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摘要：本文介绍了智能大厦建筑设备监控系统的技术发展和系统结构。根据建筑设备监控系统的特点和要求对在智能大厦中的自动化控制对象如空调通风、给排水、供配电、照明、电梯等机电设备运行的监控功能和各种主要机电设备的监控内容作了详细描述。
关键词：智能大厦 建筑设备监控 监测与控制
智能大厦是信息技术、控制技术、计算机技术与建筑艺术完美的结合。人们普遍将智能大厦称为“3A”或“5A”系统，“3A”系统即建筑设备监控系统（Building Automation System，BA）、通信自动化系统（CommunicationAutomationSystem，CS）、办公自动化系统（Office Automation System，OA）。“5A”则是将“3A”中建筑设备监控系统再细分为建筑设备监控系统（特指建筑设备监控系统，BA）、消防自动化系统（Fire Automation System，FA）和安保自動化系统（Safety Automation System，SA）。作为“5A”中的核心系统——建筑设备监控系统，也称建筑设备自动化系统或楼宇自控系统，是将建筑物或建筑群内的空调与通风、变配电、照明、给排水、热源与热交换、冷冻和冷却及电梯和自动扶梯等系统，以集中监视、控制和管理为目的构成的综合系统。建筑设备监控系统实现的目标为：安全、可靠、节能和集中管理。对于提高建筑物机电设备运行的安全性、建筑物空间环境舒适性、节约能源、降低人员和管理费用都有着重要的作用。
1．建筑设备监控系统的结构组成
由于建筑物内的机电设备众多且位置分散，所以目前智能大厦中建筑设备监控系统都采用集散控制系统。在系统构成上，各建筑设备监控系统生产厂商大同小异，都采用四层结构，即中央操作站层、网络管理器层、现场控制器层和现场监测和执行元件层，如图1。
1.1中央操作站
由计算机、打印机和UPS等外设组成，采用实时操作系统软件，完成编程、监测、控制、图像显示、报警、记录存储等功能，是建筑设备监控系统的人机界面，既可通过显示或打印各种信息来观察当前或以前的系统及其所监控各种机电设备的运行状况及数据，又可通过键盘或鼠标的操作来改变各种机电设备的运行，从而达到实时监控要求。
1.2网络管理器
网络管理器是楼宇自动化系统通讯网络的重要装置，它一方面通过ETHERNET、ARCNET或RS485/232等三种方式之一（可选）与中央操作站及其他网络管理器进行数据交换，另一方面通过现场总线网络（RS485、Lonwork或特殊总线）与分布在大厦各处的现场控制器通讯。网络管理器对现场控制器进行通讯的控制和管理，在现场控制器和中央操作站之间起数据缓存作用。网络管理器一般与中央操作站同位于中央控制室内。
1.3现场控制器
现场控制器也叫直接数字控制器（DDC），是楼宇自动化系统中最基本的控制单元，其主要功能是接收安装于各类机电设备上的各种传感器（检测器、变送器）发出的数据，按控制器内部预先设置的参数和预先编制的控制程序来进行相应的运算（如PID、最优值、延时等），并对各类机电设备进行控制。一般现场控制器都有接入便携式电脑的接口，便于现场调试和维护。现场控制器分布在建筑物的受控机电设备附近，以节省现场控制器到现场监测执行元件间的管线，并通过RS485、LONWORK或其他专用通讯总线连接到网络管理器。
1.4监测和执行元件
对监控设备的温度、湿度、压力、流量等参数，通过安装传感器及变送器以转换成标准直流电压（10V以内）、电流（20mA以内）或电阻信号（10KΩ以内），送入现场控制器进行采样监测；控制器的控制信号以直流电压（10V以内）或电流（20mA以内）的方式去驱动和调节安装在设备上的执行器。
1.5建筑设备监控系统结构的改进
