1 引言
樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BuildingAutomationSystem簡(jiǎn)稱(chēng)BAS），是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。
2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能
建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BAS又可分為設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)，如圖所示。一般情況下，這兩個(gè)子系統(tǒng)宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，也應(yīng)與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系以便災(zāi)情發(fā)生時(shí)，能夠按照約定實(shí)現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一體化的協(xié)調(diào)控制。
建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：
（1）自動(dòng)監(jiān)視并控制各種機(jī)電設(shè)備的起、停，顯示或打印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
（2）自動(dòng)檢測(cè)、顯示、打印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)或歷史數(shù)據(jù)。
（3）根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運(yùn)行于狀態(tài)。
（4）監(jiān)測(cè)并及時(shí)處理各種意外、突發(fā)事件。
（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。
（6）能源管理：水、電、氣等的計(jì)量收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化。
（7）設(shè)備管理：包括設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行報(bào)表和設(shè)備維修管理等。
3 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理
樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱(chēng)分布式控制系統(tǒng)（Distributedcontrol systems簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備處的微型計(jì)算機(jī)控制裝置（DDC）完成被控設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制任務(wù)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制帶來(lái)的危險(xiǎn)性高度集中的不足和常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計(jì)算機(jī)具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強(qiáng)的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報(bào)警、打印與優(yōu)化控制等任務(wù)，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機(jī)聯(lián)系困難、無(wú)法統(tǒng)一管理的缺點(diǎn)，保證設(shè)備在狀態(tài)下運(yùn)行。
以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關(guān)的幾個(gè)概念。
3.l 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）
直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control簡(jiǎn)稱(chēng)DDC）如圖2所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬量輸入通道（AI）和開(kāi)關(guān)量輸入通道（DI）采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，并通過(guò)模擬量輸出通道（AO）和開(kāi)關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過(guò)程。因此DDC系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用方式。
DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，因而要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。
3.1.1 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成直接數(shù)字控制系統(tǒng)主要由過(guò)程輸入通道、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸出通道三部分組成。
過(guò)程輸入通道由模擬量輸入和數(shù)字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開(kāi)關(guān)、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器和接口電路組成。其中變送器的作用是將非電量信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號(hào)，它是通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！獢?shù)字量輸入通道由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過(guò)程的通／斷狀態(tài)的觸點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器和接口電路變換成數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)。
過(guò)程控制計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)運(yùn)算和控制任務(wù)，首先通過(guò)過(guò)程輸入通道采集被控對(duì)象的各種參數(shù)信號(hào)，再根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律（如PID）進(jìn)行運(yùn)算，然后向被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)，再通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
過(guò)程輸出通道由模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。前者把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器去驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。這一部分由接口電路、D／A轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。后者把計(jì)算機(jī)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)放大器去驅(qū)動(dòng)電磁閥和繼電器執(zhí)行器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。
