[關(guān)鍵詞] 計算機(jī) BAS 通信網(wǎng)絡(luò) *監(jiān)控

　　[摘  要]文章介紹了計算機(jī)技術(shù)在建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（BAS）中的應(yīng)用，著重對BA系統(tǒng)的組成、計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能及軟件進(jìn)行了闡述。

　　在建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)中，從傳感器、執(zhí)行器、控制器到信息處理、通信網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程監(jiān)控和物業(yè)管理都離不開計算機(jī)?？梢哉f，計算機(jī)系統(tǒng)是建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)的核心和靈魂。

１ 建筑

設(shè)備自動化系統(tǒng)的組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)是一個綜合集成化管理監(jiān)控系統(tǒng)，它是一種集散型控制系統(tǒng)，是２０世紀(jì)７０年代后期隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)字通信技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種*的控制方法。

　　建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和接口技術(shù)將分散在各子系統(tǒng)中不同區(qū)域不同用途的現(xiàn)場直接數(shù)字控制器（ＤＤＣ）連接起來，通過聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各子系統(tǒng)與*監(jiān)控管理級計算機(jī)之間及子系統(tǒng)之間相互的信息通信，達(dá)到分散控制、集中管理的功能模式。系統(tǒng)組成主要包括：*操作站、分布式現(xiàn)場控制器、通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場就地儀表。其中，通信網(wǎng)絡(luò)包括：網(wǎng)絡(luò)控制器、連接器、調(diào)制解調(diào)器、通信線路；現(xiàn)場就地儀表包括傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥、接觸器等。

　　集散型控制系統(tǒng)的特點是：以分布在現(xiàn)場被控設(shè)備處的多臺計算機(jī)控制裝置完成被控設(shè)備的實時監(jiān)控任務(wù)，克服了計算機(jī)集中控制帶來的諸多不便。ＤＤＣ既具有可編寫程序、獨立運行監(jiān)控有關(guān)設(shè)備的能力，又可聯(lián)網(wǎng)并通過*管理機(jī)接受統(tǒng)一控制與優(yōu)化管理，從而實現(xiàn)“集中監(jiān)控，危險分散，系統(tǒng)易于擴(kuò)展”的原則，提高了控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性。

２ 控制計算機(jī)及通信網(wǎng)絡(luò)

　　集散型計算機(jī)控制系統(tǒng)主要由*管理計算機(jī)、設(shè)備的直接控制器與計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)三大部分組成。系統(tǒng)對各部分的要求如下。

　?。玻?*管理計算機(jī)

　　*管理計算機(jī)擔(dān)負(fù)著整個建筑或建筑群設(shè)備的監(jiān)控與管理的任務(wù)，起著類似人類大腦的指揮作用，所以又稱為上位機(jī)或*機(jī)。除要有完善的軟件功能外，更要求硬件必須可靠。每臺ＤＤＣ都只關(guān)系到個別設(shè)備的工作，而*管理計算機(jī)則關(guān)系著整個系統(tǒng)，并且要求連續(xù)不間斷工作，因此對其可靠性的要求就非常高。顯然，采用單臺計算機(jī)一般很難滿足要求。盡管工業(yè)控制機(jī)本身的可靠性較高，但其價格昂貴，且發(fā)生故障也會死機(jī)。目前，在大多數(shù)智能大樓ＢＡ系統(tǒng)中普遍采用價格低廉的商用微型計算機(jī)，其可靠性不僅依賴于計算機(jī)本身的設(shè)計與制造工藝，而且必須同時設(shè)有熱備份機(jī)，即利用兩臺及兩臺以上的計算機(jī)同時工作。當(dāng)一臺工作著的*機(jī)故障，備份機(jī)能迅速接管指揮權(quán)，使系統(tǒng)能繼續(xù)正常工作。商用微型計算機(jī)或通用的個人計算機(jī)（ＰＣ）價格適當(dāng)，軟件資源豐富，可利用容錯技術(shù)彌補(bǔ)其可靠性差的缺陷，即可達(dá)到可靠又經(jīng)濟(jì)的兩全要求。

