楼控系统设计参考知识

楼宇自动化设计一般包括：控制方案设计、现场设备选型、控制设备选型以及控制系统网络设计等内容。

建筑设备监控系统的监控功能设计：

建筑设备监控系统的监控功能设计依据是建筑设备控制的工艺图及其技术要求。建筑设备监控系统并不能凭空创造代替建筑设备为建筑物提供服务，而是按照建筑设备运行的工艺与控制要求，通过自动控制、监视等手段来保证建筑设备的服务功能得以可靠、稳定、精确地实现。

在着手建筑设备监控系统监控功能设计前，应认真研究目标建筑物的建筑、变配电。照明、冷热源、空调通风、给排水等系统的设计图纸、工艺设计说明、设备清单等工程资料。然后针对实际工程情况，依照各监控对象的监控原理进行监控点数及系统方案设计，并完成监控点数表的制作。

监控点数表是把各类建筑设备要求的监控内容按模拟量输人(AI)、模拟量输出(AO)、数字/开关量输人(DI) 及数字/开关量输出(DO)分类，逐一列出的表格。这一表格应准确地反映建筑设备控制工艺与要求和设备实际需要配置的传感器与执行器。由监控点数表可以确定在某一区域内设备来监控的内容，从而选择现场控制器(DDC)的形式与容量。监控点数表如表1所示。

按监控点数表选择DDC时，其输入/输出端一般应留有10%-15%的余量，以备输入输出端口故障或将来有扩展需要时使用。

典型建筑设备监控系统监控点数表1

控制系统网络结构设计：

主要是对各层网络的网段、网关、总线数量及每条总线的监控范围进行设计。每条总线所能支持的控制器数量及传输距离都是有限的，因此整个系统可能需要几条总线，需要设计每条总线的监控范围。另外，整个网络系统可能分成若干网段，分管不同的系统，各网段之间的连接方式及网关功能也是网络通信系统设计的重要内容。

现场控制设备的分布及监控范围设计。对现场控制器的分布位置（在此阶段的设计中需要明确所处楼层）、监控对象及所采用的控制器型号进行设计。

通信接口设计。建筑设备监控系统需要和冷水机组等大型设备系统的专用控制器进行通信，也可能有不同厂商的产品连在同一网络中。整个建筑设备监控系统可能包括多家厂商的产品，在这种情况下，各厂商的产品之间如何进行通信,设置哪些通信接口，应在系统结构设计中得以体现。

图1 所示为典型的BA系统结构示意图

建筑设备监控系统的深化设计：

1、现场控制器监控范围的确定

每个现场控制器负责哪些设备状态的监控是建筑设备监控系统深化设计首先需要确定的内容。现场控制器监控范围设计的合理性直接影响到控制器编程的复杂性、网络的通信量以及控制器、网络通信故障时的影响范围等。

确定现场控制器监控范围时应遵循同一台（组）设备的输入输出信号接入同一个现场控制器内的原则。这样不仅能减少网络通信流量以减少总线的阻塞情况 加快系统的实时响应 更重要的是可保证在建筑设备监控系统通信装置故障或中断时，现场控制器的独立工作能力仍能保证所监控设备的正常运行。

2、确定现场控制器与建筑设备的界面

从原理上描述，现场控制器把建筑设备的各种状态信号采集进建筑设备监控系统，然后根据预定的管理、控制目标，向建筑设备发出控制命令以改变、调整建筑设备的运行状态。但是在工程上的实现并非如此简单。

首先，现场控制器需要采集和控制各种设备的运行状态及运行参数。这些状态及参数信号可以是电量的（如电压、电流）也可以是非电量的（如温度、压力、流量、CO等）。现场控制器的采集和控制工作可以通过检测器或执行器完成标准输人输出电量信号与现场设备非标准电气或非电量监控信号之间的转换从而直接实现监控功能；也可以通过通信接口与其他专用控制器相连，与其进行通信，然后由专用控制器完成对这些运行状态及参数的监控功能。对于某个体设备采用哪种监控方式应在深化设计初期予以明确。

