器器，可以以改善阀阀的动态态特性可以很方方便地改改变调节节阀的流流量特性性应用阀门门定位器器实现分分程控制制气动阀门门定位器器气动阀门门定位器器接受气气动调节节器的输输出，并并产生与与调节器器输出成成比例的的气压信信号，去去控制气气动调节节阀，，它是按按力矩平平衡原理理工作的的电/气阀阀门定位位器电/气阀阀门定位位器接受受电动调调节器的的输出I(0－－10mA或4－20mA直流电信信号)产产生与调调节器输输出信号号成比例例的气压压信号P去控制气气动调节节阀。电气转换换器调节阀流流量特性性调节阀的的流通能能力及其其口径的的选择流通能力力的定义义是当调调节阀全全开、阀阀两端压压差为105Pa、流体密密度为1g/cm3时，每小小时流经经调节阀阀的流量量数（m3/h），用C表示。对于液体体：式中Q——体积流量量，m3/h；G——质量流量量，t/h；P1，P2——调节阀前前、后的的绝对压压力，Pa；ρ——液体密度度，g/cm3；对于蒸汽汽：当P2＞0.5P1时，蒸汽汽处于亚亚临界状状态式中G——蒸汽质量量流量，，kg/h；P1，P2——调节阀前前、后的的绝对压压力，Pa；ρ2——调节阀后后出口断断面上蒸蒸汽密度度，kg/m3；调节阀的的口径是是根据工工艺要求求的流通通能力来来确定的的，先计计算出C值后，查查调节阀阀的产品品规格说说明书，，确定调调节阀的的公称直直径（口口径）、、阀芯直直径。(2)风门执行行器这这种执行行器用于于控制风风门、通通风百叶叶窗和VAV装置的调调节、浮浮点控制制，可以以和标准准的圆形形和方形形的风门门连杆进进行连接接，被广广泛地应应用在风风门的开开度控制制，特别别是在空空气处理理机和新新风机组组的回风风阀、排排风阀、、新风阀阀中实行行PID的控制，，使之形形成一定定的比例例连锁控控制。实际的控控制回路路中，直直接数字字控制器器(DDC)常常不能能直接控控制相关关设备，，中间还还要用到到其他各各种类型型的辅助助控制器器以完成成动作，，如变频频器、继继电器等等。集散控制制系统又称分布布式控制制系统(DCS—DistributedControlSystem)，它的特特征是““集中管管理，分分散控制制”，即即以分布布在现场场被控设设备处的的各种功功能性微微机(下位机)完成被控控设备的的实时监监测、保保护与控控制。该该系统克克服了计计算机集集中控制制带来的的危险性性高度集集中和常常规仪表表控制功功能单一一的局限限性；以以安装于于中央监监控室并并具有很很强的数数字通信信、CRT显示、打打印输出出与丰富富的控制制管理软软件功能能的中央央管理计计算机(上位机)完成集中中操作、、显示与与优化控控制功能能，避免免了因常常规仪表表分散控控制而造造成的人人机联系系困难，，且便于于统一管管理。传感器/控制器群群针对水水、电、、气、报报警、消消防等终终端设施施进行检检测与控控制，一一般根据据监控需需求按类类或按组组控制。。对大型型DCS，中间还还有区域域控制中中心。2.4计算机控控制技术术分布式系系统将许许多台计计算机联联合起来来，共同同承担监监测与控控制管理理的工作作，所连连接的每每台计算算机既可可以独立立进行监监测和控控制工作作，又可可以在中中央控制制机指导导下工作作，还可可以与其其他计算算机协调调交换信信息，共共同完成成某项控控制任务务。其灵灵活性、、可靠性性要远高高于单台台控制器器。如图所示示，集散散型计算算机控制制系统主主要由四四部分构构成。1．中央管管理计算算机(或称上位位机、中中央监控控计算机机)中央管理理计算机机设置在在中央监监控室内内，它将将来自现现场设备备的所有有信息数数据集中中提供给给监控人人员，并并接至室室内的显显示设备备、记录录设备和和报警装装置等。。由于中中央管理理计算机机是整个个BAS的核心，，相当于于人的大大脑，其其重要性性是不言言而喻的的。普通通商用个个人计算算机用作作中央控控制机显显然是不不合理的的。一般般为了提提高计算算机的可可靠性通通常采用用两种方方法：一种是直直接采用用工业控控制计计算机；；另一种种就是采采用容错错计算机机。