　?。玻?直接數(shù)字控制器

　　直接數(shù)字控制器（ＤＤＣ），也稱為下位機(jī)。它是利用數(shù)字式電子計算機(jī)直接測量被控設(shè)備特征參數(shù)和過程參數(shù)并達(dá)到控制目標(biāo)的控制裝置。隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，直接數(shù)字控制器不僅在性能上全面超越常規(guī)模擬式測控儀表，而且在價格上也日益具有競爭優(yōu)勢。ＤＤＣ具有可靠性高、控制能力強(qiáng)、可編寫程序等優(yōu)點，智能大樓中各類設(shè)備均已普遍使用。

　　在ＤＤＣ的系統(tǒng)設(shè)計和使用中，主要掌握ＤＤＣ的輸入和輸出的連接。根據(jù)信號形式的不同，ＤＤＣ的輸入和輸出有如下四種。

　　2.2.1 模擬量輸入（Analogy Input 縮寫為AI）

　　模擬量輸入的物理量有溫度、濕度、壓力、流量等，這些物理量由相應(yīng)的傳感器測得，經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査腿耄模模玫哪M輸入口（ＡＩ）。此電信號可以是電流信號（一般為０～１０ｍＡ），也可以是電壓信號（０～５Ｖ）或（０～１０Ｖ）。電信號送入ＤＤＣ模擬量輸入通道后，經(jīng)過內(nèi)部模／數(shù)轉(zhuǎn)換器將其變?yōu)閿?shù)字量，再由ＤＤＣ計算機(jī)進(jìn)行分析處理。

　　2.2.2 開關(guān)量輸入（Digital Input 縮寫為DI）

　　對于以開關(guān)狀態(tài)為輸出的傳感器，如水流開關(guān)、風(fēng)速開關(guān)、壓差開關(guān)等，可以直接接在ＤＤＣ的ＤＩ通道上，除了測量開關(guān)狀態(tài)外，ＤＩ通道還可以直接對脈沖信號進(jìn)行測量，測量脈沖頻率、測量其高電平或低電平的脈沖寬度或?qū)γ}沖個數(shù)進(jìn)行計數(shù)。

　　2.2.3 模擬量輸出（Analogy Output 縮寫為AO）

　　ＤＤＣ的模擬量輸出信號是０～５Ｖ或０～１０Ｖ間的電壓或０～１０ｍＡ、４～２０ｍＡ間的電流。其輸出電壓或電流的大小由計算機(jī)內(nèi)數(shù)字量大小決定。由于ＤＤＣ計算機(jī)內(nèi)部處理的信號都是數(shù)字信號，所以這種連續(xù)變化的模擬量信號是通過內(nèi)部數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器（Ｄ／Ａ）產(chǎn)生的。通常，模擬量輸出信號用來控制風(fēng)閥、水閥等執(zhí)行器動作。

　　2.2.4 開關(guān)量輸出（Digtal Output 縮寫為DO）

　　開關(guān)量輸出亦稱數(shù)字量輸出，它可由計算機(jī)輸出高電平或低電平，通過驅(qū)動電路可帶動繼電器或其他開關(guān)元件動作，也可驅(qū)動指示燈顯示狀態(tài)。ＤＯ信號可用來控制開關(guān)、交流接觸器、變頻器以及可控硅等執(zhí)行元件動作。

　?。玻?ＢＡ系統(tǒng)的計算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

　　智能建筑的計算機(jī)通信系統(tǒng)多采用兩級或多級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)與方案很多，技術(shù)性能的提高往往帶來造價上升。因此，確定網(wǎng)絡(luò)方案應(yīng)以性能價格比高為準(zhǔn)則，即在滿足技術(shù)性能指標(biāo)要求的前提下盡量降低成本。對于ＢＡ系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的確定，我們從以下幾方面進(jìn)行分析。

