樓宇自動化技術論文
伴隨著我國經濟的快速發(fā)展和科學技術的不斷進步，近些年來我國的樓宇自動化技術得到了長足的提升。下面是小編精心推薦的一些樓宇自動化技術論文，希望你能有所感觸!
樓宇自動化技術論文篇一
樓宇自動化控制網絡技術研究
【摘 要】高層建筑、超大面積建筑越來越多的現(xiàn)代社會，如何實現(xiàn)對樓宇內零散分布的大型設備進行集中管理控制是影響樓宇運行是否良性運行的重要因素。這種分散式的控制需求也決定了全新自動化控制系統(tǒng)的誕生，它需要實現(xiàn)分散樓宇設備的監(jiān)控、控制和測量。本文對比了樓宇自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程中各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點，闡述了以太網對于樓宇自動化控制系統(tǒng)構建的意義，在遵循相關標準、原則和依據的基礎上，討論了樓宇自動化控制網絡的組成、既定目標最后以以太網技術為基礎，集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，創(chuàng)建OPC服務器實現(xiàn)通信接口數(shù)據高效傳輸和自動化控制系統(tǒng)設計。
【關鍵詞】樓宇;自動化控制;網絡;以太網;OPC
伴隨著我國經濟的快速發(fā)展和科學技術的不斷進步，近些年來我國的樓宇自動化控制技術得到了長足的提升。所謂樓宇自動化控制系統(tǒng)是一種基于科學技術進行高度自動化管理和控制的系統(tǒng)機制，通過這樣一個網絡控制平臺實現(xiàn)對樓宇內各種設備的一鍵管理。這里的科學技術包含了計算機網絡技術、自動化控制以及網絡通信技術等，能夠統(tǒng)一管理的設備則包括空調系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、電梯、消防系統(tǒng)、照明設備等等。樓宇自動化控制系統(tǒng)可以大大減輕管理難度和人工成本，具有高效率性和環(huán)保節(jié)能性?？梢哉f自動化控制網絡系統(tǒng)的發(fā)展在一定程度上決定了智能樓宇未來的發(fā)展方向。
1 樓宇自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程
1.1 樓宇自動化系統(tǒng)的發(fā)展歷程
樓宇自動化控制系統(tǒng)緊握科學信息技術的發(fā)展潮流，在三四十余年時間里一共經歷了四個階段的發(fā)展歷程。第一階段是始于1970年代的CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)。其原理為通過設置信息采集站于建筑物各處，然后將總線與中央站連接起來，創(chuàng)建CCMS中央監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的樞紐是中央計算機，通過接收處理信息采集站的信息，做出相應的決策并發(fā)出命令，調節(jié)樓宇內設備的各項參數(shù)。第二階段是1980年代的DCS集散控制系統(tǒng)。其實年代的信息采集器進化成了80年代的科技產物：數(shù)字控制器。通過為每一個數(shù)字控制器配置集散式控制系統(tǒng)計算機，每一個獨立的數(shù)字控制器都可以顯示、處理采集到的信息，只需要在其上布設一個起到監(jiān)視作用的中央電腦，就可以實現(xiàn)分站完全自主處理信息的功能。第三階段是1990年代的開放式集散系統(tǒng)。通過應用ON現(xiàn)場總線，布設三層結構的BAS控制網絡系統(tǒng)，形成中央站、DDC分站、現(xiàn)場網絡層的輸入輸出結構，這就使得整個系統(tǒng)更加具有開放性，對于系統(tǒng)的配置和管理也更加靈活。第四階段是進入21世紀之后的網絡集成系統(tǒng)。網絡系統(tǒng)中具有一個中央主控站，將子系統(tǒng)進行優(yōu)化組合，諸如消防、安全、照明、溫度等，然后統(tǒng)一集成管理，更加方便快捷。
