1、本科毕业设计（论文）开题报告题目：大楼楼宇自控系统设计学生姓名 邱智文 学 号 1203010340教学院系 机电工程学院 专业年级 机械工程及自动化 2012 级 指导教师 潘盛湖 职 称单 位 机电工程学院 目录一、大楼楼宇自控系统介绍 1二、楼宇控制的历史 1三、楼宇自控系统应用实际意义及作用 2四、楼宇自控国内外现状分析 34.1 国际研究现状 .34.2 国内研究现状 .54.2.1 国内楼宇自控存在的问题 .5五、楼宇自控发展趋势 6六、设计内容 6七、 设计方案 .77.1 管理层 .77.2.1 主要监控设备 .87.3 现场层 .8八、预期成果 9九、时间安排 9参考文献 .
2、101一、大楼楼宇自控系统介绍随着人们生活水平的提高、计算机技术的发展，人们在追求舒适、安全、便捷的生活环境，为此便产生了智能建筑，智能建筑的发展离不开智能化技术，智能化技术应用在智能建筑中，可以有效的实现智能建筑的功能；提供安全、便捷、舒适的服务；建立科学的综合管理体系；节省能源消耗和降低人工支出成本。因此最大程度地发挥智能技术在智能建筑中的应用可以满足人们对建筑功能的要求。楼宇自控便由此诞生。楼宇自动化控制系统是将建筑物或建筑群内的暖通空调、给排水、供配电、电梯、供热等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监视、管理和分散控制的建筑管理与控制系统，,称为 BAS（Bu
3、ilding Automation System） ，BAS 是由监控软件、控制网络、DDC 控制器、传感器、执行机构和其他配件构成的，对建筑物内机电设备进行监视、控制的网络控制系统。并结合自控技术、空调技术、强点技术、网络技术为一体。二、楼宇控制的历史过去以往传统的自动控制采用分立元器件或专门开发数字控制单元，进行现场控制，控制方式功能单一、扩展性差，对各个控制对象需要人工定时巡检、定期维护、保养。如果控制点数多达几千点的话，不仅需要大量的人力，而且对设备的故障响应也慢，无法满足更高的控制要求（如最优控制、节能控制等），无法和其它系统实现联动。现代建筑内分布有众多的设备子系统和大量的设备，控
4、制对象多达数千点至几万点，如果采用传统分散控制的方式，对它们进行控制、监视和测量，将会产生很多的问题（1）增加开支由于运行系统多，被控制对象繁杂，必然要求有相当数量的维护维修以及值班人员，相应人员开支增大。（2）效率低下，耗费人力数目种类繁多的设备，分布在建筑的各个层面，而相应于传统控制，操作值班人员到设备现场才能观察、控制以及调整设2备。工作效率明显降低，耗费人力。（3）响应缓慢对设备的监测是由巡检人员来完成的，对于数量多而且分布广的系统而言，巡检周期加长，设备运行产生的报警事件不能及时地被发现，从而延误维修，耽搁设备重新投入运转。（4）联动功能差现代建筑中，除去供应能源、控制环境必需的设备
5、系统外，还有保证人身财产安全的消防系统、安防系统以及特殊需要的设备系统，这些系统的运行不是孤立的，需要相互配合才能保证整栋大厦的安全运转。比如，当有火情发生时，需要及时切断相应的空调设备，而传统分散控制很难准确迅速地做到这一点。（5）高级控制算法无法实现传统控制采用的调节装置，一般比较简单，不具备复杂的数学运算和逻辑判断能力，因而对于一些高级控制算法（比如最佳启停控制、节能程序等）无法实现。随着技术的发展，设备越来越智能化，控制系统也越来越复杂，传统的控制方法已经不能满足需要。（6）功能单一，系统扩展性差传统控制采用的控制装置，主要对特定设备进行相应控制，不具备通用性，如果系统发生变动或是扩展
6、，就需要对控制装置进行修改。控制系统的扩展性很差，所以投资的性能价格比很低。（7）故障点多，故障率高传统控制中，采用众多的分立元器件，对应稍高的控制要求，就要有更加复杂的线路，容易产生故障的点相应增多，其故障率也高。（8）基本没有历史事件记录、报警记录功能由于没有历史事件记录功能。对设备运行以及故障分析缺乏依据；由于干扰造成的设备运行问题难于解决，对系统的优化升级不利。严格的讲这只是一种控制模式，不能称为系统，因此这种控制方式已经淘汰，现代建筑中基本不再采用。而现代采用的BAS 系统，是在现场控制的基础上，建立一层统一管理。现场DDC控制器控制功能强大，可灵活配置，完成对不同系统的有效控制。控