　　大型或較大型系統(tǒng)的分站，必須將分站設(shè)置在其所屬受控對象系統(tǒng)附近，使之成為現(xiàn)場工作站。分站中以一臺微處理機(jī)為核心，實現(xiàn)全部監(jiān)控功能。分站與*站之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，同時分站之間也應(yīng)能實現(xiàn)直接數(shù)據(jù)通信。

　　對于統(tǒng)一管理的建筑群或特大建筑物，當(dāng)其設(shè)備數(shù)量極多而配置又極為分散時，宜采用多個微型中心站并通過網(wǎng)橋（或網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行互聯(lián)，組成多域網(wǎng)。

　　中型系統(tǒng)和設(shè)備分散的較小型系統(tǒng)宜采用分級分布式監(jiān)控系統(tǒng)。但當(dāng)受到投資、使用、維護(hù)水平的限制時，也可采用集中式結(jié)構(gòu)，即*站采用計算機(jī)監(jiān)控，分站不設(shè)ＣＰＵ。分站采用功能模件式結(jié)構(gòu)，以完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換與傳遞功能為主，而由*站對所屬設(shè)備進(jìn)行啟／?？刂坪蛥?shù)調(diào)節(jié)。

　　小型系統(tǒng)和布置比較集中的較小型系統(tǒng)宜采用集中式結(jié)構(gòu)，即僅設(shè)一臺微型計算機(jī)對現(xiàn)場的多種裝置實現(xiàn)控制，組成單機(jī)多回路系統(tǒng)。

　　一般來說，現(xiàn)場直接數(shù)字控制器（ＤＤＣ）與網(wǎng)絡(luò)控制器之間構(gòu)成*級網(wǎng)，均采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)串行通信制式，且使用價格低廉的雙絞屏蔽線作為傳輸介質(zhì)；*管理計算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)控制器之間構(gòu)成第二級網(wǎng)，由于其通信數(shù)據(jù)量大，要求速度快，故需用更高一級的Ｅｔｈｅｒｎｅｔ或Ａｒｃｎｅｔ等高速通信網(wǎng)，傳輸介質(zhì)為同軸電纜或光纖；為參與更高的管理級，尚需將上述局域網(wǎng)聯(lián)至更高速的廣域網(wǎng)。

３ *監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成與軟件

　　在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中常用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指在局域網(wǎng)ＬＡＮ上各個節(jié)點（也叫站）之間的互聯(lián)方式。局域網(wǎng)ＬＡＮ的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、環(huán)形和總線結(jié)構(gòu)以及環(huán)星形結(jié)構(gòu)等。在集散型控制系統(tǒng)中常采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各個ＤＤＣ分站通過ＲＳ４８５通信接口與上位機(jī)連接。采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于共享一個中心和各個場點之間的直接通信和數(shù)據(jù)交換，同時具有經(jīng)濟(jì)性以及通信速度快、結(jié)構(gòu)可靠性高等優(yōu)點。

　　在*監(jiān)控系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享，通常以通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)為中心，以星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Ａｒｃｎｅｔ局域網(wǎng)絡(luò)組成分布式計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)以Ａｒｃｎｅｔ局域網(wǎng)作為物理傳輸層，可提供２．５Ｍｂｉｔ／ｓ基帶通信；通信電纜采用同軸電纜（３ｋｍ以上）、雙絞線（１．５ｋｍ以上）或雙重電纜。通信接口有：ＲＳ４８５，１９．２ｋｂｉｔ／ｓ； ＲＳ２３２，９．６ｋｂｉｔ／ｓ。

　　通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的主要功能有：通信登記功能、信息傳送路徑的設(shè)定、系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)的備份、網(wǎng)關(guān)的熱備份、遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視和控制、提供智能通信接口，以建立和其他獨立設(shè)置的計算機(jī)系統(tǒng)或智能微處理器設(shè)備之間的通信和數(shù)據(jù)庫交換。