3.1.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基本算法按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種基本規(guī)律，將PID控制規(guī)律離散化并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可以方便地利用已積累的成熟技術(shù)，而且可以在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過(guò)在線整定達(dá)到滿(mǎn)意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的數(shù)字PID算法，已被工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用，成為DDC系統(tǒng)的基本算法。
數(shù)字PID控制算法，模擬量調(diào)節(jié)器的理想PID算式為式中e（t）——偏差（設(shè)定值與實(shí)際輸出值之差）
u（t）——控制量Kp——比例放大系數(shù)Ti一積分時(shí)間常數(shù)Td——微分時(shí)間常數(shù)寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為了能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方程。設(shè)了為采樣周期（與系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)相比，T足夠?。?，k為采樣序號(hào)（k=0，1，2，……），可用矩形法計(jì)算而積以差分代替微分式中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(shí)刻的控制量上式中的采樣周期T越?。ㄅc系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)比較而言），則被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程越接近，又稱(chēng)為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。
3.2 分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）20世紀(jì)于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和通信技術(shù)匯集于一體，可對(duì)分散在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制，又可方便地集中管理、操作，與以往的控制系統(tǒng)相比，既避免了單臺(tái)計(jì)算機(jī)集中控制的不足，又克服了常規(guī)儀表人機(jī)交互困難的缺點(diǎn)。
分布式控制系統(tǒng)的多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)取代了集中控制系統(tǒng)的單臺(tái)計(jì)算機(jī)，從體系結(jié)構(gòu)上分散了危險(xiǎn)性，提高了可靠性。其基本結(jié)構(gòu)功能如圖3所示，圖中現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，組成分級(jí)分布控制系統(tǒng)。
樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BuildingAutomationSystem簡(jiǎn)稱(chēng)BAS），是智能建筑不可缺少的一部分，其任務(wù)是對(duì)建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等，以提供一個(gè)既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。
2 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的組成與基本功能
建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)通常包括暖通空調(diào)、給排水、供配電、照明、電梯、消防、安全防范等子系統(tǒng)。根據(jù)我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，BAS又可分為設(shè)備運(yùn)行管理與監(jiān)控子系統(tǒng)和消防與安全防范子系統(tǒng)，如圖所示。一般情況下，這兩個(gè)子系統(tǒng)宜一同納入BAS考慮，如將消防與安全防范子系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，也應(yīng)與BAS監(jiān)控中心建立通信聯(lián)系以便災(zāi)情發(fā)生時(shí)，能夠按照約定實(shí)現(xiàn)操作權(quán)轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一體化的協(xié)調(diào)控制。
建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：
（1）自動(dòng)監(jiān)視并控制各種機(jī)電設(shè)備的起、停，顯示或打印當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。
（2）自動(dòng)檢測(cè)、顯示、打印各種機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及其變化趨勢(shì)或歷史數(shù)據(jù)。
（3）根據(jù)外界條件、環(huán)境因素、負(fù)載變化情況自動(dòng)調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運(yùn)行于狀態(tài)。
（4）監(jiān)測(cè)并及時(shí)處理各種意外、突發(fā)事件。
（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)大樓內(nèi)各種機(jī)電設(shè)備的統(tǒng)一管理、協(xié)調(diào)控制。
（6）能源管理：水、電、氣等的計(jì)量收費(fèi)、實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化。
（7）設(shè)備管理：包括設(shè)備檔案、設(shè)備運(yùn)行報(bào)表和設(shè)備維修管理等。
3 樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)的原理
樓控系統(tǒng)采用的是基于現(xiàn)代控制理論的集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也稱(chēng)分布式控制系統(tǒng)（Distributedcontrol systems簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場(chǎng)被控設(shè)備處的微型計(jì)算機(jī)控制裝置（DDC）完成被控設(shè)備的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制任務(wù)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制帶來(lái)的危險(xiǎn)性高度集中的不足和常規(guī)儀表控制功能單一的局限性。安裝于中央控制室的中央管理計(jì)算機(jī)具有CRT顯示、打印輸出、豐富的軟件管理和很強(qiáng)的數(shù)字通信功能，能完成集中操作、顯示、報(bào)警、打印與優(yōu)化控制等任務(wù)，避免了常規(guī)儀表控制分散后人機(jī)聯(lián)系困難、無(wú)法統(tǒng)一管理的缺點(diǎn)，保證設(shè)備在狀態(tài)下運(yùn)行。