在跨越四十年的發(fā)展歷程中，樓宇自動控制系統(tǒng)最大的變化就是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)取代了分布式控制系統(tǒng)(DCS)。雖然DCS擁有較好的模擬、操作和管理性能，但是費用高、可靠性差、系統(tǒng)開放性差是制約其發(fā)展的瓶頸。而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)隨著科學技術的發(fā)展而興起，其上烙印了典型的現(xiàn)代科技，具有更高更強的可控性和科學性。它最大的優(yōu)點就是簡單了系統(tǒng)布線方法，提高了操作性和維護性，優(yōu)化了實時性，并且降低了成本。
1.2 以太網開始進入樓宇自控領域
以太網一直都是局域網構建中的核心技術網絡，而隨著科技的進一步發(fā)展，以太網中的站點完成了單獨收發(fā)數(shù)據信息的進化，這就減少了物理層數(shù)據的碰撞、擁塞和緩存，為樓宇自動化系統(tǒng)的開發(fā)設計提供了獨特的思路。而在IEEE802.3af標準頒布之后，基于以太網的工業(yè)交換機產品大幅增加，基于現(xiàn)場總線的開放式以太網標準也紛紛涌現(xiàn)。比如ODVA、CI、HSE、Profinet等。以太網和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結合，彌補了各方的缺點，使得工業(yè)自控系統(tǒng)的設計逐漸成形，而其在工業(yè)控制領域的成功應用直接促成了其在樓宇控制系統(tǒng)中的快速發(fā)展，從最初的信息層道控制層，以太網被越來越多的應用。
太網的優(yōu)點很明顯，那就是實現(xiàn)了從信息網到控制層的完美過渡，實現(xiàn)了各層統(tǒng)一，對這樣系統(tǒng)的開發(fā)和管理也就更加便捷，也實現(xiàn)了和智能樓宇中其他系統(tǒng)的快速完美融合。但是同時需要認識到時，以太網技術和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的集成研究還處于起步階段，因為科研成本較高，產品較少，就會導致用戶選擇不多同時推廣性也會受到阻礙，還有就是以太網的維護性、實時性還需要時間的考證。
2 樓宇自動化系統(tǒng)的組成與基本功能
2.1 樓宇自動化系統(tǒng)的組成
樓宇自動化控制系統(tǒng)通常包括空調、消防、供電、電梯、安全管理、給排水等子系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^以太網技術，建立通訊網絡，集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，建立控制層、管理層和設備層，實現(xiàn)操作站和網絡控制單元之間的連接。采用傳送控制協(xié)議/協(xié)議，建立用戶數(shù)據協(xié)議，構建OPC服務器，既集中完成控制端對所有設備的管理，也可以實現(xiàn)用戶對客戶端的自由訪問，而避免了親自查看設備的繁冗過程。通過增加網絡控制單元可以實現(xiàn)樓宇內每一個子系統(tǒng)的監(jiān)控、共享和管理，通過相應的多種統(tǒng)計計算功能，可以在一定的情況下可以代替操作站功能，完成手提式應急信息處理和指令控制。
2.2 樓宇自動化系統(tǒng)的功能
樓宇自動化控制系統(tǒng)的基本功能有以下幾點：
(1)實現(xiàn)對眾多子系統(tǒng)啟動和停止的控制、設備運行狀態(tài)的監(jiān)控。
(2)收集設備運行的歷史數(shù)據，完成設備一生運行的技術性數(shù)據分析;
(3)根據外界環(huán)境的變化，自動調整設備運行參數(shù);
(4)監(jiān)視樓宇各系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的故障及突發(fā)事件，并配置一整套處理方案;
(5)實現(xiàn)對水電、煤氣等科學管理，節(jié)能高效自動;
(6)針對各子系統(tǒng)中的設備，保存一份包含運行檔案、歷史、維修情況的設備管理報表，以供參閱。
3 樓宇自動化控制網絡系統(tǒng)設計方案