　　*監(jiān)控系統(tǒng)的軟件有管理軟件和通信與數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)軟件兩大類。管理軟件提供對建筑物內(nèi)各系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的集中和全面的管理；通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)軟件提供建筑物內(nèi)各計算機(jī)終端、智能分站之間共享通信線路及通信路徑的分配信息數(shù)據(jù)資料交換和存儲，以及提供智能通信接口建立與其它獨立設(shè)置的計算機(jī)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息資源交換等。

　　系統(tǒng)軟件采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計。系統(tǒng)的管理軟件模塊可以根據(jù)系統(tǒng)的集成度來決定其配置，可以簡易、靈活、方便地實現(xiàn)*管理軟件功能的增減。系統(tǒng)的界面軟件設(shè)計是面向那些不懂計算機(jī)專業(yè)知識的系統(tǒng)管理和操作人員，實用而操作簡便。系統(tǒng)軟件具有自動糾錯提示功能和設(shè)備故障指示功能；系統(tǒng)軟件提供對智能卡系統(tǒng)軟件的支持和與、尋呼系統(tǒng)直接通信的能力。系統(tǒng)外圍智能分站的軟件設(shè)備不依賴于*控制軟件，當(dāng)監(jiān)控中心計算機(jī)發(fā)生故障時，各外圍智能分站能夠*獨立地監(jiān)視和控制所屬區(qū)域的設(shè)備。

　　*管理軟件的功能模塊有：

　　系統(tǒng)操作管理、報警／信息顯示和打印、圖形顯示／控制器、警報的處理、文本顯示、系統(tǒng)操作指導(dǎo)、巡更管理、系統(tǒng)輔助功能設(shè)定、系統(tǒng)工程編制、智能卡系統(tǒng)管理、系統(tǒng)故障自診斷、直接數(shù)字控制模塊、組合控制設(shè)定、節(jié)假日期設(shè)定、快速信息檢索、系統(tǒng)信息傳送、設(shè)備節(jié)能控制、系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信。

４ 智能分站的功能與監(jiān)控軟件

　?。拢料到y(tǒng)中的區(qū)域智能分站的主要任務(wù)有：

　?。ǎ保┻M(jìn)行過程信息數(shù)據(jù)的采集。即對系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備中的每個過程量和狀態(tài)信息、過限報警等進(jìn)行快速采集，使之得到進(jìn)行數(shù)字控制、階梯控制、中斷控制、開／閉環(huán)控制、設(shè)備監(jiān)測、狀態(tài)報告等過程所需的信息輸入；

　　（２）進(jìn)行直接數(shù)字控制。根據(jù)控制組態(tài)數(shù)據(jù)庫、控制算法模式來實施實時過程量（如開關(guān)量、模擬量等）的控制。進(jìn)行監(jiān)控設(shè)備過程變量的自動計算，分析是否由本級處理或向*管理級傳送，以確定對被控裝置實施調(diào)節(jié)的參量，以及必要時實施報警、診斷報告等措施；

　?。ǎ常嵤┌踩浴⑷哂嗷矫娴拇胧?。一旦發(fā)現(xiàn)計算系統(tǒng)硬件或智能分站模塊板有故障，就立刻實施備用切換，以保證整個系統(tǒng)的安全運行。

　　智能分站監(jiān)控軟件應(yīng)具備的功能是：采樣點與調(diào)控點的處理、控制命令的執(zhí)行、報警設(shè)定、直接數(shù)字控制、階梯控制方式、事件／時間響應(yīng)程序、ＨＶＡＣ系統(tǒng)的節(jié)能管理、分散電力需求控制、控制模式、循環(huán)控制方式、時間區(qū)控制方式、*停止／啟動控制方式、數(shù)字與邏輯運算功能、趨勢運行記錄、緊急報警等。