以下介紹與分布控制系統(tǒng)相關(guān)的幾個(gè)概念。
3.l 直接數(shù)字控制系統(tǒng)（DDC）
直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control簡(jiǎn)稱(chēng)DDC）如圖2所示。計(jì)算機(jī)通過(guò)模擬量輸入通道（AI）和開(kāi)關(guān)量輸入通道（DI）采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，最后發(fā)出控制信號(hào)，并通過(guò)模擬量輸出通道（AO）和開(kāi)關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過(guò)程。因此DDC系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最普遍的一種應(yīng)用方式。
DDC系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，因而要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。
3.1.1 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的組成直接數(shù)字控制系統(tǒng)主要由過(guò)程輸入通道、過(guò)程控制計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸出通道三部分組成。
過(guò)程輸入通道由模擬量輸入和數(shù)字量輸入兩部分組成。模擬量輸入通道由變送器、采樣開(kāi)關(guān)、放大器、A／D轉(zhuǎn)換器和接口電路組成。其中變送器的作用是將非電量信號(hào)變換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號(hào)，它是通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！獢?shù)字量輸入通道由開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過(guò)程的通／斷狀態(tài)的觸點(diǎn)信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電耦合器和接口電路變換成數(shù)字信號(hào)送給計(jì)算機(jī)。
過(guò)程控制計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)運(yùn)算和控制任務(wù)，首先通過(guò)過(guò)程輸入通道采集被控對(duì)象的各種參數(shù)信號(hào)，再根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律（如PID）進(jìn)行運(yùn)算，然后向被控對(duì)象發(fā)出控制信號(hào)，再通過(guò)輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
過(guò)程輸出通道由模擬量輸出和數(shù)字量輸出兩部分組成。前者把計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大器去驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。這一部分由接口電路、D／A轉(zhuǎn)換器，放大器和執(zhí)行器組成。后者把計(jì)算機(jī)輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)，經(jīng)放大器去驅(qū)動(dòng)電磁閥和繼電器執(zhí)行器，它由接口電器、光電耦合器、放大器和執(zhí)行器組成。
3.1.2 直接數(shù)字控制系統(tǒng)的基本算法按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種基本規(guī)律，將PID控制規(guī)律離散化并在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，可以方便地利用已積累的成熟技術(shù)，而且可以在被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過(guò)在線整定達(dá)到滿(mǎn)意的效果。因此，將模擬調(diào)節(jié)規(guī)律離散化的數(shù)字PID算法，已被工業(yè)過(guò)程計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)普遍采用，成為DDC系統(tǒng)的基本算法。
數(shù)字PID控制算法，模擬量調(diào)節(jié)器的理想PID算式為式中e（t）——偏差（設(shè)定值與實(shí)際輸出值之差）
u（t）——控制量Kp——比例放大系數(shù)Ti一積分時(shí)間常數(shù)Td——微分時(shí)間常數(shù)寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為了能在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，必須將連續(xù)形式的微分方程化為離散形式的差分方程。設(shè)了為采樣周期（與系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)相比，T足夠?。?，k為采樣序號(hào)（k=0，1，2，……），可用矩形法計(jì)算而積以差分代替微分式中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(shí)刻的控制量上式中的采樣周期T越?。ㄅc系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)比較而言），則被控過(guò)程與連續(xù)控制過(guò)程越接近，又稱(chēng)為“準(zhǔn)連續(xù)控制”。
3.2 分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control Systems簡(jiǎn)稱(chēng)DCS）20世紀(jì)于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來(lái)，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、圖形顯示技術(shù)和通信技術(shù)匯集于一體，可對(duì)分散在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備進(jìn)行控制，又可方便地集中管理、操作，與以往的控制系統(tǒng)相比，既避免了單臺(tái)計(jì)算機(jī)集中控制的不足，又克服了常規(guī)儀表人機(jī)交互困難的缺點(diǎn)。
分布式控制系統(tǒng)的多臺(tái)微型計(jì)算機(jī)取代了集中控制系統(tǒng)的單臺(tái)計(jì)算機(jī)，從體系結(jié)構(gòu)上分散了危險(xiǎn)性，提高了可靠性。其基本結(jié)構(gòu)功能如圖3所示，圖中現(xiàn)場(chǎng)控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和管理計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)被有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，組成分級(jí)分布控制系統(tǒng)。