樓宇自控基礎1

1、樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇施耐德電氣TAC孫靖樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇主要內容主要內容 樓宇自控概述 自動控制原理及集散控制系統(tǒng) BA主流技術簡介 LonWorks BACnet OPC C/S & B/S樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇主要內容主要內容 樓宇自控概述 自動控制原理及集散控制系統(tǒng) BA主流技術簡介 LonWorks BACnet OPC C/S & B/S樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇什么是樓宇自控系統(tǒng)什么是樓宇自控系統(tǒng)樓宇自控系統(tǒng)（BAS-Build

2、ing Automation System）又稱為建筑設備自動化系統(tǒng)，它是在綜合運用自動控制、計算機、通信、傳感器等技術的基礎上，實現建筑物設備和實施的有效控制與管理，保證建筑設施的節(jié)能、高效、可靠、安全運行，滿足廣大使用者的需求。 樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇采用樓宇自控系統(tǒng)采用樓宇自控系統(tǒng) 是大型建筑物監(jiān)控的必然趨勢是大型建筑物監(jiān)控的必然趨勢 建筑物規(guī)模的增大（高度與面積） 建筑物的多功能使用 使用者對建筑物的服務要求多樣化（環(huán)境的舒適性、溝通的便捷性、生存空間的安全性、設施服務的完善性、管理組織的嚴密性等） 服務性能要求日趨提高 建筑物內部建筑設備的復雜性（V

3、AV、群控、節(jié)能等）樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇廣義廣義BA系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇狹義狹義BA系統(tǒng)系統(tǒng)國外消防、安保等系統(tǒng)都屬于BA的子項，但國內考慮到安全性、行業(yè)劃分等原因，屬于獨立的系統(tǒng)。停車場控制與廣播控制系統(tǒng)一般也自成系統(tǒng)。國內狹義的BA系統(tǒng)主要包括電力供應與管理系統(tǒng)、照明控制管理系統(tǒng)和環(huán)境控制與管理系統(tǒng)等由各系統(tǒng)承包商利用DDC控制器或PLC控制器對其進行監(jiān)控和管理的子系統(tǒng)。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BA系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能 設備運行監(jiān)控 節(jié)能控制 設備信息管理與分析樓宇自控基

4、礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇設備運行監(jiān)控設備運行監(jiān)控 利用分散在控制現場的控制器完成設備本身的控制。 通過現場總線實現設備之間的通訊和互操作。 中央控制站集中顯示和管理各控制點的狀態(tài)和參數，并對整個系統(tǒng)進行控制和配置。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇設備運行監(jiān)控的作用設備運行監(jiān)控的作用 自動、遠程控制，減少人力 加快系統(tǒng)響應時間 提高控制精度 方便物業(yè)人員對整個系統(tǒng)的把握 發(fā)生故障時自動報警進行處理樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇節(jié)能控制節(jié)能控制能耗分析能耗分析建筑物的能耗達整個國家能耗總量的27.4%（其中公共建筑物約占10%

5、）。目前我國年平均能耗150200Kw.h/m2，而歐洲6065Kw.h/m2。建筑物的能耗則體現在建筑設備的能耗上。冷熱源與空調49%給排水15%廚房電器5%照明18%其余6%電梯7%給排水冷熱源與空調照明電梯廚房電器其余樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BAS的有效節(jié)能手段的有效節(jié)能手段 最優(yōu)設備投運臺數控制 最優(yōu)啟?？刂?焓值控制 工作面照度自動控制 公共區(qū)域分區(qū)照明控制 供水系統(tǒng)壓力控制 溫度自適應設定控制 VAV 冰蓄冷等樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BAS的節(jié)能控制效果的節(jié)能控制效果 通過有效控制可節(jié)約建筑物20%左右的能耗 有效地使