其次，对一些设备状态的控制实现需要通过强电控制箱，弱电控制装置(DDC或PLC）一般不能直接对强电功率电器进行控制，必须通过光电隔离、继电器或电子功率驱动器（变频器或电子固态继电器等）来实现。因此，这些光电隔离器、继电器或电子功率驱动器究竟放入弱电控制箱内还是安置在设备的电控箱内 也必须在工程前期给十明确。

3、传感器与变送器的选择

现场控制器采集设备状态信号的类型可以是电量的，也可以是非电量的。但是各类状态信号都要转换成现场控制器能够接受的电信号，那就必须选择合适的传感器（变送器）把现场控制器无法接受的非电量、电量信号统一转换成可以接受的电量信号。所需检测器的类型取决于监控点的特征、现场控制器所能接受的信号类型及原始状态信号的类型。

检测器包括传感器和变送器两部分，建筑设备监控系统中常用的检测器有温度传感器、湿度传感器、压力／压差传感器、压力／压差开关、流量传感器、流量／水流开关、液位传感器、液位开关、风速传感器、焓值变送器、空气质量传感器、防冻开关、电量变送器等。传感器、变送器的选择应注意其两端信号的匹配及应用场合。以温度传感器为例 温度传感器的选择首先要明确其测量介质是水、空气、还是蒸汽；其次要明确传感器的安装位置与安装方式，室内、室外，风管或水管。并且要了解现场控制器可接受的信号类型 如直接可接受阻值信号那么可以接受什么材料，常温多少欧姆的热敏电阻传感器阻值信号（这在自动化仪表技术中称为分度号。如采用钢材料，常温下的阻值为100Ω，则标为Pt100）如要接受标准电信号，则无选择带相应变送器的温度传感器。最后，确定现场检测要求的温度检测范围和精度要求。只有准确地列清这些工作条件和参数，才能选择出合适的传感器、变频设备。

同时，这些检测信号的检出位置由设备的工艺要求确定，对建筑设备监控系统的监控精度至关重要。传感器、变速器分布的位置很广（可以是风管内、室内、室外电控箱内），应根据设备工艺要求（如流量传感器、温度传感器等设备应安装在阀前还是阀后功与检测器安装环境与工艺规定（如温度检测器的插入深度流量计的前后直管段长度与管径的倍数等）正确设计检测器的安装位置，这是建筑设备监控系统正常工作的基础之一。

4、阀门、执行机构选择

选用调节阀主要考虑流量特性与阀的通径。

流量特性：

三种流量特性如图所示。

在建筑设备监控系统中常用的理想流量特性有线性、对数和快开特性。其中，快开特性主要用于双位控制及程序控制，因此调节阀流量特性的选择通常是指如何合理选择线性和对数流量特性。正确的选择步骤是：根据过程特性，选择阀的工作特性；根据配管情况，从所需的工作特性出发，推断理想流量特性。

调节阀通径的选择：

通常在暖通设计中提供设备负荷最大流量Qmax，并给出对调节间要求的流通能力CV值。根据上述技术参数，在产品型号标准系列中选取大于 CVmax并最接近流量系数 CV值来选定阀门口径。选定后再验证调节阀开度和可调比，即要求最大流量时开度不超过90％，最小流量时阀开度不小于10％。验证合格后根据CV值确定的调节阀通径一般小于管道直径一档至两档。

电动机构是把电动机的驱动力通过齿轮传动转变为执行器直行程的力或角行程的转矩。电动执行机构选择最重要的是执行机构输出的力或力矩，必须大于调节阀所需的工作力或力矩，同时能确保调节阀的关阀力能在最不利的条件下紧密地关闭阀门。

执行器接受现场控制器的控制信号，改变控制变量（风量、水量等），使建筑设备按预定的工艺要求运行。执行器由执行机构与调节机构组成。执行机构按照现场控制器的控制信号产生推动力或位移，调节机构则在执行机构的动作下去改变控制变量。在建筑设备监控系统中的调节机构多为风阀、水阀和蒸汽阀等。

根据工程的经验 电动调节阀执行机构的推力（或称关闭压力）一般选择在0.8-1MPa（即为8-10kg/cm2）同时考虑到暖通设计值与实际工作状态值的差别，以及流体对阀芯和阀体的冲蚀。其实际工作状态的压差数值不应超过O.3MPa，如压差较高应采取相应的减压或平衡压力的工艺措施。