５ 現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用

　?。玻笆兰o(jì)８０年代后期，現(xiàn)場總線技術(shù)迅速發(fā)展，現(xiàn)場總線是連接智能現(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)。雖然不同產(chǎn)品系列所遵循的協(xié)議有異，接口標(biāo)準(zhǔn)也不同，但都已在各自領(lǐng)域內(nèi)得到了推廣和應(yīng)用，形成了各自的工業(yè)習(xí)用標(biāo)準(zhǔn)。

　　現(xiàn)場總線技術(shù)基本上具有如下特點：

　?。ǎ保┮詳?shù)字信號取代４～２０ｍＡ的模擬信號。過去每一路模擬信號都需要一對信號線的傳輸方法被一對現(xiàn)場總線所代替，節(jié)約了大量的信號電纜，簡化了布線工作，降低了電纜安裝、維護(hù)費用，而且傳輸信號的數(shù)字化使得檢錯、糾錯手段得以實現(xiàn)，極大地提高了信號轉(zhuǎn)換精度和可靠性，因此具有很高的性能價格比；

　?。ǎ玻┈F(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，控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)多樣化；

　?。ǎ常┓贤滑F(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的不同廠家的儀表裝置可以聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)操作；不同標(biāo)準(zhǔn)通過網(wǎng)關(guān)或路由器也可互聯(lián)。所以，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是一個開放式系統(tǒng)。

　　在具有集中結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場控制站這一層，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)ＬＡＮ與現(xiàn)場總線之間以路由器相聯(lián)，構(gòu)成一個*分散的、真正開放的建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)，不僅成本低、靈活性好，而且具有實用性和更高的可靠性。

６?。拢料到y(tǒng)設(shè)計舉例

　　例如某一超高層建筑的ＢＡ系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計前期首先應(yīng)根據(jù)各專業(yè)所提供的資料按分區(qū)分類編制監(jiān)控點數(shù)表，以確定各設(shè)備層輸入的模擬量、數(shù)字量點數(shù)及輸出的模擬量、數(shù)字量點數(shù)。模擬量包括溫度、壓力、濕度、流量、電流、電壓等參數(shù)。數(shù)字量包括狀態(tài)信號和故障報警信號。而提供數(shù)字量的接點必須是無源接點。根據(jù)輸入輸出模擬量、數(shù)字量點數(shù)，再考慮將來的發(fā)展，留出一些備用發(fā)展點，來確定ＤＤＣ分站的數(shù)量和位置。如本大樓采用Ｍｅｔａｓｙｓ系統(tǒng)。Ｍｅｔａｓｙｓ系統(tǒng)是美國Ｊｏｈｎｓｏｎ（江森）公司產(chǎn)品，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Ａｒｃｎｅｔ高速通訊網(wǎng)絡(luò)作為通信主干線，各分站控制器和操作站均與Ａｒｃｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)，其通訊速度為２．５Ｍｂｉｔ。系統(tǒng)為兩級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，*管理計算機(jī)采用ＰＣ微機(jī)，軟件中設(shè)有密碼保護(hù)，各分站采用ＤＤＣ，具有可編程序功能，可獨立監(jiān)控有關(guān)機(jī)電設(shè)備，不需要經(jīng)過*管理計算機(jī)的處理，可就地顯示ＤＤＣ所監(jiān)視的各參數(shù)及設(shè)備工作狀態(tài)。ＤＤＣ內(nèi)配有備用電池，提供７２ｈ程序保護(hù)。

７　結(jié)束語

　　智能型建筑是信息時代的產(chǎn)物，是以計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)為核心的信息技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用與滲透。計算機(jī)技術(shù)發(fā)展飛速，計算機(jī)必將在建筑設(shè)備自動控制中應(yīng)用更為普及。如何設(shè)計一個、實用，同時又能適應(yīng)未來發(fā)展變化的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將是業(yè)內(nèi)人士需要進(jìn)一步研究和考慮的課題。