6、用和發(fā)揮BA系統(tǒng)的功能，降低能耗保護環(huán)境，是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要實施環(huán)節(jié) 節(jié)能控制方式能有效地減少設備的運行時間，降低設備的磨損與事故發(fā)生率，大大延長了設備的壽命，其間接減少設備維護與更新費用的作用也是巨大的樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BA的觀念轉變的觀念轉變 BA發(fā)展初期，人們認識到，由于BA系統(tǒng)收集到大量數據，為充分利用這些數據，增加利潤，許多BA廠商開始致力于推廣能源分析與管理系統(tǒng)、在線故障診斷等高端應用。（功能拉動應用） 但是歐洲從能源危機后，許多國家開始重視能源管理，推出了許多能源審計和能源標準。目前，歐美能源管理的需求反過來促進了BA的發(fā)展。（需求推進應

7、用） BA系統(tǒng)在能源管理與控制方面的許多應用已經突破了BA本身的控制內容，進一步滲透到建筑結構、暖通設計、照明設備等的設計、改造領域。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇設備信息綜合運用水平設備信息綜合運用水平 國內BA系統(tǒng)的設計目標大多定位在運行控制與管理，對建筑設備與系統(tǒng)狀態(tài)檢測點的確定僅是運行控制所必需的信息，功能以運行監(jiān)控為主 如果不能全面及時地掌握各設備系統(tǒng)的信息，就不能進行綜合分析，不能進行故障診斷，尤其是對于漸發(fā)性的故障不能提出預警 設備運行信息的綜合分析有利于物業(yè)設施管理的設備故障診斷、設備運行狀態(tài)優(yōu)化、設備維護保養(yǎng)、降低設備能耗、提高服務質量等諸多工作項目

8、樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇主要內容主要內容 樓宇自控概述 自動控制原理及集散控制系統(tǒng) BA主流技術簡介 LonWorks BACnet OPC樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇直接數字控制系統(tǒng)的組成直接數字控制系統(tǒng)的組成樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)閉環(huán)計算機控制系統(tǒng)樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇PID（比例（比例/積分積分/微分）控制算法微分）控制算法 模擬調節(jié)器的理想PID算法： 計算機系統(tǒng)中的差分PID控制算法：tdipdttdeTdtteTteKtu0)()(1)(

9、)(kjdipTkekeTTjeTkeKku0) 1()()(1)()(e(t)：偏差u(t)：控制量Kp：比例放大系數Ti：積分時間常數Td：微分時間常數e(k)：第k次采樣所得偏差值e(k-1)：第k-1次采樣所得偏差值u(k)：第k時刻的控制量樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇PID的幾種控制效果的幾種控制效果樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇繼電器控制算法繼電器控制算法樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇集中控制系統(tǒng)的不足集中控制系統(tǒng)的不足整個系統(tǒng)的控制、管理依賴于中央控制站，一旦中央控制站崩潰，整個系統(tǒng)將陷入癱瘓；全部控

10、制運算功能由中央控制站控制主機完成，對控制主機中斷優(yōu)先級、分時多任務操作等控制都提出了極高的要求，同時控制主機的運算處理能力限制了整個控制系統(tǒng)的規(guī)模和實時響應能力；所有現場采集的數據都要通過網絡系統(tǒng)傳送給控制主機進行處理，然后由控制主機發(fā)出命令指揮現場執(zhí)行機構的動作，信息傳輸線路長、網絡傳輸數據量大，當系統(tǒng)監(jiān)控點數較多時實時響應能力差。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇集散控制系統(tǒng)集散控制系統(tǒng)基本思想：集中管理、分散控制樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇集散控制系統(tǒng)的組成集散控制系統(tǒng)的組成操作管理裝置通訊裝置分散過程控制裝置樓宇自控基礎樓宇自控基礎自