5、建筑设备监控系统网络通信的管线设计

目前，建筑设备监控系统现场控制级的网络通信在实际工程中并不是利用目标建筑物的综合有线系统完成的（工作站级的通信网络可以由目标建筑物的综合有线系统完成）。一般采用五类、六类线和屏蔽双绞线单独布线，且不与综合布线系统走同一桥架。因此，建筑设备监控系统现场控制级网络通信的管线需要单独设计，应在工程初期于以明确，以便与其他管线协调。

6、现场控制设备的供电方式

目前大多数建筑设备监控系统工程设计都把现场控制器DDC的工作电源就地从建筑设备的动力电源取得，以减少工程量。这种做法的理由是：如果被监控的建筑设备没有工作电源，BA系统就不必再对该设备进行监控。这种技术观点是不正确的。因为建筑设备失去工作电源，可能是局部的电源故障，也可能是全局的电源故障 无论何种原因，BA系统监控中央站都需要掌握现场的动态与情况。由于BA系统监控中央站配有UPS，在停电时仍能维持工作，如果DDC因停电而不能工作，则中央站的工作就毫无意义了。因此，所有DDC站的工作电源，都应由BA系统监控中央站的UPS供电，以便在任何一种电源故障情况下，监控中央站都能有效地通过DDC站的检测功能了解现场环境（空气温湿度、CO、水压、水温等）情况与设备故障情况，在实施事故预案处理程序时，能准确有效地调度电源、冷热源等资源，最大限度地降低事故造成的影响（这一方式需对恢复供电后的DDC有保护启动程序）。

7、与主要设备专用控制系统的通信接口

这里的主要设备是指高/低压变配电系统、发电机组、冷水／热泵机组、锅炉机组、电梯等大型建筑设备。由于这些设备本身都配有计算机控制系统，对设备内的工作状态进行全面的自动监控。如果由建筑设备监控系统直接进行监控，不仅需要安装大量的传感器与变送器，而且难以将设备运行状态控制至最佳，控制的安全、可靠性也难以保证。因此，通过这些大型设备机组内部控制器接口与建筑设备监控系统进行信息交换，既能保证设备的安全可靠运行控制，又能使建筑设备监控系统有效的对大型设备的运行状态进行监视与管理。

建筑设备监控系统与设备间实现通信，必须预先约定所遵循的通信协议。如果建筑设备内的控制系统具有标准的通信协议接口，根据设备厂家提供的监控内容变量表就可直接进行通信。当设备内控制器对外采用非标准通信协议时，则需要设备供应商提供数据格式，由BA自控系统对其进行转换开发。

分布式可编程控制系统是一套基于工业以太网和CAN总线的分布式现场总线控制系统，系统技术先进、配置灵活、易于扩展。

现场控制器的CPU模块与I/O模块之间的通讯协议采用业界先进的CAN现场总线协议，每个CPU模块最多可以挂32个I/O扩展模块，CAN总线可远距离扩展I/O，最长可达5000米。CAN总线与其传输距离对应表如下：

设计说明：

1.冷水机组监控说明

1）监测监视内容

a、机组手/自动状态、运行状态和故障状态；

b、机组累计运行时间，发出定时检修提示；

c、冷冻水泵/冷却水泵的手/自动状态、运行状态和故障状态；

d、冷冻水泵/冷却水泵累计运行时间，发出定时检修提示；

e、冷冻水总管（冷冻水/空调热水）供、回水温度压力和回水流量；

f、分集水器压差；

g、冷却塔风机的运行状态、故障报警、手/自动状态；

h、补水箱高、低液位报警。

2）控制内容

a、定时控制，按照预先编排的时间程序控制系统启停；

b、根据冷冻水总管供、回水温度和回水流量，计算大楼实际冷或热负荷，进行机组台数控制，并控制相应的水泵；

c、根据控制器内部存储的机组累计运行时间，对机组进行时间均衡调节，系统为优先权设计：需要启动时，开启累计运行时间最短的机组；需要关闭时，关闭累计运行时间最长的机组；