7、制中心不仅可以监视所有设备的运行，处理报警事件，而且可以管理指导现场控制，使整幢建筑的设备运行有机地结合为一个整体。BAS 系统与传统控制相比，不仅仅是控制的集中，更为重要的是其功能更加强大、系统组织更加灵活、扩展性强、避免了系统重复投资，从而决定了系统具有极高的投资价值3三、楼宇自控系统应用实际意义及作用现代大楼建筑面积宏大，建筑功能复杂，为了保证整个建筑群的良好舒适的环境和便利的生活、工作空间，配置了大量的机电设备。大量的机电设备必将引起管理复杂，成本增加，能耗巨大。特别是制冷机组、循环水泵、冷却塔和空调机组，如何使这些设备高效运行，是楼宇自控系统必须考虑的问题。因此采用最优化的控制模式来
8、满足大楼的功能要求，就会为信息中心的物业管理带来很大的经济效益。楼宇自控系统即将楼宇中所有的设备进行监视并通过计算对以上设备进行最优控制。因此楼宇自控具有如下几个显著优点：节省能源、降低管理费用、延长设备使用寿命、提高管理可靠性、规范管理制度。楼宇自控的作用在于楼宇自控系统通过配置系统的硬件和软件。实现测量各类工艺、设备状态的参数、设置并控制设备启停、提供设备运行报告等功能。监视并显示系统监控设备的工作状态。故障时提供报警，并对现场自动控制组织的安全调整。根据工艺流程合理调整能量的使用。根据运营要求提供内部最佳集中管理策略。管理分析当前和过去运行过程。提供计算和预测工具。优化操作参数，组合并建
9、立新的运行方式。楼宇自控系统能够实现楼宇自控系统与其他系统数据交换，对受控实现设备遥控操作。四、楼宇自控国内外现状分析4.1国际研究现状当今人们随着信息技术的迅速发展也对整个建筑物的使用功能有着更高的要求，楼宇自动化控制系统也就越来越复杂化。在上世纪50年代的早期，多种电子器件就被少数发达国家在高层建筑中所采用，并组成了简单有效的控制系统。这些国家将多种仪表、信号灯并与操作按键组合起来利用各种线路连到分散在各个现场的机电设备上，用来集中监控这些设备的运行情况，并对各种机电进行自动化控制。到1960年后，具有数字化的自动控制系统出现在人们生活中。4这些系统采用专业计算机进行管理、控制和显示。同样
10、在80年代中期微电子技术不断发展，由计算机构成的控制系统开始被采用，从而为实现楼宇的智能化的实现打下了良好的技术基础。这些控制系统的性能指标是旧式技术没办法启及的。如今的楼宇自动化控制系统经历半个多世纪的多个不同阶段，大致可分为:第一代:CCMS 中央监控系统BAS 从仪表系统发展成计算机系统，采用计算机键盘和 CRT 构成中央站，打印机代替了记录仪表，散设于建筑物各处的信息采集站 DGP(连接着传感器和执行器等设备)通过总线与中央站连接在一起组成中央监控型自动化系统。DGP分站的功能只是上传现场设备信息，下达中央站的控制命令。一台中央计算机操纵着整个系统的工炸。中央站采集各分站信息，作出决策
11、，完成全部设备的控制，中央站根据采集的信息和能量计测数据完成节能控制和调节。第二代:DCS 集散控制系统随着微处理机技术的发展和成本降低，DGP 分站安装了 CPU，发展成直接数字控制器 DDC。配有微处理机芯片的 DDC 分站，可以独立完成所有控制工作，具有完善的控制、显示功能，进行节能管理，可以连接打印机、安装人机接口等。BAS 由 4 级组成，分别是现场、分站、中央站、管理系统。集散系统的主要特点是只有中央站和分站两类接点，中央站完成监视，分站完成控制，分站完全自治，与中央站无关，保证了系统的可靠性。第三代:开放式集散系统随着现场总线技术的发展，DDC 分站连接传感器、执行器的输人输出模