工业业控制计计算机(也称IPC)由于采用用了特殊殊的生产产工艺和和手段,其稳定性性是普通通商用PC所无法比比拟的。。而所谓谓容错计计算机就就是采用用两台普普通PC通过互为为冗余备备份的方方法来充充当中央央控制主主机，一一旦其中中一台PC出现故障障，作为为备份的的另一台台主机可可立刻被被专用的的总线控控制电路路启动，，从而不不会导致致系统瘫瘫痪。2．DDC(直接数字控控制器，亦亦称下位机机)DDC作为系统与与现场设备备的接口，，它通过分分散设置在在被控设备备的附近收收集来自现现场设备的的信息，并并能独立监监控有关现现场设备。。它通过数数据传输线线路与中央央监控室的的中央管理理监控计算算机保持通通信联系，，接受其统统一控制与与优化管理理。3．通信网络络中央管理计计算机与DDC之间的信息息传送，由由数据传输输线路(通信网络)实现，较小小规模的BAS系统可以简简单地使用用屏蔽双绞绞线作为传传输介质。。4．传感器与与执行器BAS系统的末端端为传感器器和执行器器，它被装装置在被控控设备的传传感(检测)元件和执行行元件上。。这些传感感元件如温温度传感器器、相对湿湿度传感器器、压力传传感器、流流量传感器器、电流电电压转换器器、液位检检测器、压压差器和水水流开关等等，将现场场检测到的的模拟量信信号或数字字量信号输输入至DDC，DDC则输出控制制信号传送送给继电器器、调节器器等执行元元件，对现现场被控设设备进行控控制。四、现场总线技技术集散型控制制系统还没没有从根本本上解决系系统内部的的通信问题题和分布式式问题，只只是自成封封闭系统，，以固定集集散模式和和通信约定定构成。因因此，这种种控制系统统还很难适适应智能大大厦种类繁繁多的设备备检测和控控制要求。。近年来，，专门为实实时控制而而设计的、、能在控制制层提供互互操作的现现场总线技技术逐渐成成熟，如著著名的LonWorks技术。现场总线网网络是局域域网络技术术在控制领领域的延伸伸和应用，，它是将控控制系统按按局域网络络(LAN)的方式进行行构造，用用网络节点点代替LAN中的工作站站，并将其其安装于监监控现场，，直接与各各种监控传传感器和控控制器相连连。现场总总线网中每每个节点间间可以实现现点到点的的信息传送送，具有极极其良好的的互操作性性，这样便便使整个网网络实现了了无中心的的真正的分分布式控制制模式。这这种网络集集数据采集集、分析、、控制和网网络通信为为一体，十十分适合于于智能建筑筑进行分布布式网络管管理和控制制。近年来来，楼宇自自动化正在在向着开放放系统迅速速发展。在在实时控制制方面，实实现可互相相操作的现现场总线技技术的通信信协议如LonTalk等也应运而而生，为楼楼宇自动化化中的传感感器、执行行器和控制制器之间的的网络化操操作奠定了了基础。图为一典型型现场总线线系统结构构图。其中中，NCU是网络控制制器，NCU与中央管理理计算机间间以N1总线连接，，而NCU与下位机(DDC)之间则以N2总线(现场总线网网)相连接。五、直接数字控控制器直接数字控控制器(DDC——DirectDigitalController)，又称下位位机，从某某种意义上上讲，它是是整个楼宇宇自控系统统的关键。。“控制器器”指完成成被控设备备特征参数数与过程参参数的测量量并达到控控制目标的的控制装置置。“数字字”的含义义是指该控控制器利用用数字电子子计算机来来实现其功功能要求。。“直接接”意味着着该装置在在被控设备备的附近，，无需再通通过其他装装置即可实实现上述全全部测控功功能。因此此,DDC实际上也是是一个计算算机，它应应具有可靠靠性高、控控制功能强强、可编写写程序等特特点，既能能独立监控控有关设备备，又可通通过通信网网络接受来来自中央管管理计算机机的统一控控制与优化化管理。1．DDC支持的监控控点DDC能够支持以以下不同性性质的监控控点：(1)模拟量输入入(AI)；(2)开关量输入入(DI)；(3)模拟量输出出(AO)；(4)开关量输出出(DO)。2．DDC的主要功能能DDC的主要功能能包括以下下几个方面面：(1)对第三层的的数据采样样设备进行行周期性的的数据采集集。