d、按照正确顺序一次连锁启停设备；

启动：冷却水泵→冷冻水泵→冷却塔风机→冷水机组

停机：冷水机组→冷冻水泵→冷却水泵→冷却塔风机

e、根据空调水供、回水总管压差，PID调节旁通阀开度，保持集分水器供水压力稳定；

f、监测系统内各监测点的温度、压力、流量等参数，自动显示，定时打印及故障报警。

3）以一个三冷水机组三冷却塔的系统为例：

(1)需要监测的参数

(2)模块配置：

(3)冷水机组系统原理图：

2.热交换器监控说明

1）监控内容

a、现场控制柜监控

通过现场控制柜，控制器对循环泵进行启停控制，读取开关状态、故障报警、主备泵的切换等；

读取一、二次管路上传感器采集的水温、水压力等参数；

控制器按时间自动启停循环泵；

b、自动水温调节

控制器根据测量二次管路上的水温与设定值的偏差，以PID（比例积分微分）方式调节一次水进口调节阀的开度，使二次水温度保持在设定范围内；

当二次管路水温高于设定值时，减小一次进水口调节阀开度，以减少热交换，从而降低水温。当二次管路水温低于设定值时，增大调节阀开度，增加热交换，从而提高二次水水温；

自动调节使调节阀开度达到一个稳定值，减少水阀频繁开关所带来的电能损耗与阀门执行器的损耗；

根据温差的大小控制循环泵开启的数量。

c、设备连锁控制

调节阀与循环泵连锁，当循环泵开启时调节阀自动启动PID调节，当循环泵停止时调节阀自动关闭。

d、维修指示

现场监控器记录设备的运行参数和累计运行时间，平衡设备使用率，提醒管理人员定期检修。

e、报警及数据记录

监控中心显示各个监控点回检状态；

监控中心及时显示报警信息，包括时间；

故障报警包括：循环泵故障报警；补水箱高、低液位报警。

f、监测监视内容

循环泵手、自动状态、运行状态；

换热器一次侧热水供回水温度、供水压力；

换热器二次侧热水供回水温度、供水压力；

2）举例：

(1)需要监测的参数

(2)模块配置：

(3)热交换系统原理图：

3.空气调节机组

——四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组：

⑴BAS监控主要功能：

a、回风温度自动控制

冬季自动调节水阀开度，保证回风温度为设定值；

夏季自动调节水阀开度，保证回风温度为设定值；

过渡季节根据新风的温湿度焓值，自动调节混风比。

b、回风湿度自动控制

自动控制加湿阀开闭，保证回风湿度为设定值。

c、过滤器堵塞报警

空气过滤器两端压差过大时报警，提示清扫。

d、机组定时启停控制

根据事先排定的工作及节假日作息时间表，定时启停机组，自动统计机组工作时间，提示定时维修。

e、联锁保护控制

联锁：风机停止后，新回风排风门、电动调节阀、电磁阀自动关闭；

保护：风机启动后，其前后压差过低时故障报警，并联锁停机；

防冻保护：当温度过低时，开启热水阀，关新风门、停风机，报警。

f、重要场所的环境控制

在重要场所设温湿度测点，根据其温湿度，直接调节空调机组的冷热水阀，确保重要场所的温湿度为设定值；

在重要场所设二氧化碳测点，根据其浓度调节新风比。

说明：本图中示出四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组的BAS监控系统，可根据具体应用作出取舍。

