樓宇自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
| 摘要： 本文分析了樓宇自控的基本模式、組成、控制結(jié)構(gòu)和分類，并介紹了直接數(shù)字控制器（DDC）的發(fā)展過(guò)程和現(xiàn)狀，對(duì)DDC在樓宇自控系統(tǒng)中的配置方式進(jìn)行介紹和評(píng)價(jià)， 樓宇自控系統(tǒng)(BAS)作為智能大樓必要的組成部分, 越來(lái)越受到廣泛的重視, 對(duì)于樓宇自控系統(tǒng)的功能和組成，業(yè)內(nèi)人士大都十分清楚，但是深究起樓宇自控的發(fā)展過(guò)程和為什么要采用這樣的模式可能并不是所有的人都經(jīng)過(guò)認(rèn)真的分析。樓宇自控系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)一樣，遵循自控系統(tǒng)的原則：即“分散控制，集中管理，獨(dú)立工作”，本文并非對(duì)樓宇自控系統(tǒng)全面的論述，而是按照自控系統(tǒng)的原則，針對(duì)幾個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行深一步的探討。 1. 樓宇自控系統(tǒng)的層次 目前大多數(shù)的樓宇自控系統(tǒng)是采用三層的結(jié)構(gòu)形式。第一層是中央監(jiān)控管理層，由計(jì)算機(jī)和中央監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件和相應(yīng)的通訊設(shè)備組成。需要指出的是，樓宇自控上位軟件大多分成兩部分。一部分是設(shè)定和編程軟件，多為各廠商自行編制；另一部分為監(jiān)控軟件，通常稱為SCADA。 有些樓宇自控廠商采用的是自行開發(fā)的SCADA，有些采用通用的SCADA。通常來(lái)講專用的SCADA針對(duì)性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、但功能比較單一，處理能力和二次開發(fā)能力較弱，兼容性也不強(qiáng)，升級(jí)比較困難。作為獨(dú)立的軟件產(chǎn)品，通用的SCADA在工業(yè)和建筑業(yè)都有大量的應(yīng)用。成熟、穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、升級(jí)快，可以隨時(shí)替換，同時(shí)價(jià)格也比較高。樓宇自控系統(tǒng)的第二層是現(xiàn)場(chǎng)直接數(shù)字控制器（DDC）。第三層是現(xiàn)場(chǎng)傳感器、變送器和執(zhí)行器。 有些樓宇自控系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)， 既將第一層和第二層合并。這種形式多見于現(xiàn)場(chǎng)總線采用環(huán)型令牌網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，中央監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)和DDC被當(dāng)作同等的節(jié)點(diǎn)處理，只是信息傳送的一個(gè)中轉(zhuǎn)站。采用這種模式數(shù)據(jù)傳輸可靠性相對(duì)較高，主要是因?yàn)榭梢噪p向傳送，對(duì)通信線斷路可以進(jìn)行路由重組，因此有冗余功能。但******的問(wèn)題是通訊效率低、速度慢，對(duì)于大型的系統(tǒng)尤其突出。還有一種兩層結(jié)構(gòu)是沒(méi)有DDC層的模式，下面將會(huì)介紹。 在樓宇自控的發(fā)展過(guò)程中還出現(xiàn)過(guò)四層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，在第一層中央監(jiān)控管理層和DDC層中間增加一個(gè)網(wǎng)關(guān)層。這是由于現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊協(xié)議不夠完善，DDC之間無(wú)法點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信（Peer To Peer），必須通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。從理論上來(lái)講在這種方式中網(wǎng)關(guān)成為最危險(xiǎn)的部分，任何通訊必通過(guò)它來(lái)完成，所以一旦出現(xiàn)問(wèn)題可能會(huì)使系統(tǒng)癱瘓?jiān)斐芍卮髶p失。所以網(wǎng)關(guān)多數(shù)采用工控機(jī)或嵌入式系統(tǒng)來(lái)制造，以提高可靠性，所以目前這種結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越少。 2. 