11、動控制及網絡篇自動控制及網絡篇集散控制系統(tǒng)的發(fā)展集散控制系統(tǒng)的發(fā)展70年代，以Honeywell TDC-2000為代表的第一代產品（分散過程控制器、良好的人機界面、數字通訊系統(tǒng)）；第二代DCS產品最主要的改進是從主從式星型結構轉變?yōu)閷Φ鹊目偩€結構（算法擴充、過程操作范圍擴大、多處理器應用）；第三代DCS產品向上能與MAP與Ethernet接口，相下支持現場總線，從而打破了“信息孤島”（算法上增加了自適應、自整定等功能，支持第三方應用軟件）。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇DCSDCS層次結構層次結構 操作員站（圖形/系統(tǒng)組態(tài)、數據分析與決策、報表生成與報警） 數據通訊

12、（分層結構滿足不同場合的需求） 分散過程處理裝置（數學運算、邏輯運算、時間控制、輸入輸出控制、PID運算、專用處理模塊等）樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇主要內容主要內容樓宇自控概述自動控制原理及集散控制系統(tǒng)BA主流技術簡介 LonWorks BACnet OPC C/S .&. B/S樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇典型樓宇自控網絡系統(tǒng)典型樓宇自控網絡系統(tǒng)樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇名稱通訊速率 通訊距離Bitbus62.5Kbit/s2.4Mbit/s30m1.2kmProfibus500Kbit/s1.2

13、kmHART3updates/s3kmCAN1Mbit/s110kmL29.61500Kbit/s9.6kmModbus9.9K10M bit/s450m1.5kmSDS125Kbit/s500mControlNet5Mbit/s330kmFF31.25Kbit/s2.5Mbit/s500m1/9kmLonWorks78.8k/1.25Mbit/s130m2.7km現場總線常見類型現場總線常見類型樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇LON總線的基本概念總線的基本概念LON: 全稱為Local Operating Networks，即局部操作網絡。是由美國Echelon公司推

14、出的，是目前最流行的現場總線之一LonWorks: 是Echelon公司為支持LON總線的設計而開發(fā)的一整套完整的開發(fā)平臺LonTalk: 是LonWorks中使用的開放式通信協(xié)議，其最大特點是對ISO/OSI七層參考模型的完全支持LonMark: 是與Echelon公司無關的LonWorks用戶標準化組織，按照LonMark設計規(guī)范設計的LonWorks產品均可非常容易地集成在一起樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇神經元芯片（神經元芯片（neuron chip）神經元芯片（neuron chip）是LonWorks技術的核心，它不僅是LON總線的通信處理器，同時也可作為

15、采集和控制的通用處理器，LonWorks技術中所有關于網絡的操作實際上都是通過它來完成的。一個神經元芯片擁有三個單元處理器。一個用于鏈路層的控制（MAC處理器）；一個用于網絡層的控制(網絡處理器)；另一個用于用戶的應用程序（應用處理器）。另外，還包括11個I/O口，這樣在一個神經元芯片上就能完成網絡和控制的功能。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇LonWorks節(jié)點節(jié)點LonWorks節(jié)點包括：應用CPU、I/O處理單元、通信處理器、 收發(fā)器和電源LonWorks兩種節(jié)點的構成形式：1）以神經元芯片為核心的控制節(jié)點：一個神經元芯片幾乎包含了一個現場節(jié)點的大部分功能模塊應用

16、CPU、I/O處理單元、通信處理器，因此，一個神經元芯片加上收發(fā)器便可構成一個典型的現場控制節(jié)點。2）采用MIP（Host Base）結構的控制節(jié)點：對于一些復雜的控制，可將神經元芯片作為通信協(xié)處理器，用高級主機資源來完成復雜的測控功能，從而提高節(jié)點的運算、控制能力。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇路由設備在路由設備在LonWorks技術中的作用技術中的作用正是由于路由設備的使用，使LON總線突破傳統(tǒng)現場總線的限制不受通信介質、通信距離、通信速率的限制。在LonWorks技術中，路由設備包括以下幾種：中繼器、橋接器、路由器。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控