3.1 自動化控制系統(tǒng)設計總則 樓宇自動化系統(tǒng)的最主要功能還是實現(xiàn)對樓宇內各個子系統(tǒng)的監(jiān)控，采集運行數(shù)據，對比分析運算，保證在任何情況下設備都能正常運行，并且實現(xiàn)快捷簡單的遠程監(jiān)控。最顯著的優(yōu)點就是大大減少了事故發(fā)生的概率，也就相應地延長了設備的使用壽命。通過這樣集約化的控制和管理，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)統(tǒng)一而有序的管理，使其健康運行，充分發(fā)揮各個系統(tǒng)的功能，為智能樓宇的建設打下堅實基礎。這里以最具有代表性的高層、現(xiàn)代化智能大樓作為設計對象，就自動化控制網絡系統(tǒng)的創(chuàng)設關鍵技術作簡要闡述。
如同前文所述，樓宇自動化控制系統(tǒng)必須要首先保證子系統(tǒng)的高效運行，實現(xiàn)子系統(tǒng)有序運轉和靈活自動運轉，從而減輕人員管理，節(jié)約勞動力資源和資金成本。這里設計的系統(tǒng)主要是基于一般業(yè)主的要求和極高的性價比，采用最優(yōu)化的方案設計出一套可以同時實現(xiàn)集中管理和分散管理的自控系統(tǒng)。比如著名的BACTalk樓宇管理系統(tǒng)，它是一種基于BMS的自控系統(tǒng)，可以將消防系統(tǒng)、保安系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯等集中在一個平臺上進行控制，并且具有先進的現(xiàn)場控制器以及和其他系統(tǒng)設備的開放性接口。根據現(xiàn)代高層大樓的特點，設計一下需要主要監(jiān)控的子系統(tǒng)：電梯系統(tǒng)、中央空調系統(tǒng)、照明共點系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。
3.2 樓宇自動化控制網絡系統(tǒng)設計的原則和依據
在設計一個樓宇自動系統(tǒng)時，必須遵循以下的原則。首先是可靠性?？煽啃允菣z驗一個自控系統(tǒng)是否合格的第一標準，優(yōu)先采用分布式的控制系統(tǒng)，將自動控制的任務交給很多現(xiàn)場處理器完成，這樣可以避免因為單獨的處理器出現(xiàn)故障而影響整個系統(tǒng)健康運行的情況?？煽啃缘牧硪粋€表現(xiàn)就是系統(tǒng)數(shù)據采集和記錄的準確性，不能誤報，也不能有故障而不報，所以對于系統(tǒng)硬件和軟件的要求極為嚴格。其次是靈活擴展性。樓宇自動系統(tǒng)和其他的網絡系統(tǒng)一樣，都會伴隨著科學技術的發(fā)展而進行進化和升級。我們在建立了初始系統(tǒng)之后，應該考慮到伴隨著科學信息技術的發(fā)展，原始系統(tǒng)勢必要進行優(yōu)化和升級，所以這對系統(tǒng)的可擴展性提出了一個新的要求。當然靈活性也很重要，主要表現(xiàn)在現(xiàn)場控制器的增減不能影響整個系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的組成和功能應用都必須具備靈活性，便于隨著外界環(huán)境的改變而改變系統(tǒng)。第三是實用性。設計的系統(tǒng)總歸是要應用的，這要求設計人員從高深的科學信息技術中提取出便于應用的普通知識，系統(tǒng)可以根據樓宇的多功能性實現(xiàn)不同需求的給予和完成。是否方便快捷是實用性是否合格的另一個標志。管理方式是否合理簡約是檢驗一個系統(tǒng)是否成熟的重要標志，一個好的樓宇控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)樓宇各子系統(tǒng)資料內容的完美綜合，并且統(tǒng)一呈現(xiàn)在中央層，減小了管理難度。最后是經濟性。我們要求系統(tǒng)的設計采取最為精準和尖端的技術，但是也要考慮到實際需求高度。采用現(xiàn)場處理器應該可以滿足相當長時間之內的系統(tǒng)運轉，所以要合理規(guī)劃，切不可盲目投資。
樓宇自動化控制系統(tǒng)的設計首先要以相應的電氣圖紙和標準規(guī)范作為基礎，然后需要滿足國家及其他國際標準。比如建設設計防火系統(tǒng)、照明設計標準、電梯設計標準、空調安裝及采風設計標準、工民建供電系統(tǒng)設計標準等等，對于需要設計的每一個子系統(tǒng)都應該按照國家相應的規(guī)范指導系統(tǒng)設計。
3.3 系統(tǒng)功能設計
設計的系統(tǒng)方案以以太網技術為基礎，以此來實現(xiàn)各總線的集成。包含網絡層、控制層和設備層三層結構。其中設備層網絡技術依托CAN總線和Lonworks等，用以太網技術來實現(xiàn)管理層和控制層之間的通信。