建筑设备监控系统的多层分散控制、集中管理的结构，是目前较先进、最常用的系统结构。但由上述结构图可见，如果控制层数能减少，系统就越简单、越可靠，成本就越低。例如将现场控制器层与监测和执行元件层合二为一，这就产生了一种叫做智能型的机电产品。原4层的系统结构变为3层结构，如图2所示。智能型机电产品只须用一根双绞屏蔽线与网络管理器相连即可，使整个楼宇自控系统变得简单化，且可靠性更高了。
使用智能机电设备后，大大简化了自动控制系统设计、安装与调试，原来需要设计的自动控制项目已包含在产品中，过去由设计院承担的繁琐的自控施工设计任务简化为只需提供一根电源线即可。智能大厦的空调机组如果变为智能型产品，则设计者只需在选型表上注明所需的风量、冷/热量、风压及精度等要求即可，其中技术设计、施工设计及调试任务均由制造厂完成。目前用于智能大厦内的智能机电设备还很少，现常见的有中央空调冷水机组。更多的智能型机电产品正待开发。
2．工程实例及系统监控功能
以某期货大厦的建筑设备监控系统为例，论述其建筑设备监控系统的构成及其系统监控功能。该楼宇自控系统采用美国Honeywell的EBI系统构成，如图3所示。
2.1系统结构介绍
本系统共采用1台中央操作站，5台网络管理器，101台现场控制器（DDC）和大量的传感器和执行器。中央操作站和网络管理器位于地下一层集控中心，现场控制器分布在各层的空调机房和地下设备机房。中央操作站通过RS232与网络管理器进行通讯，网络管理器与现场控制器之间通过LAN连接，通讯速率为19200bps。
2.2 系统监控功能
建筑设备系统监控对象主要有大厦内空调通风、给排水、供配电、照明、电梯等机电设备。
2.2.1空调通风设备的监测和控制
空调通风设备的监测和控制主要包括冷冻站设备的监测和控制，空调机组、新风机组与通风机的监测和控制等。
（1）冷冻站设备的监测和控制：由于空调冷水机组为智能型设备，只需用一根屏蔽双绞线将5台主机控制器与楼宇自控系统的网络管理器相连，即可实现楼宇自控对冷水机组启停及冷冻、冷却水的进出水温度等的控制和监测，如图4所示。这样的系统结构可靠性高、实用性强。在几年的实际运行中，这种结构的楼宇自控系统从未发生过任何故障，除非智能型设备自身出现故障。冷冻站的其它设备，如冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等因不是智能型设备，因此必须通过现场控制器（DDC）、监测和执行元件对其温度、压力、流量、启停等状态进行现场监测和控制。
（2）空调机组的监测和控制：根据回风温度及设定温度控制回水调节阀。夏季，温度升高时，冷水阀开大；冬季，温度降低时，热水阀开大；根据回风湿度及设定值控制蒸汽加湿控制箱的启停，当回风湿度低于设定值时，开启加湿装置；空调机组启动/停止由最佳启动/停止程序控制；通过风机的前后压差监测风机运行状态、故障状态，运行时间记录；监测防冻开关状态，温度超低报警并执行相应的防冻保护程序；监测过滤网堵塞，压差开关动作，堵塞报警；风机启动和消防联锁控制，当消防报警接点闭合时，把空调机组关闭；室内微正压监测；室内温湿度检测与设定等。
（3）新风机组的监测和控制：启动/停止状态、故障报警；送风温度遥测；监测防冻开关状态，温度超低报警；监测初效过滤器堵塞开关状态，堵塞报警；风机启动后，按事先编排的日程时间进行工作，根据风机前后压差决定风机状态；据送风温度和设定值之差，调节冷/热水阀的打开程度；根据送风湿度和设定值之差，控制加湿阀的打开和关闭，满足湿度控制要求；机组根据最佳启停曲线投入使用；风机启动和消防联锁控制；门的开度控制等。
（4）通风机的监测和控制：智能大厦内重要部位设置送/排风机，在正常状态下按编排的时间、节假日程序来控制启动/停止，或根据控制区域内CO，CO2传感器所测参数，控制风机启停，保证有害气体的即时排放，并监视风机的运行状态、故障状态；在火灾情况下由消防系统控制进行强制排烟。
2.2.2给排水设备的监测和控制
