摘要：本文詳細(xì)介紹了樓宇自動化系統(tǒng)的組成、基本功能、原理、核心的軟硬件技術(shù)、發(fā)展歷史，并對相關(guān)產(chǎn)品做了簡要介紹，使讀者對該系統(tǒng)有一個全面的認(rèn)識，也為相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)人員的方案設(shè)計(jì)提供了理論上的參考依據(jù)。 

1 引言
樓宇自動化系統(tǒng)也叫建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（BuildingAutomat*tem簡稱BAS），是智能建筑*的一部分，其任務(wù)是對建筑物內(nèi)的能源使用、環(huán)境、交通及安全設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測、控制等，以提供一個既安全可靠，又節(jié)約能源，而且舒適宜人的工作或居住環(huán)境。

2 樓宇自動化系統(tǒng)的組成與基本功能
建筑設(shè)備自動化系統(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)控中心建立通信以便災(zāi)情發(fā)生時，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)備自動化系統(tǒng)的基本功能可以歸納如下：

（1）自動監(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）自動檢測、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)載變化情況自動調(diào)節(jié)各種設(shè)備，使之始終運(yùn)行于*狀態(tài)。

（4）監(jiān)測并及時處理各種意外、突發(fā)事件。

（5）實(shí)現(xiàn)對大樓內(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)，也稱分布式控制系統(tǒng)（Distributedcontrol systems簡稱DCS）。它的特征是“集中管理分散控制”，即用分布在現(xiàn)場被控設(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)時檢測和控制任務(wù)，克服了計(jì)算機(jī)集中控制帶來的危險(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*控制室的*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)困難、無法統(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簡稱DDC）如圖2所示。計(jì)算機(jī)通過模擬量輸入通道（AI）和開關(guān)量輸入通道（DI）采集實(shí)時數(shù)據(jù)，然后按照一定的規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，zui后發(fā)出控制信號，并通過模擬量輸出通道（AO）和開關(guān)量輸出通道（DO）直接控制生產(chǎn)過程。因此DDC系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)過程中zui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)主要由過程輸入通道、過程控制計(jì)算機(jī)、過程輸出通道三部分組成。

過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變換成標(biāo)準(zhǔn)電信號，可將溫度、壓力、流量變換成0-10mA或4-20mA的直流電信號，它是通過A／D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。—數(shù)字量輸入通道由開關(guān)觸點(diǎn)、光電耦合器和接口電路組成，反映生產(chǎn)過程的通／斷狀態(tài)的觸點(diǎn)信號，經(jīng)過光電耦合器和接口電路變換成數(shù)字信號送給計(jì)算機(jī)。

過程控制計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)運(yùn)算和控制任務(wù)，首先通過過程輸入通道采集被控對象的各種參數(shù)信號，再根據(jù)預(yù)定的控制規(guī)律（如PID）進(jìn)行運(yùn)算，然后向被控對象發(fā)出控制信號，再通過輸出通道直接控制調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

過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)字控制信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，再經(jīng)過放大器去驅(qū)動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程的控制。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)輸出的開關(guān)信號，經(jīng)放大器去驅(qū)動電磁閥和繼電器執(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)，而且可以在被控對象的數(shù)學(xué)模型或參數(shù)不很清楚的情況下，經(jīng)過在線整定達(dá)到滿意的效果。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 （附1）

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一積分時間常數(shù)
Td——微分時間常數(shù)
寫成傳遞函數(shù)形式，則為（附2）

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)時間常數(shù)相比，T足夠小），k為采樣序號（k=0，1，2，……），可用矩形法計(jì)算而積以差分代替微分，即（附3）

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時刻的控制量

上式中的采樣周期T越?。ㄅc系統(tǒng)時間常數(shù)比較而言），則被控過程與連續(xù)控制過程越接近，又稱為“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簡稱DCS）20世紀(jì)于70年代中期出現(xiàn)并迅速發(fā)展起來，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，可對分散在現(xiàn)場的設(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)的多臺微型計(jì)算機(jī)取代了集中控制系統(tǒng)的單臺計(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)通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)被有機(jī)地結(jié)合起來，組成分級分布控制系統(tǒng)。

3．2．1 分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)
數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是分布式控制系統(tǒng)的支柱。整個分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)上是一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站、操作員站、監(jiān)控計(jì)算機(jī)等都是這個網(wǎng)絡(luò)上的“節(jié)點(diǎn)”，都含有CPU和網(wǎng)絡(luò)接口，它們都有自己特定的網(wǎng)絡(luò)地址（節(jié)點(diǎn)號），可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)處于平等地位，既能共享資源，又不相互依賴，形成既有統(tǒng)一指揮，又使危險(xiǎn)分散的功能結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)區(qū)具有極大的伸縮性，可擴(kuò)性很強(qiáng)，可以滿足分布式控制系統(tǒng)擴(kuò)充與升級的需要，十分靈活、方便。

