楼宇自控系统的工作原理、构成和功能
摘要：在南京中心地区新街口，将要树起一座56层，高Z10m，号称江苏省第一高楼的“商茂广场”。这座被列为南京市重点项目的跨世纪工程，总建筑面积约十万m2，是现代化的集商场、餐饮、娱乐、办公、商住、停车为一体的多功能综合性高层建筑。在这座标志性建筑中，有很多具有时代标志的高科技设施。如:依据人流量智能调节运行速度的自动扶梯、提供四季如春环境的中央空调系统，保障电力供应的供配电系统等等，如何对这些机电设备进行有效的控制管理，保证系统稳定可靠协调运行成为大厦建设者—南京商茂房地产开发公司必须面对的问题。
关键词：楼宇自控，工作原理，功能
经反复比较论证，这家公司最终决定引进世界著名楼宇控制厂家—美国KMC控制公司的楼宇自动化控制系统。那么，楼宇自控系统是怎样发展和构成的，KMC控制公司的楼宇自动化控制系统是怎样对建筑中机电设备进行控制管理的，又是如何发挥楼宇自控系统的作用的呢?我们将就这些问题进行论述。
随着科技和经济的发展，建筑内各种机电设备越来越多，越来越复杂。对机电设备的控制和管理要求也越来越高，越来越困难，促使对机电设备进行控制和管理的系统也随之发展起来。从50年代的气动仪表控制系统，60年代电动单元组合仪表，70年代小型计算机集中式控制系统，直到1984年，美国哈特福德市第一幢采用微型计算机集散式控制系统大厦的出现，标志着智能建筑时代的开始。目前，智能建筑已成为楼宇发展的必然趋势。楼宇自控系统已经历了从分散控制到集中控制，再到集散控制几个阶段。现在，楼宇自控系统正向开放式现场总线系统发展。
在智能建筑蓬勃发展过程中，因国外发展较早，产生了很多专业厂家。随着中国经济的飞速发展，国际厂家纷纷进入中国市场。进入较早、较著名的有江森公司、蕾尼维尔公司等。1998年，KMC公司正式成立北京办事处，标志着目前所有国际知名公司都已进入中国，中国智能建筑市场进入战国时代。KMC公司是世界上最大的专门生产楼宇自控产品的厂家之一，已有40年的辉煌历史，一直为世界各大空调厂家和大工程商提供产品，享有崇高的声誉。虽是最后进入中国市场，但发展很快。她凭借自己的产品优势和服务优势，正为中国的智能建筑业作出自己的贡献。
楼宇自控系统的组成、控制原理与控制
功能和集散过程控制系统(DCS)一样，楼宇自控系统是现代控制技术、通信技术、计算机技术即所谓三C技术相结合的产物，可以把楼宇自控系统看成一种特殊的DCS系统，区别在于楼宇自控系统主要对建筑物内所有公用机电设施进行控制，设备控制要求和工作环境相对于复杂的工业控制和恶劣工业现场要好得多。所以，可以通过优化对系统可靠性的要求和控制功能，降低系统的造价，以适应对建筑物的控制要求。
楼宇自控系统和集散过程控制系统(DCS)另一区别在于，建筑内各种机电设备种类繁多，往往配有各自的控制装置，如何将这些由多个生产商提供的设备与楼宇自控系统集成在一个系统中，己成为楼宇自控系统厂商必须考虑的问题。因此，系统开放、便于集成，应该是楼宇自控系统追求的目标，并应该成为楼宇自控系统的特点。
楼宇自控系统一般由现场控制站、通信网络和中央操作站等组成，这也可分别看成是控制技术、通信技术和计算机技术的具体应用。现场控制站分散在机电设备现场对机电设备独立进行监视和控制，并通过通信网络与中央操作站进行数据通信。中央操作站对通过通信网络传送来的由现场采集来的数据，分别进行集中存储、显示和打印，并通过通信网络和现场控制站对现场机电设备进行操作和管理。
现场控制站是一种特殊的计算机，在不同的楼宇自控系统或不同系列中，其称呼、规模以及结构都有所不同。在KMC公司的楼宇自控系统中，称之为多功能控制器和就地控制器，它们虽容量大小不同，但都是通过接收各种现场检测仪表(如各种传感器、变送器等一次仪表)送来的模拟信号，各种设备及检测开关(如压差开关等)送来的开关信号，进行实时数据采集，通过硬件或软件滤除噪音信号，进行非线性校正及各种补偿运算，折算成相应的工程量，根据组态要求分别进行上下限报警、累积量计算、闭环反馈控制及顺序控制等，从而实现对机电设备直接数字控制功能。
现场控制站的硬件结构
现场控制站是一个可独立运行的计算机监测与控制系统，由于它是专为现场测控而设计的通用型设备，所以其硬件构成以及电源、CPU、存储器、输入输出通道等与一般的计算机系统相比又有所不同，现分述如下:
1.电源
现场控制站的电源一般都取自控制现场，考虑到现场电源的复杂性，通常都要对交流电和直流电进行必要的处理，现场控制站抗电源干扰的能力是判断现场控制站优劣的一个重要方面。
(l)首先要保证供给现场控制站的交流电源的稳定可靠，为克服现场附近经常开关的大功率用电设备的干扰，应采用超级隔离变压器，将其初级、次级线圈间的屏蔽层可靠接地，能很好地隔离共模干扰。为克服电网电压严重波动，应采用交流电子调压器，快速稳定输入电压。