12、块，应用现场总线，形成分布式输入输出现场网络层，从而使系统的配置更加灵活，由于技术的开放性，也使分站具有了一定程度的开放规模。BAS 控制网络就形成了 3 层结构，分别是管理层(中央站)、自动化层( DDC 分站)和现场网络层。第四代:网络集成系统随着企业网 Intranet 建立，建筑设备自动化系统必然采用 Web 技术，并力5求在企业网中占据重要位置，BAS 中央站嵌入 Web 服务器，融合 Web 功能，以网页形式为工作模式，使 BAS 与 Intranet 成为一体系统。楼宇控制技术的发展，给空调控制技术的发展也带来了巨大的影响。作为楼宇自动控制的一个部分，在整个楼宇设备中，空调作为一
13、个耗能大户。如何充分利用自动控制技术创造一个舒适、安全的工作环境的同时，最大可能的节省能源消耗，成为越来越让人注意的焦点。在全球能源日益紧张，又无法找到新能源的情况下，有效地利用现有的能源只能是节省。因此，应用自动控制技术节省能耗意义深远。楼宇自控方面，Honeywell 的 EBI 系统、Johnson Controls 的 Metasys 系统、Siemens 的 Apogee 系统、TAC 的 Vista 系统都已经相对成熟。 4.2 国内研究现状楼宇自动化控制系统的核心是HVAC(暖通空调)系统的自动控制。在所有系统的能源消耗中暖通空调的能耗占建筑总能源消耗的60%以上，因此暖通空调系
14、统的节电节能是智能建筑中实现节能的重中之重。有数据显示发达国家在暖通空调系统的节能方面，节能率一般在25%上下，这也是投资者对楼宇自动化系统的所期待的主要方面之一。所以，暖通空调系统的智能化不但可以实现楼宇环境的精确控制也可以取得直接的经济效益。然而在国内，目前的智能建筑中，能真正做高效节能的并不多，其主要问题于市场管理和技术管理方面，大多数的智能楼宇只实现了最基本的自动化控制，真正的节能环保型智能建筑仍处于发展中阶段。目前口益突显的建筑能耗过大的问题不仅困扰着建筑投资管理者，也同样对自控系统的设计人员提出了较大的挑战。其对降低能耗的量化要求变得迫在眉睫。节能不仅要作为楼宇自动化控制系统设计的
15、出发点，对于设计者来说能够有效的掌握和计量节能的效果也是必须考虑的因素。此外，为了能提供更加详尽完实的数据，设计者必须将数据分析和自动连锁控制逻辑与用电和6节能等措施结合起来，使整个节能过程更加智能化。4.2.1 国内楼宇自控存在的问题在应用上，中国最明显的体现主要是信息技术与产品在建筑中的应用；而在西方发达国家，智能建筑不仅是信息技术和产品的应用，而且还伴随着环保、节能、建造方法、维护使用和可持续发展等因素，也就是把智能建筑技术用在绿色建筑、生态建筑上。 此外，由于子系统技术的复杂性和多变性，使用功能的不确定性以及管理人员的适应性等各方面问题，使国内能达到开发目标并正常投入运行的智能化系统比
16、例较低。五、楼宇自控发展趋势随着楼宇智能化的发展，其呈现出来一些独特的发展特征，根据作者多年的工作经验分析，楼宇智能化发展呈现出以下趋势：1.更加注重集成化、智能化、人性化发展方向。随着人们对生活条件要求的提高，越来越多的智能技术被应用到楼宇中，因此实现多种技术的集成是楼宇智能化发展的方向。2.楼宇智能化功能在逐步完善，呈现多元化发展，多种现代技术的广泛应用，丰富了楼宇智能化的功能，楼宇智能化由最初的实现智能管理逐步扩展到智能管理、人性服务、满足不同环境要求等方面的功能。3.楼宇智能化发展为一种技术产业，楼宇智能化的发展，带动了相关产业的发展，比如计算机技术产业、消防自动化产业、智能管理人才培
17、养产业等，因此楼宇智能化已经由简单的楼宇智能功能发展为一种新兴产业。7六、设计内容1.了解楼宇自控系统结构特点。2.分析楼宇自控系统原理、工作原理，完成控制系统总体结构方案。4.完成管理层的系统研究。5.完成监控层的监控器的类型选型及监控设备的原理分析，监控点位设计。6.完成现场层的控制器的类型选型以及一次元件的工作原理分析设计。七、 设计方案系统的网络结构的特点是采用分布的集散控制方式。管理层是以以太网作为通讯的基础。监控层是现场控制层与管理层数据处理、交换传输的中枢，可以8通过以太网或者 BACnet 现场总线通讯方式通讯。控制层绝大多数采用楼宇自控专有的 BACnet 总线技术，点对点通
