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如何设计楼宇自控系统?

发布时间:2021-04-25 9:29

楼宇自控系统是建筑物设备自动控制系统的简称。施工设备主要是指为施工服务,并为人们提供基本生活环境(风、水、电)所需的大量机电设备,如暖通空调设备、照明设备、变配电设备、给排水设备等,这些设备都是通过实现施工设备的自动化控制,达到合理使用,节约能源,节约人力,保证设备安全运行的目的。

在过去的几年里,人们提到的楼宇自控系统,主要是指建筑物内暖通空调设备的自动控制系统,它包含了建筑物内所有可控制的机电设备,并且已经成为”智能建筑”不可缺少的基础环节。建筑自控系统的发展也是从无到有,从低层次到高层次的发展过程,实质上是一个工业控制系统发展的缩影。伴随着信息技术、网络技术、计算机技术、通信技术、显示技术、半导体集成技术、控制技术、表面安装技术以及其他高科技的发展,楼宇自控系统将会有很大的发展,如:

1.分布式控制系统是现阶段楼宇自控系统的主流;

2.现场总线技术是分布式控制系统的发展方向;

3.VLAN、TCP/IP等网络技术应用于楼宇自控系统中,实现网络化;

4.通用控制器与智能仪表的结合;

5.广泛运用基于状态空间法的现代控制理论来解决建筑物的自控问题,取得了良好的效果;

6.系统集成技术不断进步,OPC、ODBC等技术得到广泛应用;

7.改进了人机界面,改善了操作环境,符合人机工程学的基本原理。

在一般民用建筑(对有特殊工艺要求的建筑可能不完全适用),如建设部要求的深度设计中的楼宇自控系统(BAS)设计时,设计院至少应完成以下工作:

(1)全面理解受控对象的工艺要求,编制相应的控制原理图;

(2)控制对象类型统计(或控制器输入/输出状态点表);

(3)网络规划控制设计;

(4)平面布线规划方案;

(5)设计描述。

承包方(或供应商)应根据设计院的设计要求,进一步深化施工图设计,包括提供产品规格、材料、接线、安装和维修等技术文件,并负责最后安装(或指导安装)、调试和验收申请。

但是从目前众多工程的实施情况来看效果并不理想.有调查显示:用户对楼宇自控系统运行评价中,“满意”占30%,“一般”占40%,“差”占30%。为此,本文从专业设计的实际情况出发,对设计中容易出现的问题进行反思,以供参考。

二、若干问题

2.1不清楚受控对象的过程要求是什么

当前,电气工程师(或自控工程师)对其它专业受控对象的工艺要求了解比较肤浅,甚至存在认识上的错误,导致BAS运行效果不佳的情况屡见不鲜,其中暖通空调系统占较大比例,以下是工程中容易出现的一些实际问题,如:

(1)设备专业规范《采暖通风与空气调节设计规范》(GBJl9-87),曾全面规定了舒适度空调的室内参数:

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注意:当使用紊乱部件时没有特殊要求。舒适空调的相对湿漫性可以不受限制。

值得注意的是,以上数据仅指设计基础的取值范围,并不包括控制对象允许变动的范围,而对民用建筑舒适性空调设计一般不提供空调精度要求。空调机设计依据的选择十分重要,实际工程应由设备工程师结合我国气候特点和国情分析研究,谨慎确定,选择不利不仅会对投资、运行、能耗产生负面影响,而且会危害人员健康。

(2)对夏季、冬季和过渡季节的了解程度不够。空调器所指的夏季、冬季和过渡季的控制参数,是按夏季、冬季和过渡季三种状态划分的三种工况,对应于相应的工作环境参数,如温度、湿度或焓值等,如果仅仅根据它们的实际季节变化简单理解,往往使空调器得到的控制效果并不理想。

(3)暖通空调自控系统,其精髓在于对空调过程中的”定”与”变”二字的把握。根据不同管路、不同工况下的”定风量(或定流量)”或”变风量(或变流量)”的特点,往往不能设计出自控系统,例如,制冷机冷冻/冷却循环水的定流量;新风处理机组一般的定新风量;空调机组的变新风量(或定新风比)和变新风比,等等。

(4)新风处理机组大多采用“定风量”设计,电控工程师对此往往不够重视,在新风阀的控制上一般只要求位式控制,新风阀多采用双向单相(AC220V/AC24V,三线)电机或电动执行器位式控制;为盘管防冻新风阀设计成与送风机联动;为防止风阀压差过大而无法开启,通常先开新风阀,后开送风机,停风机即关阀。