（1）控制網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) 分布式控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)不同于通用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信網(wǎng)絡(luò)比較，它有如下特殊要求：①有高可靠性和安全性，要求傳遞的信息準(zhǔn)確、可靠，為此常采用冗余技術(shù)、后備措施和自診斷功能。如：控制站采用雙CPU板，雙I／0板等。②具有良好的實(shí)時性。③對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)常用的有總線網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)，在兩種結(jié)構(gòu)中任意兩節(jié)點(diǎn)通信可直接通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，各節(jié)點(diǎn)處于平等地位。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 組成建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)，必須有一種大家都能接受并且共同遵守的工作語言來實(shí)現(xiàn)相互之間的對話，這就是數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

用于建筑自動化控制網(wǎng)絡(luò)的BACnet協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，或相當(dāng)于開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）的*、二、三、七層協(xié)議

其中：ARCnet為令牌總線網(wǎng)，數(shù)據(jù)傳輸速率為2．5-20bit／s，有良好的實(shí)時性。MS／TP是一種主／從令牌傳遞數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)，允許使用EIA-485硬件。BACnet實(shí)現(xiàn)了不同生產(chǎn)廠家自控系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的技術(shù)，即從一個“島”到另一個“島”之間進(jìn)行相互的技術(shù)。

3．2．2 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用——分布式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步分散化

（1）現(xiàn)場總線概況 現(xiàn)場總線（Fieldbus）是連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動化系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。不同的現(xiàn)場總線遵循的協(xié)議不同，接口標(biāo)準(zhǔn)不同，各具特色?，F(xiàn)場總線技術(shù)具有如下一些特點(diǎn)：①以數(shù)字信號取代4-20mA的模擬信號，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換的精度和可靠性，因此現(xiàn)場總線具有很高的性能價格比。②現(xiàn)場總線把處于設(shè)備現(xiàn)場的智能儀表（智能傳感器、智能執(zhí)行器）連成網(wǎng)絡(luò)，使控制、報(bào)警、趨勢分析等功能分散到現(xiàn)場儀表，使控制結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分散化，導(dǎo)致控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的變化。③符合同一現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的儀表、裝置可以聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)互操作，不同標(biāo)準(zhǔn)通過網(wǎng)關(guān)或路由器也可互聯(lián)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)。

（2）LonWorks技術(shù)
LonWorks是一種*分布式控制的局部操作網(wǎng)（Local Operating Network—LON）技術(shù)。LonWorks網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由神經(jīng)元芯片、收發(fā)器、固件和I／O接口電路組成。神經(jīng)元芯片（Neuron chip）是這種智能節(jié)點(diǎn)的核心，它由媒體訪問控制處理器、網(wǎng)絡(luò)處理器和應(yīng)用處理器組成，這就使得節(jié)點(diǎn)既能管理網(wǎng)絡(luò)通信，又具有控制功能。Neuron芯片方塊圖。

芯片附有固件，該固件實(shí)現(xiàn)LonTalk通信協(xié)議和所有的任務(wù)調(diào)度。LonTalk協(xié)議遵循世界標(biāo)準(zhǔn)組織ISO提出的開放式互聯(lián)參考模型OSI，具有完整的7層協(xié)議，管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通信，分配節(jié)點(diǎn)地址，運(yùn)行內(nèi)含的沖突／檢測回避算法，控制物理／電氣的連接等。

Neuron芯片除了具有控制功能外，還帶有媒體訪問控制處理器和網(wǎng)絡(luò)處理器，LonTalk協(xié)議固化在芯片的ROM中，使得LonWorks的微型節(jié)點(diǎn)無需中心結(jié)構(gòu)的*分布式控制模式，將控制功能分散到了現(xiàn)場級儀表。

LonWorks網(wǎng)絡(luò)，可以采用多種通信媒體，如雙絞線、電力線、同軸電纜、光纜、無線電、紅外線，并且提供與上述多種媒體相適應(yīng)的收發(fā)器，這使得同一網(wǎng)絡(luò)中的信號可以在不同的媒體之間傳輸，因而可以根據(jù)需要組網(wǎng)，不同媒體之間以路由器進(jìn)行連接。