(2)对采集的数数据进行调调整和处理理(滤波、放大大、转换)。(3)对现场采集集的数据进进行分析，，确定现场场设备的运运行状态。。(4)对现场设备备运行状况况进行检查查对比，并并对异常状状态进行报报警处理。。(5)根据现场采采集的数据据执行预定定的控制算算法(连续调节和和顺序逻辑辑控制的运运算)而获得控制制数据。(6)通过预定控控制程序完完成各种控控制功能，，包括比例例控制、比比例加积分分控制、比比例加积分分加微分控控制、开关关控制、平平均值控制制、最大/最小值控制制、焓值计计算控制、、逻辑运算算控制和连连锁控制。。(7)向第三层的的数据控制制和执行设设备输出控控制和执行行命令(执行时间、、事件响应应程序、优优化控制程程序等)。(8)通过数据网网关(DG)或网络控制制器(NCU)连接第一层层的设备，，与各上级级管理计算算机进行数数据交换，，向上传送送各项采集集数据和设设备运行状状态信息，，同时接收收各上级计计算机下达达的实时控控制指令或或参数的设设定与修改改指令。DDC拥有BAS所要求的几几乎所有功功能，基本本上已经可可以完成所所有运作，，只是在监监控的范围围和信息存存储及处理理能力上有有一定限制制。因此，，直接式数数字控制器器可以看作作是小型的的、封闭的的、模块化化的中央控控制计算机机。在很小小规模、功功能单一的的BAS中可以仅仅仅使用一到到多台控制制器完成控控制任务；；在一定规规模、功能能复杂的系系统中可以以根据不同同区域、不不同应用的的要求采用用一组控制制器完成控控制任务，，并依靠中中央管理系系统随时监监视控制和和调整控制制器运行状状态，完成成复杂周密密的控制操操作。3．常见的专专用控制器器类型常见的专用用控制器主主要包括下下述几类：：(1)空气处理机机组控制器器；(2)空调控制器器；(3)照明控制器器；(4)变风量控制制器；(5)消防报警控控制器。更常用的是是模块化控控制器。模模块化控制制器是可编编程的、以以计算机模模块为基础础的直接数数字式控制制器。其基基本结构包包括一个可可内插多个个模块的机机架，一个个计算机模模块和一个个电源供应应模块。根根据不同的的具体应用用，还可以以内插各种种不同用途途的通信模模块、辅助助控制模块块和输入/输出(Analogy/Digital)模块。2.5.3Lonworks现场总线技技术现场总线控控制技术是是计算机控控制系统中中的最新技技术，是一一种开放式式、全分布布式的网络络控制技术术。控制过过程直接面面向现场，，各现场智智能节点相相互独立，，又可相互互组态，构构成一个开开放式、全全分布式、、可扩展的的网络控制制系统。目目前，主要要有Can、Lonworks、、Ff等现场总线线技术，而而Lonworks技术是我国国工业自动动化、楼宇宇自动化等等行业领域域备受看重重的一种现现场总线技技术。Lonworks技术是由Eehelon公司开发研研制的，Lonworks技术的通信信协议称为为LonTalk通讯协议，，LonTalk通讯协议包包含ISO/OSI中所有七层层网络协议议，并固化化在Lonworks产品中，即即SmartI/O模块中的神神经元芯片片中。Lonworks技术使互操操作性变成成即插即用用的具体手手段。Lonworks技术被设计计用于实时时控制应用用，涉及领领域很广，，包括工业业过程控制制、工厂自自动化交通通运输及建建筑自动化化等。采用用Lonworks技术，使得得未来的控控制进一步步分散化，，实现现场场总线的联联网控制。。一、集中式控制制和集散式式控制方式式对比这里以PC机为上位机机的数据采采集和现场场控制系统统为例，比比较一下分分布式控制制和集中控控制的优缺缺点。从图所示的的集中控制制系统可以以看到，每每个控制对对象都是独独立地连接接到机房地地中央控制制机上，需需要大量的的连接电缆缆，占用了了大量的资资金和施工工时间，给给系统的调调试和维护护增加了难难度。因此此控制系统统的现场结结构正在向向全分布式式的无主系系统过渡，，并向神经经元控制系系统发展。。运用Lonworks技术的节点点控制器可可组成真正正的分布式式控制系统统，如图所所示。