(5)只有具有新风预热器、混合点(或湿化状态点)有可能低于0℃,或在冬季过渡季节要求新风完全运转且新风温度可能低于0℃的空气处理机组,才有必要考虑运行中的防冻问题,如新风阀与机组联动等防冻措施。

(6)为保证基本的室内空气品质,可采用CO2浓度在控制室内测定法。但是事实上暖通空调专业往往是通过设计来确定最小新风量或换气次数,如果只是用简单的启停机组控制室内CO2浓度,没有必要;否则涉及变风量控制,控制比较复杂,投资也比较大。

2.2控制原理的描述不全面,控制对象的类型统计不具体

在设计图纸上看到的控制原理往往是千篇一律,无法根据具体的工程实际做到有的放矢。控制对象的种类往往不能简单地局限于AI、AO、DI、DO四种状态,尤其是施工图应反映各状态下不同信号特征的电特性,以便进行控制模块的选择。

2.3  IBMS和BAS以及集成概念不明确

IBM管理系统和BAS应该是两个层次的概念,BAS表现为控制子系统之间网络通信的互联,IBM管理系统表现为网络信息系统的整合,即IBM管理系统表现为集成的概念。通常在设计中比较重视对控制子系统之间控制功能联系的描述,这通常称为集成设计,指的是信息系统集成。根据用户的需求,进行了运营维护管理业务模式的规划设计,IBMS和BAS共享管理工作站。

(1)服务模块—-提供性能优良的服务环境。

现代化的智能大厦在应用楼宇自控系统后,可以根据季节、空气状况的变化,通过调节新风阀的开度等手段,对空调机组、新风机组的送风温度进行自动控制,并能针对不同区域提供最佳的温湿度控制,保证各区域的环境参数。中央控制室为用户提供了一个观察整个系统运行状态的窗口,通过测量实际信息,可以实时显示和存储温度、压力、流量等重要信息,使操作人员能够对某一段时间内某一变量的变化情况做出趋势预测,提前做出有效反应,从而保证整个系统的正常运行。多个运行服务功能的软件规划。

(2)节能模块—-降低能源消耗和管理成本。

楼宇自控系统在满足舒适度的前提下,通过合理地组织设备运行,使建筑运行费用最小化,即通过系统优化控制来降低能耗。安装了节能程序的系统软件,可根据季节变化、人员流量和空气流量,对各区域温度进行合理调节,控制设备的合理运行,使建筑物能耗最小化,并可对建筑物运行一至两年后的历史运行数据进行分析,提供优化调整,使建筑物能耗进一步降低。多个运行节能措施的软件规划。

(3)安全模块—-为突发故障提供预防措施。

若现代智能大厦机电设备突然失灵而导致停机,将给大厦带来严重后果。楼宇自控系统可以通过以下方式防止这一情况的发生:

①随时检查设备的实际负荷和额定负荷,发现设备负荷过大时,立即自动卸载,同时向中控室发出报警信号,以防损坏贵重设备。

②监控设备的运行状态,一旦发现其中某个设备运行异常,立即报警通知维修人员去查看,以免造成更大范围的设备故障。

③自动记录设备累计运行小时数。累积值达到规定维修时间后,自动向中控室报告,及时提醒设备维修。

④当一组设备中的一台发生故障不能继续工作时,就自动切换到备用设备;同时,在暂时停电的情况下,在恢复供电后,系统会自动执行顺序启动程序,以确保设备顺利投入运行,避免对设备造成损害。

现代智能大厦采用上述检测、报警和处理方式,对机电设备的突发故障进行有效预防,确保了设备和财产的安全。

(4)维修单元——提高设备运行效率,减少管理人员。

监控、诊断、记录设备运行状况,及早发现并排除故障,及时通知维修保养,确保设备始终处于良好的工作状态。

楼宇自制系统对设备进行有效的监控,可以使设备失效率大大降低,同时还能使维修工人更有效率地工作,减少维修人员的数量;采用综合管理方法,尽可能减少操作、值班和管理人员。