⑵举例

四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组监控点表及模块配置：

四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组模块配置：

四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组BAS监控图示：

4.四管制恒风变水量带加湿新风机组

⑴BAS监控主要功能

a、回风温度自动控制

冬季自动调节水阀开度，保证回风温度为设定值；

夏季自动调节水阀开度，保证回风温度为设定值；

过渡季节根据新风的温湿度焓值，自动调节混风比。

b、回风湿度自动控制

自动控制加湿阀开闭，保证回风湿度为设定值。

c、过滤器堵塞报警

空气过滤器两端压差过大时报警，提示清扫。

d、机组定时启停控制

根据事先排定的工作及节假日作息时间表，定时启停机组，自动统计机组工作时间，提示定时维修。

e、联锁保护控制

联锁：风机停止后，新回风排风门、电动调节阀、电磁阀自动关闭；

保护：风机启动后，其前后压差过低时故障报警，并联锁停机；

防冻保护：当温度过低时，开启热水阀，关新风门、停风机，报警。

f、重要场所的环境控制

在重要场所设温湿度测点，根据其温湿度，直接调节空调机组的冷热水阀，确保重要场所的温湿度为设定值；

在重要场所设二氧化碳测点，根据其浓度调节新风比。

说明：本图中示出四管制恒风变水量控温控湿全空气调节机组的BAS监控系统，可根据具体应用作出取舍。

⑵举例：

四管制恒风变水量带加湿新风机组的BAS监控点数表及模块配置：

四管制恒风变水量带加湿新风机组模块配置：

新风机组BAS监控图示：

5.FCU联网型风机盘管温控器

⑴风机盘管系统工作原理：

FCU控制器系统可通过RS485通讯与系统联网集中监测各FCU控制器系统的启停状态、制冷/制热状态、电磁阀开关状态、温度设定值、风速状态，控制FCU控制器系统的启停、风速调节、温度设定等。

FCU控制器系统具有阀开阀关两个工作位置，可装设于其温度需加以控制的场所内，温控器打开、关闭电动阀，使室内温度保持在所需的范围（温控范围：5~35℃）。

FCU控制器系统的拨动开关是用以对风机及系统进行切换的手动开关。设定为制冷工况时，当设定温度超过室内温度１℃时，自动进入通风状态；设定为制热工况时，当设定温度低于室内温度１℃时，自动进入通风状态。

FCU控制器系统开关机可手动实现，也可通过定时功能实现；关机时，显示当前室内温度；开机时，显示设定温度，室内温度，运行模式，风速控制状态等；系统首次加电处于关机状态。

FCU控制器系统关机状态下，按“定时”键一次，进入定时开机设定状态；开机状态下按“定时”键一次，进入定时关机设定状态；开机状态下按“温度”键一次，进入定时关机设定状态。

⑵FCU控制器风机盘管温控器原理图：

⑶FCU控制器风机盘管温控器网络图示：

6.照明系统监控说明

1)监测监视内容

要求控制的照明回路的手/自动状态；

要求控制的照明回路的开关状态。

2)控制方法

通过系统提供的控制信号控制接触器的分合；

控制器按时间自动启停照明系统；

彩灯/门厅/障碍灯等的控制方式均与走廊照明相同；

室外照明可根据室外照度自动控制照明调光器调整室外照明亮度；

彩灯可根据要求分组控制，产生特殊效果；

障碍灯应根据要求进行闪烁控制。

7.生活给水系统监控

高层建筑物的高度高，一般城市网管中的水压力不能满足用水要求，除了最下层的可由城市管网供水外，其于上部分均需加压供水。根据建筑物的给水要求、高度和分区压力等情况，进行合理分区，然后布置给水系统。给水系统的形式有多种，各有其特点，但基本上可划分为两大类，即高水位水箱给水系统和气压给水系统或水泵直接给水系统。现在城市中大多都选用水泵直接给水系统。

1)监控内容

a、水泵直接给水系统监控原理

水泵直接供水，较节能的方法是采用调速水泵供水系统，即根据水泵的用水量与转速成正比关系的特性，利用CPU对水泵电机的自动调速控制，使供水管的水压保持不便，从而实现恒压供水。每个小区还备有一个固定转速的水泵，当可调速水泵故障时，备用水泵自动投入运行，保证小区的基本用水量，很好的避免了停水给居民带来的不便；一到五层的低层用户可以利用城市供水管网直接供水。水泵直接给水系统原理如图(1)所示。

b、水泵直接给水系统的监控功能

各个小区供水泵的启停控制，同时还要监控水泵的运行状态故障报警；根据供水水管压力的反馈值，CPU利用PID调节自动的控制调速电机的转速。

2)举例：

(1) 系统监控参数

(2)模块配置：

(3)水泵直接给水系统原理图

8.排水监控系统

1)监控内容

a、排水监控系统的原理

建筑物一般都有地下室，有的深入地面下2～3层或更深些，地下室的污水常不能以重力排除，在此情况下，污水集中于集水坑，然后用排水泵将污水提升至室外排水管中。污水泵为自动控制，保证排水安全。有的建筑物采用粪便污水与生活废水分流，避免水流干扰，改善环境卫生条件。