17、制及網絡篇LonWorks控制網絡的基本要素控制網絡的基本要素Lon網絡服務器LNS NSS網絡服務服務器 NSI網絡服務器接口 LCA對象服務器 LCA數據服務器工作站通訊接口(PCLTA、SLTA等; LonMaker)通訊通道路由器子網節(jié)點樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇1.25Mbps 雙絞線到網絡管理工具1.25Mbps 雙絞線電力線1.25Mbps 雙絞線到電力線LonMark典型典型LON網絡示意圖網絡示意圖樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇LonWorks技術特點包括技術特點包括在一個神經元芯片上可以完成網絡和控制的功能。支持多種通

18、信介質（雙絞線、電力線、光纖、無線等），以及它們的互連。LonTalk是支持ISO/OSI七層參考模型，提供了一個固化在神經元芯片內的網絡操作系統(tǒng)。提供給使用者一個完整的開發(fā)平臺，這包括現場調試工具LonBuilder、協(xié)議分析工具、網絡開發(fā)語言Nenron C等。由于支持面向對象的編程（網絡變量NV），從而很容易實現網絡的互操作。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BACnet: 樓宇自動控制網絡數據通訊協(xié)議（即: A Date Communication Protocol for Building Automation and Control Networks，簡稱BA

19、Cnet協(xié)議）由美國暖通、空調和制冷工程師協(xié)會(ASHRAE ) 組織的 標準項目委員會135P (Stand Project Committee: SPC135P)歷經八年半時間開發(fā)的。 協(xié)議是針對采暖、通風、空調、制冷控制設備所設計的，同時也為其他樓宇控制系統(tǒng)（例如照明、安保、消防等系統(tǒng)）的集成提供一個基本原則。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇隨著信息技術及整個信息產業(yè)的發(fā)展，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）正朝集成化、智能化和網絡化方向邁進?，F場總線僅對樓宇自控系統(tǒng)的現場控制級網絡進行了定義，而樓宇自控系統(tǒng)網絡的標準化進程并不滿足于現場控制級網絡的公開化和標準化，而進一步

20、追求整體通信解決方案的標準化。長期以來，眾多廠家各自不同的專有協(xié)議阻礙了BAS系統(tǒng)的發(fā)展。一個不具備開放性、不能實現互操作的系統(tǒng)給系統(tǒng)的運行、維護和升級改造帶來不便。因此，用戶期望不同廠家的產品能使用同一種標準通信語言，實現互操作和開放性。 樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇受上世紀70年代能源危機的影響，在樓宇自控系統(tǒng)中，空調與冷熱源系統(tǒng)（ HVAC&R）最先意識到開放性標準的重要性。1987年，在美國紐約召開了由樓宇自控領域專家組成的關于“標準化能量管理系統(tǒng)協(xié)議”的圓桌會議，會議決定由ASHRAE資助制定一個標準樓宇自控網絡數據通信協(xié)議。樓宇自控基礎樓宇自控基

21、礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇通過定義工作站級通訊網絡的標準通信協(xié)議，以取消不同廠商工作站之間的專有網關，將不同廠商、不同功能的產品集成在一個系統(tǒng)中，并實現各廠商設備的互操作，從而實現整個樓宇控制系統(tǒng)的標準化和開放化。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇1987.1 ASHRAE發(fā)起成立SPC135p委員會-Standard Project Committee 135p1991.8 第一個公開評審草案標準1994.3 第二個公開評審草案標準1995.3 第三個公開評審草案標準1995.6 正式成為 ASHRAE 標準1995.12 被批準為美國國家標準，并正式命名為AN