(2)对控制器供电的电源一般均要求与对现场检测仪表或执行机构供电的电源在电气上互相隔离，以减少相互干扰。一般采用的直流稳压电源的供电形式有以下两种由统一的主电源单元将交流电整流成直流电(一般为24V)，并采用DC一DC变换方式将此单一电压的直流电转变成所需的各种电压。或按各功能模块使用量的多少，灵活配置各自的电源单元，采用体积小、轻便高效的开关电源，直接将交流电转变成模块所需的各种电压的直流电。
2.CPU
目前各厂家生产的现场控制站己普遍采用了高性能的十六位的微处理器，有的已使用了准三十二位或三十二位的微处理器，大多为美国摩托罗拉公司的68000系列CPU和美国英特尔公司的SOX86CPU系列产品。KMC公司的多功能控制器采用三十二位的摩托罗拉公司的68000系列CPU，时钟频率已达33MHZ，系统还配有浮点运算协处理器，因此数据处理能力大大提高，工作周期可缩短到0.2，并且可执行更为复杂先进的控制算法，如自整定、预测控制、模糊控制等。由于建筑内机电设备相对来说更加分散，其控制要求也不复杂，楼宇自控系统中一般都配置规模小、控制功能少的小型现场控制站，以满足这些控制要求。这些小型现场控制站大多采用单片机，如8096，8031等，以充分提高性能价格比。
3.存储器
现场控制站的存储器一般分为ROM和RAM两大部分，由于控制计算机在正常工作中运行的是一套固定的程序，所以大多采用了程序固化的办法，不仅将系统启动、自检及基本的I/O驱动程序写入ROM中，而且将各种控制、检测功能模块、所有固定参数和系统通信、系统管理模块全部固化，因此在存储器中ROM占有较大的比例。KMC公司的控制器系列中还配置一些特殊控制器，将用户的应用程序也固化在ROM中，只要一加电，控制站就可正常运行，使用更加方便、可靠。随机存储器RAM为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，用户在线操作时需修改的参数(如设定值、手动操作值、PID参数、报警界限等)也须存入RAM中;KMC公司的楼宇自控系统为用户提供了在线修改组态的功能，这一部分用户组态应用程序也存入RAM中运行。由于在现场控制站一般不设磁盘机，上述后两部分内容一般存入具有电池后备的SRAM中，当系统一旦掉电时，可保持其中的数据、程序数十天以上不被破坏，这对于事故的查询及快速恢复正常运行是很重要的。
4.I/0接口
在现场控制站中，种类最多、数量最大的就是各种1/0接口，从广义上讲现场控制站的1/0接口变应包括它与通信网络接口，这部分内容后面将以专门的篇幅介绍，这里专门介绍现场控制站中用于过程量直接输入与输出的通道。一般现场控制站中过程量工/0通道有模拟量工/0通道、开关量工/0通道及脉冲量输入通道几种，其中KMC公司的控制器可用软件实现开关量和模拟量工/0通道的自由转换，使用极为方便，分述如下:
(l)被控设备中各种连续性的物理量(如温度、压力、压差以及电流、电压等)和化学量(如pH值，COZ浓度等)，只要由在线检测仪表将其转变为相应的电信号，均可送入模拟量输入通道(A工)进行处理。一般输入的电信号有以下几种:毫伏级电压信号，电流信号，一般均采用4一ZOmA标准范围;另外，在一些信号传送距离短、损耗小的场合也有采用0一SV或0一10V电压信号的。模拟量输入通道一般均由信号调理器、A/D模块及连接电缆等几部分构成。A/D精度有8位，10位，12位，16位等多种，在现场控制站中使用较多的是12位的A/D转换器，转换时间一般在100微秒左右。每块A/D模块一般可直接输入8一64路模拟信号，由多路切换开关选择某一路接入。A/D模块的隔离方式有两种，一种为采用隔离输入放大器，一种为采用光电祸合器。(2)模拟量输出通道(AO)一般是输出4一20mA的连续的直流电流信号，根据使用要求亦可通过板内开关或跳线的设置改用O一10V电压输出。可用来控制各种直行程或角行程电动执行机构的行程，或通过调整装置(如各种交流变频调速器)控制各种电机的转速，也可通过电气转换或电液转换器来控制各种气动或液动执行机构，例如控制气动阀门的开度等等。现场控制站中模拟量输出通道一般由D/A模块构成。常用的DAC精度有8位，10位，12位几种。
(3)开关量输入通道(DI)用来输入各种限位开关、继电器或电磁阀门连动触点的开、关状态;输入信号可有能是交流电流电压信号，直流电压信号或干接点。开关量输入通道由端子板、DI模块几部分组成。外接每一路开关的状态，相应地由二进制寄存器中的一位数字的O、1来表示。CPU可周期性地读取各模块内寄存器的状态来获取系统中各个输入开关的值。有的DI模块上设有中断申请电路，当外部某些路的开关状态变化时，即向CPU发出中断申请，提请CPU