A/DD/A数字I/D变换及驱动电路空调照明电梯给排水防盗防火••••••现场典型的集中控制系统示意图节点控制器2节点控制器NLON网络适配器空调照明电梯给排水防盗防火••••••现场分布式控制系统示意图节点控制器1智能节点控控制器位于于传感器和和执行机构构所在的现现场之间，，不仅担负负I/O任务，还具具有很强的的信息处理理能力，能能单独构成成小型的控控制系统，，即单机控控制器。另另外，这些些智能节点点通过LON（局部操作网网络）和监监测节点（（PC机）进行通通信。该网网络仅需通通过双绞线线或直接利利用电源线线完成网络络通信，并并且任何的的智能节点点控制器之之间可以相相互传递信信息。可见见这种分布布式控制系系统的优点点是可大量量节省传输输线缆的敷敷设量，大大大加强了了整个系统统的可扩充充性、可维维护性，系系统网络中中全部以数数字量进行行传输，整整个网络协协议本身又又具有强大大的纠错功功能，具有有较长的传传输距离和和较强的抗抗干扰能力力，可以实实现无上位位机的全分分布式无主主工作。LON网络与LAN（LocalAreaNetwork）局域网络在在拓扑结构构上很相似似，同样具具有严格的的、标准的的通讯协议议，但二者者在应用模模式方面有有着本质的的区别，主主要有：1、LAN网络的网络络节点（即即工作站））是PC机等系统计计算机，网网络总线是是高速通信信电缆（如如同轴电缆缆或光缆等等）；而LON网络的网络络节点是一一些象火柴柴盒一样大大小的“智智能控制节节点”（即即Node），网络总线可可以是低速速的、普通通的双绞线线，或建筑筑物内现有有的电源线线等。LON技术可以理理解为局域域网络技术术在控制领领域的延伸伸和应用。。它的基本本思想是将将控制系统统按局域网网络的方式式进行构造造，用网络络节点代替替局域网络络中的工作作站，网络络节点安装装于监控现现场，直接接与各种监监控传感器器和控制器器相连。这这种网络集集数据采集集（检测））、分析、、控制（执执行）和网网络通讯为为一体，十十分适合大大型场馆、、厂矿车间间、酒店以以及现代化化家庭乃至至现代化大大型设备进进行分布式式网络管理理和控制。。二、LON节点网络和和LAN局域网络比比较2、LAN网络传输速度度较高，主要要用于传输大大块的文件数数据；LON网络传输的速速度较低，主主要应用于控控制系统传输输一些状态和和控制信息。。3、LAN网络必须有一一个中央服务务器，而LON网络无需中央央服务器，各各节点通过编编辑即可自动动协调工作，，实现无中央央控制机的自自动控制系统统（这一特点点十分适合各各种闭环自动动控制系统的的要求）。三、LonworksOEM产品——SmartNodeI/O智能节点SmartNodeI/O节点是实现面面向控制过程程的核心部件件，是体现现现成总线技术术的关键部件件。每个节点点必须具有通通信和运算控控制功能。SmartNodeI/O智能节点是应应用美国Echelon公司Lonworks技术开发的可可编程神经元元控制器系列列产品，它们们用于组成新新型的智能型型分布式控制制网络，构筑筑现场总线控控制系统。SmartNodeI/O节点作为一种种智能控制节节点，能进行行现场数据处处理，并具有有可靠的网络络通讯，方便便的功能组态态，采用单一一双绞线组网网等一系列特特点，便于实实现一个高性性能价格比的的完全分布式式控制网络。。SmartNodeI/O节点作为网络络上的节点能能独立于上位位机或其他控控制器直接进进行对等（peer－to－peer）通讯，而无需需一个中心计计算机来控制制数据交换，，这样可简化化系统配置，，方便各节点点的信息共享享，通过分散散SmartNodeI/O节点到现场传传感器/执行行器附近，可可以显著降低低控制系统的的设计、安装装、维护的复复杂性和费用用。SmartNodeI/O节点能在远程程设备上处理理信号，这样样可以给各种种控制元件间间的数据交换换提供更多的的灵活性和简简便性。SmartNodeI/O节点的固件中中装有LonTalk网络通讯协议议。LonTalk协议遵循ISO/OSI七层参考模型型，管理