22、SI/ASHRAE 135-1995標準2002.1 正式發(fā)布新版本 ANSI/ASHRAE 135-2001標準2003.1.18 成為 ISO 的正式標準 ISO16484-5樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BMA - BACnet 制造商協(xié)會 非贏利性學術組織，致力于推進樓控系統(tǒng)的開放，通過互操作性試驗、教學媒體和獎勵活動，促進BACnet在樓宇自控系統(tǒng)中 的成功應用。BTL - BACnet 測試實驗室 負責檢驗產品是否符合 BTL 基于 ASHRAE 標準的要求， 符合 BTL 要求的產品才能進入BTL 列表， 并向行業(yè)發(fā)布符合 BACnet 標準的產品。 的

23、一個相關標準 - “ASHRAE 135.1P BACnet 一致性測試方法”就是由該機構授權。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇對象是樓宇自控設備的模型化和抽象化的描述。BACnet對象為不同屬性（Property）組成的集合，實質上就是一個由數據項組成的數據結構。對象的屬性是樓宇自控設備互操作過程中所表現的外部特性的反映。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇標準對象是BACnet所定義的最常用的對象，是表示具體樓宇自控設備的基本元素。實際具體的樓宇自控設備可以“映射”為不同的BACnet標準對象實例的組合。 BACnet在1995年的第一個正式版本

24、中定義了18種標準對象。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇11個“Device”對象實例 1個“Analog Input”對象實例樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇應用層網絡層 ISO 8802-2(IEEE802.2)類型1 MS/TP（主從/令牌傳遞） PTP（點到點協(xié)議） ISO 8802-3（IEEE 802.3）ARCNETLonTalk EIA-485（RS485) EIA-232（RS232）應用層網絡層 數據鏈路層物理層的協(xié)議層次對應的OSI層次樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及

25、網絡篇自動控制及網絡篇在樓宇自控網絡環(huán)境中， “對象”作為一個抽象的互操作接口，樓宇設備間的互操作可以看作是BACnet對象之間的信息交換。對BACnet對象的訪問必須定義操作的“命令”或“消息”，這種“命令”或“消息”就定義為“服務”。通過“服務” ，BACnet設備就可以讀/寫另一個設備的數據，或命令另一個設備執(zhí)行某些操作。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BACnet在1995年的第一個正式版本中定義了35個“服務”，分為6個功能組： 對象訪問服務組（Object Access Services ）； 遠程設備管理服務組（Remote Device Manageme

26、nt Services） ； 文件訪問服務組（File Access Services） ； 安全服務組（Safety Services）； 報警和事件服務組（Alarm and Event Services）; 虛擬終端服務組（ Virtual Terminal Services）。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇 BACnet網絡層位于多種局域網技術之上，其作用是屏蔽不同局域網的差異，并向應用層提供統(tǒng)一的“視圖”。BACnet 網絡層的互聯設備包括BACnet路由器和半路由器，其作用是連接BACnet網絡，形成BACnet互聯網絡。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及

27、網絡篇自動控制及網絡篇BACnet互聯網結構樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇BACnet局域網的作用是傳輸BACnet服務數據單元。BACnet標準根據性能價格比定義了四種局域網和一種遠程連接技術。樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇綜上所述， BACnet標準可概括為：BACnet標準對象模型應用層服務網絡層多種局域網樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇樓宇自控基

28、礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇Native 內部以及對外的通訊均為 BACnet 所有 BACnet 設備制造商 均可將他們的設備全透明、無縫地接入網絡的任何一個級別 為業(yè)主提供最大限度的、長時間的自主性Gateway 網關通常只支持有限量的信息 (點) 信息量的不同，向用戶的收費不同 每次新增信息點都需修改網關軟件 掛在網關后面的設備仍使用由單一制造商提供的私有協(xié)議進行通訊樓宇自控基礎樓宇自控基礎自動控制及網絡篇自動控制及網絡篇OPC是英文OLE for Process Control的縮寫，意為過程控制中的對象嵌入技術，是一項工業(yè)技術規(guī)范與標準。 OPC標準是開發(fā)者在Windows的對象鏈接嵌入（OLE, Object Linking and Embedding）、部件對象模塊（COM, Component Object Model）、分布部件對象模塊（DCOM, Distributed Component O