(5)扩展模块——该系统具有良好的扩展性,能够满足未来扩展的需要。

在选择系统时应始终遵循标准化、开放性的原则,系统容量可有适当的冗余,以适应以后的扩展。并且要保证与其他系统的兼容,可以方便地实现网络信息共享。

(6)仿真模块——该系统具有自学功能,可进行人员培训、资料管理等。

2.4各系统设计界面不够周到、清晰

作为建筑物的重要组成部分,楼宇自控系统的功能实现已相当成熟和完善,但在系统实施过程中,常因系统界面存在问题而导致系统最终功能不完善,出现丢项、甩项等情况。

因设计界面的问题牵扯面较多,涉及到暖通空调、给排水、变配电等多个专业,工程实施中涉及到。所以在工程设计之前,要对界面的设计问题做清楚,很有必要。

另一方面,把界面设计问题搞清楚,可以使业主在工程开工前或设备安装前,都能清楚地了解界面界面界面的要求,从而达到楼宇自控系统的完整。

◎明确各方责任和工作内容,避免在发生矛盾时相互扯皮。

◎保证了整个系统设计的功能完全实现,避免了资金浪费。

(1)与调节/控制气阀和水阀接口的设计。

常规系统中的抽水阀和水阀的规格和控制方式,由设备工程师根据实际情况进行计算。所以,风阀和水阀的调整/控制设计应该是和设备工程师合作,了解风阀和水阀的电动操作机构,配置相应的控制器。在实际工程设计中,招标前风阀和水阀的电动操作机构常常难以精确确定,DDC的输出类型也很难确定。

还有一种情况,当调节阀由控制工程师选用时,需要设备工程师提出控制工况的要求,控制工程师应根据管径计算确定调节阀规格和控制方式。

气门控制应根据工作条件要求,选用电动操作机构或配有电位器。

(2)、与配电控制箱的设计界面

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◎配电控制箱内设置本地远程转换开关和控制隔离中间继电器(无源或有源AC220V,见下图),采用本地手动控制,远程由BAS的DDC向配电控制设备发送遥控启动/停止信号,接收风机运行状态、过载状态、远程远程远程控制开关状态信号。

◎局部DDC的电源(AC220V)由配电控制箱提供,上图DDC的主动控制和被动控制两种方式,由于有时配电控制回路没有设置控制隔离变压器,所以DDC的主动控制触点可以直接接人AC220V回路,因此笔者认为最好是不与其它控制线路共用敷设;另一方面,自控系统的控制电源最好是由自己提供,避免发生扯皮现象。

在采购配电控制箱前,需要提出上述要求,以方便厂家加工。

(3)与制冷机组、电梯等自带控制装置的设计接口。

其一是用干接点的方式将监测信号与BAS的DDC连接起来,其二是用通信接口连接成点到点或总线连接起来。干接点方式实现起来比较简单,也比较可靠,其缺点是采集的信息量较少;通过通信接口可以克服干接点方式的缺点,但实现起来比较困难,受到通信协议是否规范、厂商是否开放编码表等因素的限制。

(4)、设计接口系统中的遥控单元、智能仪表或开关、照明控制单元、电参数变送器等自动装置,与变配电、照明等系统的设计接口系统一样,应采用强电设计选配,并预先安装在配电箱或照明箱中。

2.5网络结构规划设计缺乏合理性

设计单位通常对楼宇自控系统设备未进行招标前,对楼宇自控网络架构的规划和设计不十分明确,DDC的布局比较随意,只注重控制原理和点表,网架形式、实施标准、设备配置标准选择等方面的设计相对薄弱。

如今,提起”Bus(总线)”、”Network(网络)”,可谓名声大振,令人瞩目。但是,“FieldBus(DCS)、PLC、工业PC、CNC等工业控制系统中的工业控制系统中的自动仪表和过程控制自动化系统由于其对工业控制系统的巨大影响,已经成为世界的“热点”。很久以前就有人将现场总线描述为”21世纪的过程控制总线”,”自动化控制领域开创了一个新纪元一一现场总线控制系统”。当前,现场总线技术已广泛应用于楼宇各自动控制系统中,随着工业控制计算机和网络技术在楼宇中的广泛应用,现场总线技术必将成为“智能建筑”领域的主要发展方向之一。

随着信息技术的不断发展,BAS已经成为Internet/Intranet网络不可或缺的一部分。建筑物内部两层自控系统的网络结构也将随之改变,DDC以上的物理连接可以通过建筑物内综合布线系统来完成,利用VLAN技术,可以基于TCP/IP和其他系统共享LAN,通过OPC标准通信协议实现系统接口互连。

三、结论

要使楼宇自控系统功能得到充分发挥,需要设计单位细致的设计论证,需要统一规划,需要工程施工单位精心施工,更需要系统集成商以高度负责的态度,从用户的角度,为每个项目选择一个适合自身的功能配置,甲方也应尽早配备相应的工程技术人员,加入到项目实施中,这样才有利于项目的验收和系统的运行维护,从而真正发挥楼宇自控系统的作用,创造良好的社会经济效益。

另外,电气工程师或控制工程师虽然很难全面掌握相关专业知识,但为了便于与设备等相关专业工程师进行沟通,使设计的控制系统符合使用条件,并能正常、合理地运行,就需要了解一些概念知识,在当前的设计行业中,为了尽早消除专业相关环节之间的”灰色地带”,关系到系统的成败。

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