依據前文所述，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)更加開放、集散，同時便于維護、成本低，所以更加適合樓宇自動化控制系統(tǒng)的設計，輔以以太網技術，實現(xiàn)樓宇自動化控制。詳細設計圖見圖1。
圖1 以太網構成的樓宇自動化控制系統(tǒng)簡圖
3.3.1 自控系統(tǒng)的網絡結構
設計的系統(tǒng)主要包括管理層、控制層和設備層。現(xiàn)場控制器之間的點對點通信構成的智能監(jiān)控區(qū)域層就是控制層，CAN總線、Lonworks總線上都布設有監(jiān)控節(jié)點;管理層則包括中央主控機和分系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)，以太網技術構建管理層，管理層中的操作站可以控制中央計算機，對各子系統(tǒng)進行集成統(tǒng)一指令管理，并對系統(tǒng)中所有的數(shù)據進行分析和處理;設備層就是樓宇內的各機電設備，在控制層的管理下按照預設程序運轉。
3.3.2 自控系統(tǒng)集成技術
OPC技術可以標準化控制層和管理層之間的設備數(shù)據信息交換，并且加快數(shù)據傳輸速度和可靠性，同時降低成本。在樓宇自動系統(tǒng)中選擇OPC，需要根據不同的子系統(tǒng)以及需要實現(xiàn)的功能來開發(fā)相應的OPC服務器，完成設備層的獨立數(shù)據采集。
一個完整的OPC服務器包括標準接口和用于通訊的接口兩部分。利用ASP.NET2005對兩個接口進行開發(fā)，也就實現(xiàn)了OPC服務器的開發(fā)。標準接口的開發(fā)因為數(shù)據庫而變得簡單，用于通訊的接口開發(fā)需要特定的通信協(xié)議和數(shù)據采集模式來編寫特定的動態(tài)鏈接庫。以此來構建的OPC服務器結構如圖2。
圖2 OPC服務器總體結構簡圖
通過該結構調用API函數(shù)，記錄、注銷服務器數(shù)據信息，并且按照特定的接口模塊，讀寫交換數(shù)據，隨即封裝讀寫的信息來滿足客戶端的需求。該設計的關鍵是函數(shù)的調用來建立動態(tài)鏈接庫，通過ASP.NET2005的DLL調用來構建API函數(shù)原型。常用的通信協(xié)議一般為TCP/IP協(xié)議，通過通信接口來讀寫封裝的信息可以實現(xiàn)計算機端和客戶端的數(shù)據共同訪問，操作者在進行數(shù)據管理控制的時候不需要到每一個硬件設備中進行采集，只需要查看子系統(tǒng)相應的OPC服務器就可以實現(xiàn)數(shù)據的自主收集。有了這些數(shù)據也就有了自控各子系統(tǒng)的基礎資料，通過一定的分析和處理，就可以實現(xiàn)子系統(tǒng)運行數(shù)據和運行狀態(tài)的統(tǒng)一呈現(xiàn)，極大方便了后續(xù)的自動化控制管理。這就是一個完整的樓宇自動控制過程。
4 結論
智能建筑正在成為未來建筑的發(fā)展方向，實現(xiàn)樓宇設備系統(tǒng)的集中有序管理是實現(xiàn)社會節(jié)能理念和勞動力節(jié)約的關鍵環(huán)節(jié)?？茖W信息技術的發(fā)展為設計一個可靠實時成本低的樓宇自動控制系統(tǒng)提供了可能。利用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、以太網技術可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計，本著可靠靈活使用的目標，以以太網技術為基礎，集成CAN和Lonworks總線技術，利用OPC技術創(chuàng)設服務器，可以快速且準確的實現(xiàn)諸如消防、照明、電梯、空調、溫度、供電等系統(tǒng)的信息數(shù)據集成，同時也可以集散控制樓宇中的子系統(tǒng)，實時監(jiān)控設備運行狀態(tài)，及時調整故障，減少人員管理成本，保證樓宇健康安全高效運行。在建筑面積越來越大、高度越來越高的現(xiàn)代社會，自動化控制網絡系統(tǒng)必定可以大大完善樓宇內部功能，提供安全舒適的生活工作環(huán)境。
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