樓宇自控系統(tǒng)的控制模式 控制模式是樓宇自控系統(tǒng)變化最多的, 隨著科技的發(fā)展樓宇自控系統(tǒng)的控制模式也在不斷的改進(jìn)，逐漸從集中控制系統(tǒng)向分散控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，但其過(guò)程又是經(jīng)歷了不同的階段，在下面逐一進(jìn)行分析： 無(wú)論工業(yè)自控還是樓宇自控最初都是采用集中控制的方式，主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的限制， 控制器很難小型化，相互之間的通信協(xié)作也存在技術(shù)困難，所以只能采用大型的控制器，所有的傳感器、變送器和其它的輸入信號(hào)，全部接到中央控制器上，輸出控制信號(hào)也從控制器上發(fā)出?？梢钥闯鲞@種模式很不靈活，布線工作量很大，線路長(zhǎng)，信號(hào)損失和干擾都比較大，屬于初級(jí)的控制系統(tǒng)。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單板機(jī)或單片機(jī)的運(yùn)算能力有了顯著的提高，DDC直接數(shù)字控制器可以做的比較小。由于處理能力的提高，DDC和上位機(jī)的通信能力也有很大的改善，出現(xiàn)了一種由比較大型的DDC組成的控制系統(tǒng)，我們稱之為半分散式的控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)有了一定的分散性，施工、管理和控制更加方便，但控制器的規(guī)模還是與受控設(shè)備的需求不相匹配，多數(shù)情況下一臺(tái)控制器仍控制多臺(tái)設(shè)備，布線量還是較大，配置較為困難，難以做到很直接的控制，仍不是一種理想的控制模式。 目前使用比較廣泛的是分散式的樓宇控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)控制需要和受控設(shè)備的點(diǎn)數(shù)和功能要求不同而采用不同大小的控制器，使設(shè)備配置更加合理。其中最理想的配置方式是：一臺(tái)設(shè)備用一臺(tái)ＤＤＣ控制器進(jìn)行控制，或一組具有相關(guān)的功能的設(shè)備由一臺(tái)ＤＤＣ進(jìn)行管理和控制（如：冷水機(jī)、冷卻水泵、冷凍水泵及冷卻塔等具有相互關(guān)聯(lián)功能的設(shè)備組）。這樣的模式主要的控制功能可以在ＤＤＣ上獨(dú)立完成，響應(yīng)速度快，可靠性高，不依靠或很少依靠網(wǎng)絡(luò)完成控制功能。由于采用一對(duì)一的控制，控制器可以置于受控設(shè)備的旁邊，布線量更小，調(diào)試維護(hù)都比較容易。但到目前為止，大多數(shù)樓宇自控廠商的ＤＤＣ種類都不多，很難做到一對(duì)一控制。但追求這種效果是很多設(shè)計(jì)院和工程公司的目標(biāo)，有時(shí)甚至為此會(huì)浪費(fèi)一些DDC的監(jiān)控點(diǎn)。因?yàn)檫@樣做無(wú)論是對(duì)工程實(shí)施過(guò)程還是業(yè)主日后的管理都有很大益處，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這是一種較好的控制模式。 值得注意的是目前在國(guó)內(nèi)出現(xiàn)一種現(xiàn)象，就是在控制系統(tǒng)中大量采用擴(kuò)展模塊。對(duì)于一臺(tái)受控設(shè)備來(lái)講，如果DDC的容量不夠，適當(dāng)?shù)脑黾訑U(kuò)展板來(lái)控制一臺(tái)獨(dú)立的設(shè)備是合理的，可以達(dá)到獨(dú)立工作的效果。但采用很多的擴(kuò)展板并用以控制多臺(tái)設(shè)備，或用擴(kuò)展板單獨(dú)控制設(shè)備，在控制領(lǐng)域被認(rèn)為是不適當(dāng)?shù)摹Ｒ驗(yàn)?，通常擴(kuò)展板是沒(méi)有獨(dú)立運(yùn)算和處理能力的，要依靠與之聯(lián)接的DDC才能正常工作，如果一臺(tái)DDC帶的擴(kuò)展板過(guò)多必然會(huì)影響整個(gè)DDC的處理速度，更重要的是設(shè)備的控制無(wú)法做到獨(dú)立工作，DDC的故障會(huì)影響到所有與之聯(lián)接的擴(kuò)展板的正常運(yùn)行。在維修和更換部件時(shí)將造成大面積的受控設(shè)備無(wú)法正常工作，從而大大降低了系統(tǒng)的可靠性，給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很大的隱患，并給建成后的運(yùn)行維護(hù)造成困難。這種做法雖然在建設(shè)初期能夠降低一些成本，但帶來(lái)的損害是得不償失的。 科技的發(fā)展日新月異，人們?cè)噲D采用更加分散的控制模式，從根本上取消ＤＤＣ控制器、傳感器和控制器的邏輯關(guān)系，直接從網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行綁定，從而實(shí)現(xiàn)了另一種兩層的控制系統(tǒng)，我們稱之為完全分散控制系統(tǒng)。ＬＯＮＷＯＲＫＳ系統(tǒng)是最早應(yīng)用的分散系統(tǒng)，雖然ＬＯＮＷＯＲＫＳ產(chǎn)品應(yīng)用非常多，逐漸成為主流的樓宇自控現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但真正的全分散的系統(tǒng)應(yīng)用確非常少。