18、讯，并允许在线增减设备，其结构为系统实施和维护带来非常大的灵活性。管理层和监控层网络通过标准的 TCP/IP 通讯协议传输数据，利用综合布线实现线路连接，系统基于浏览器与服务器（Browser &Server）结构。其主要设备包括楼宇自控系统服务器、客户终端工作站、现场的便携式终端、网络控制引擎等。7.1 管理层上位管理层在分布式网络环境下构建开放的为用户服务的一体化环境的信息系统，使远程用户能随时查询网络运行状况以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。主要包括 Johnson Controls 与 Microsoft 共同研发的 Metasys ADS 上位管理系统，安装于服务器、
19、工作站等设备上，可对大量的趋势数据、事件、消息、操作员处理记录及系统配置数据进行管理，加载大量图形操作界面，完成操作人员对现场设备控制的人机交互功能。7.2 监控层监控管理层级是介于现场控制层与上位管理层级的中间数据传输处理枢纽，是主要由网络控制引擎 NAE 组成，监控层从现场设备获取数据，对数据进行监视、存储、分析和显示，另外还包括控制组态的设计和下载等。其设备主要是一些操作员站、控制站等自动化装置，在 Johnson Controls 自控系统中网络控制引擎 NAE 扮演了数据处理中心的角色。监控层设备从硬件来看，要求具有较大的存储容量，允许有较多的画面可显示。从软件来看，应采用数据压缩技
20、术、分布式数据库技术及并行处理技术等。97.2.1 主要监控设备暖通空调、给排水设备、冷热源设备。其中重点研究暖通空调的监控原理，监控点位。因为整栋大楼的能源消耗主要集中在空调机组中，节能意义非凡。7.3 现场层现场控制层级是楼宇自控系统中最底层的控制系统，是由现场直接数字控制器 DDC（Direct Digital Controller） 、现场被控设备及监测采集数据的仪器仪表构成，包括一些具有网络接口的智能传感器、变送器、执行器、记录仪等。现场层 DDC 直接与控制对象连接，采集现场数据、对现场设备发出控制指令或者监测现场生产设备的运行状态、故障报警，对执行机构实施控制等。同时，DDC 还
21、与上一层及的网络控制器相连，通过网络控制引擎向上传递现场采集的数据并接受上位机的控制指令。 由于现场层设备安装在生产现场，因此，要求设备能适应环境的温、湿度变化，适应电网电压波动的变化，适应工业环境中的电磁干扰的影响，以及环境介质的影响。现场层设备要求具有实时性强的特点。 八、预期成果学生在毕业设计期间，综合运用大学所学过的机械、电子、控制、传感检测等方面的知识，完成大楼楼宇设备自控系统设计，主要包括以下内容：1.设计书一份；2.开题报告一份；3 英文翻译一份；104.完成选型、控制方法研究；完成电路设计；5.完成原理图 1 张，电气原理图 2 张，控制柜图 2 张；6.日志以及其它要求按西南
22、石油大学本科毕业设计要求进行。九、时间安排设计（论文）的进程安排序 号 设计（论文）各阶段内容 起止日期1 查阅资料，完成开题报告，完成英文翻译； 1 月 11 日至 3 月 10日2 广泛收集系统设计资料，理解大楼楼宇设备自控系统设计方案，并制定设计思路，制定控制决策； 3 月 11 日至 4 月 1 日3 按已定结构方案展开设计工作，完成控制方案研究；完成控制系统硬件、软件设计；4 月 2 日至 4 月 30 日4 绘制结构原理图、电气原理图；控制柜安装图； 5 月 1 日至 5 月 21 日5 撰写论文，准备毕业答辩。 5 月 22 日至 5 月 31日6 提交论文，准备答辩 6 月 1 日至 6 月 10 日参考文献1吴强.楼宇智能化技术在智能建筑中的应用. 20142岳洪泉.楼宇设备自动化系统的应用.建筑电气.20083许福杰.对楼宇自控系统的几点认识.智能建筑与城市信息.2003 4陈伟利.楼宇智能化技术与应用.化学工业出版社.2010 115魏建国.现代楼宇自动化系统设计.攀枝花学院学报.2009