LonMark是為了避免眾多制造商以不同的含義來解釋LonWorks技術(shù)，保證不同的產(chǎn)品能夠方便地集成一起，以便構(gòu)成一個真正開放的系統(tǒng)，而制定的一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）分布式控制系統(tǒng)的進(jìn)一步分散化
傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)在現(xiàn)場控制站這一級依然是一個集中式結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)在的分布式控制系統(tǒng)是在原有分布式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用LonWorks現(xiàn)場總線的建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)發(fā)展起來的新系統(tǒng),標(biāo)準(zhǔn)LAN為原有的分布式控制系統(tǒng)，使用BACnet協(xié)議，以利于實(shí)現(xiàn)多種供應(yīng)商的不同類型的子系統(tǒng)之間的通信信息交換，把具有控制功能的各個島連成一個整體。新增的LonWorks現(xiàn)場總線使用LonTalk協(xié)議，把控制功能進(jìn)一步分散到現(xiàn)場級儀表，標(biāo)準(zhǔn)LAN與現(xiàn)場總線之間的路由器相聯(lián)。這樣BACnet和LonMark兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)互相補(bǔ)充，互為依托，構(gòu)成一個*分散的、真正開放的建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)。

4 樓宇自動化系統(tǒng)設(shè)備的發(fā)展歷史及相關(guān)產(chǎn)品簡介

樓宇設(shè)備自動化系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)歷了四代產(chǎn)品：

*代：CCMS*監(jiān)控系統(tǒng)（20世紀(jì)70年代產(chǎn)品）
BAS從儀表系統(tǒng)發(fā)展成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)鍵盤和CRT構(gòu)成*站，打印機(jī)代替了記錄儀表，散設(shè)于建筑物各處的信息采集站DGP（連接著傳感器和執(zhí)行器等設(shè)備）通過總線與*站連接在一起組成*監(jiān)控型自動化系統(tǒng)。DGP分站的功能只是上傳現(xiàn)場設(shè)備信息，下達(dá)*站的控制命令。一臺*計(jì)算機(jī)操縱著整個系統(tǒng)的工作。*站采集各分站信息，作出決策，完成全部設(shè)備的控制，*站根據(jù)采集的信息和能量計(jì)測數(shù)據(jù)完成節(jié)能控制和調(diào)節(jié)。

第二代：DCS集散控制系統(tǒng)（20世紀(jì)80年代產(chǎn)品）
隨著微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展和成本降低，DGP分站安裝了CPU，發(fā)展成直接數(shù)字控制器DDC。配有微處理機(jī)芯片的DDC分站，可以獨(dú)立完成所有控制工作，具有完善的控制、顯示功能，進(jìn)行節(jié)能管理，可以連接打印機(jī)、安裝人機(jī)接口等。BAS由4級組成，分別是現(xiàn)場、分站、*站、管理系統(tǒng)。集散系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是只有*站和分站兩類接點(diǎn)，*站完成監(jiān)視，分站完成控制，分站*自治，與*站無關(guān)，保證了系統(tǒng)的可靠性。

第三代：開放式集散系統(tǒng)（20世紀(jì)90年代產(chǎn)品）
隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，DDC分站連接傳感器、執(zhí)行器的輸人輸出模塊，應(yīng)用LON現(xiàn)場總線，從分內(nèi)部走向設(shè)備現(xiàn)場，形成分布式輸入輸出現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層，從而使系統(tǒng)的配置更加靈活，由于LonWorks技術(shù)的開放性，也使分站具有了一定程度的開放規(guī)模。BAS控制網(wǎng)絡(luò)就形成了3層結(jié)構(gòu)，分別是管理層（*站）、自動化層（DDC分站）和現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層（LON）。

第四代：網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)（21世紀(jì)產(chǎn)品）
隨著企業(yè)網(wǎng)Intranet建立，建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)必然采用Web技術(shù)，并力求在企業(yè)網(wǎng)中占據(jù)重要位置，BAS*站嵌入Web服務(wù)器，融合Web功能，以網(wǎng)頁形式為工作模式，使BAS與Intranet成為一體系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)（EDI）是采用Web技術(shù)的建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)，它有一組包含保安系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)和防火系統(tǒng)的管理軟件。

EBI系統(tǒng)從不同層次的需要出發(fā)提供各種完善的開放技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個層次的集成，從現(xiàn)場層、自動化層到管理層。EBI系統(tǒng)完成了管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的一體化。網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

目前，規(guī)模和影響較大的樓宇設(shè)備供應(yīng)公司有美國霍尼維爾公司、江森公司、KMC公司、德國西門子公司等。

5 結(jié)束語
樓宇自動化控制技術(shù)在我國還是一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，隨著更多智能建筑的出現(xiàn)，將有更加*的技術(shù)補(bǔ)充到這一領(lǐng)域中，使這一技術(shù)更加成熟、完善。