究其原因主要是因?yàn)椋阂环矫嫒稚⑾到y(tǒng)所用的傳感器、變送器和執(zhí)行器必須是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)，有相應(yīng)的收發(fā)器和Neuron芯片，傳統(tǒng)的制造廠商無(wú)法及時(shí)提供充足的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，同是系統(tǒng)的造價(jià)也很高；另一方面也不可忽視的是，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)都建立在控制器的可靠性上，網(wǎng)絡(luò)的可靠性受到其它因素影響比較大。分散系統(tǒng)調(diào)試時(shí)要至少一個(gè)網(wǎng)段通訊正常才能進(jìn)行最基本的功能調(diào)試，有時(shí)會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境的影響。由于這些因素的存在，許多制造商將Neuron芯片直接做成DDC控制器，而傳感器、變送器和執(zhí)行器仍采用傳統(tǒng)的設(shè)備。采用LONWORKS現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)分散控制模式，這一變通的做法取得了很大的成功。由于LONTALK協(xié)議的先進(jìn)性和開放性，目前大多數(shù)LONWORKS自控系統(tǒng)都是采用這種方式，并得到了廣泛的認(rèn)可和推崇 ，但并不是說(shuō)就是最完善的模式。由于LONWORKS技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是為每個(gè)IO點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的，這樣每個(gè)傳感器、變送器和執(zhí)行器將都會(huì)變?yōu)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣所設(shè)計(jì)的Neuron芯片3150的處理能力無(wú)需很強(qiáng)，內(nèi)存也比較小,同時(shí)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)變量也有限制。 這樣用Neuron芯片開發(fā)的DDC都比較小,很難做成較大型、點(diǎn)數(shù)多、功能強(qiáng)的控制器,無(wú)法和受控設(shè)備的規(guī)模相一致, 經(jīng)常會(huì)見到同時(shí)使用4到6臺(tái)這樣的DDC用來(lái)控制一臺(tái)AHU(空氣處理機(jī)組)。無(wú)法否認(rèn)采用這樣的方式,單臺(tái)受控設(shè)備的正常工作必須依賴于網(wǎng)絡(luò)暢通，需要網(wǎng)絡(luò)調(diào)試正常后才能進(jìn)行程序設(shè)定。這樣使得調(diào)試工作變得相對(duì)復(fù)雜，而且網(wǎng)絡(luò)一旦出現(xiàn)故障將會(huì)造成受控設(shè)備無(wú)法工作，產(chǎn)生較大影響。針對(duì)LONWORKS產(chǎn)品的這一特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)受控設(shè)備的一對(duì)一控制，有些廠商根據(jù)樓宇自控系統(tǒng)受控設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出針對(duì)設(shè)備的專用控制器。如根據(jù)樓宇自控的受控設(shè)備（如：空氣處理機(jī)組，新風(fēng)機(jī)組，送排風(fēng)機(jī)等）的控制模型，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的專用控制器，利用Neuron芯片有限的資源制造出較大的控制器,盡量少的依賴網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作。雖然DDC的靈活性會(huì)因此有所下降, 但由于樓宇自控系統(tǒng)的控制模型相對(duì)比較固定，專用控制器可以滿足絕大多數(shù)工程中的應(yīng)用，如萬(wàn)一遇到特殊的需求，可以配合通用的LONWORKS DDC。由于LONWORKS產(chǎn)品的互操作性，不同的系統(tǒng)可以溶為一體，這樣的系統(tǒng)不僅可靠性高，同是大大減輕了調(diào)試的工作量。新加坡QA（Quantum Automation）就是采用這種模式，成為亞太地區(qū)LONWORKS樓宇自控系統(tǒng)******的供應(yīng)商，其LONWORKS DDC的品種也最為齊全，完成了大批重大的樓宇自控工程。 還有一種方案，針對(duì)Neuron芯片CPU是8位單片機(jī)，處理能力有限的情況, 采用通用的單片機(jī)作為 DDC的內(nèi)部運(yùn)算，可以采用8位、16位或32位的CPU, 通訊和協(xié)議處理采用Neuron芯片，這樣的雙處理器的結(jié)構(gòu)，即可以利用LONWORKS 產(chǎn)品中LONTALK協(xié)議先進(jìn)性和開放性的特點(diǎn)，又保證了DDC的處理和運(yùn)算能力。雖然造價(jià)會(huì)有所增加，但也不失為一種理想的解決方案，只是目前由于技術(shù)等原因產(chǎn)品還很少，相信不久的將來(lái)會(huì)在工程中涌現(xiàn)出來(lái)。 |