建筑物排水监控系统通常由水位开关、直接数字控制器(DDC)组成。

b、排水监控系统的监控功能有：

※污水集水坑和废水集水坑水位监测及超限报警；

※根据污水集水坑与废水集水坑的水位，控制排水泵的启/停。当集水坑的水位达到高线时，联锁启动相应的水泵；当水位高于报警水位时，联锁启动相应的备用泵，直到水位降至低限时联锁停泵；

※排水泵运行状态的检测及发生故障时报警；

※累计运行时间，为定时维修提供依据，并根据每台泵的运行时间，自动确定作为工作泵还是备用泵。

2)举例

（1）系统监控参数

（2）模块配置：

（3）生活排水监控系统原理图

9.供配电监控系统

供配电系统是为建筑物提供能源。为了保证供电可靠性，对一级负荷都设两路独立电源，互为备用，并且装设应急备用发电机组，以便在15s内保证事故照明、消防用电等。配电部分也分为“工作”和“事故”两个独立的系统，并在干线之间设有联络开关，故障、检修时可以互为备用。变电所只需定期巡视，不必设专人值班。

1）供配电系统的监控内容

a、检测运行参数

※电压、电流、功率和变压器的温度等，为正常运行时的计量管理、事故发生时的鼓掌原因分析提供数据。

b、监视电气设备运行状态

※高低压进线断路器、主线联络断路器等各种类型开关的当前分、合状态；

※提供电气主接线图开关状态画面；

※发现故障，自动报警，并显示故障位置、相关电压和电流数值等。

c、对建筑物内所有用电设备的用电量进行统计及电量计算与管理

※空调、电梯、给排水和消防喷淋等动力电和照明用电；

※绘制用电负荷曲线如日负荷、年负荷曲线；

※实现自动秒表、输出用户电费单据等。

d、对各种电气设备的检修、保养维护进行管理

※建立设备档案，包括设备配置、参数档案、设备运行、事故和检修档案，生成定期维修操作单并存档，避免维修操作时引起误报警等；

2）供配电系统的监测方法及原理

a、高压线路的电压及电流监测

※6～10kV高压线路的电压及电流测量方法如下图(1)。

b、低压端电压及电流监测

低压端(380/220V)的电压及电流测量方法与高压侧基本相同，只不过是电压和电流互感器的电压等级不同。低压配电系统监控原理图如下图(2)。

※参数检测、设备状态监视与故障报警

DDC通过温度传感器/变送器、电压变送器、电流变送器、功率因素变送器自动检测变压器线圈温度、电压、电流和功率因素等参数，与额定数值比较，发现故障报警，显示相应的电压、电流数值和故障位置。经由数字量输入通道可以自动监视各个断路器、负荷开关和隔离开关等的当前分、合状态。

※电量计量

DDC根据检测到的电压、电流、功率因数计算有功功率、无功功率，累计用电量。为绘制负荷曲线。无功补偿及电费计算提供依据。

c、功率、功率因数的检测

※通过流量电压与电流的相位差，可以测得功率因数。有了功率因数、电压、电流数值即可求得有功功率和无功功率。因此，可以先测量功率因数，然后间接得出功率。这是一种间接的测量功率的方法。比较精确的测量功率的方法是采用模拟乘法器构成的功率变送器，或者用数字化的测量方法(告诉采样电压、电流数据，再对数字信号进行处理)，直接测量功率。

d、应急柴油发电机与蓄电池组的检测方法

※为了保证消防泵、消防电梯、紧急疏散照明、防排烟设施和电动放火卷帘门等消防用电，必须设置自备应急柴油发电机组，按一级负荷对消防设施供电。柴油发电机应起动迅速、自起动控制方便，市网停电后能在10～15s内接带应急电源。应急柴油发电机组电压、电流等参数，机组运行状态、故障报警和日用油箱液位等。应急柴油发电机组的监测原理如图(3)。

※高层建筑物中的高压配电室对继电器保护要求严格，一般的纯交流或整流操作难以满足要求，必须设置蓄电池组，以提供控制、保护、自动装置及事故照明等所需的直流电源。镉镍电池以其体积小、重量轻、不产生腐蚀性气体、无爆炸危险、对设备和人体健康无影响而获得广泛的应用。对镉镍电池组的检测包括电压监视、过流电压保护及报警等，监控原理图如图(3)。