供水系统由若干台水泵和各类水池、贮水箱组成,每台水泵都可选择手动/自动控制。楼宇自动化系统将根据水位的高低来操作泵的启停或按照管网压力控制水泵转速,存储每台泵的整个运行时间,并且自动更换泵的运行,以确保每台水泵有较平均的运行时间。当水位超过设定的高、低位置时,给出报警信号。
排水系统由若干台排水泵和污水池组成，每台排水泵都可选择手动/自动控制。楼宇自动化系统将根据水位的高低来操作泵的启停，阻塞时报警，存储每台泵的整个运行时间并且自动更换泵的运行，以确保每台水泵有较平均的运行时间。
2.2.3变配电设备的监测
对变配电设备不实现控制，监测内容：高/低壓进出线及变压器电气参数，包括电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、开关柜内接触器运行状态及故障报警、变压器温度及故障报警等。
2.2.4照明设备的监测和控制
智能大厦公共照明容易产生能源浪费，如能控制好可以节约能源。办公室按照规定的工作时间或有无人员控制照明开关；公共场所如地下车库、走廊、电梯前室、大堂、门厅、室外装饰及照明灯等按功能要求划分照明区域，按时程序控制照明灯的开关；根据室外亮度，控制航空障碍灯；与火灾报警及保安系统联动控制有关应急照明。监测各照明设备的运行状态。
2.2.5电梯设备的监测
对电梯设备按时间程序设定的运行时间表启动/停止电梯、监视电梯运行状态、故障报警及紧急状态处理。多台电梯群控管理。在不同的客流时期，自动进行调度控制，达到既能减少侯梯时间、最大限度地利用现有电梯运行能力，又能避免数台电梯同时响应同一召唤造成空载运行、浪费电力。配合消防系统协同工作，发生火灾时，普通电梯直达首层，切断电梯电源了消防电梯由应急电源供电，在首层代码。配合安全防范系统工作，接到安全防范系统报警信号后，电梯自动行驶至规定楼层，并进行监控。
3．结论
智能大厦的含义随着科技的发展不断完善，现在一般被认为是利用系统集成方法，将智能型计算机、通信技术、信息技术和建筑艺术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信息社会需要并且具有安全、高效、节能、舒适、便利和灵活等特点的建筑物。我国于20世纪90年代初开始引入智能建筑理念，随着改革开放和经济建设的迅速发展，智能大厦已成为我国大中型项目中的主流趋势，将带来了良好的社会效益和经济效益。
[参考文献]
[1] 张少军．建筑智能化系统技术．中国电力出版社
[2] 张青虎．智能建筑工程检测技术．中国建筑工业出版社
[3] 李林．智能大厦系统工程．电子工业出版社
[4] 张公忠．现代智能建筑技术．中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：智能大厦 建筑设备监控 监测与控制
智能大厦是信息技术、控制技术、计算机技术与建筑艺术完美的结合。人们普遍将智能大厦称为“3A”或“5A”系统，“3A”系统即建筑设备监控系统（Building Automation System，BA）、通信自动化系统（CommunicationAutomationSystem，CS）、办公自动化系统（Office Automation System，OA）。“5A”则是将“3A”中建筑设备监控系统再细分为建筑设备监控系统（特指建筑设备监控系统，BA）、消防自动化系统（Fire Automation System，FA）和安保自動化系统（Safety Automation System，SA）。作为“5A”中的核心系统——建筑设备监控系统，也称建筑设备自动化系统或楼宇自控系统，是将建筑物或建筑群内的空调与通风、变配电、照明、给排水、热源与热交换、冷冻和冷却及电梯和自动扶梯等系统，以集中监视、控制和管理为目的构成的综合系统。建筑设备监控系统实现的目标为：安全、可靠、节能和集中管理。对于提高建筑物机电设备运行的安全性、建筑物空间环境舒适性、节约能源、降低人员和管理费用都有着重要的作用。
1．建筑设备监控系统的结构组成
由于建筑物内的机电设备众多且位置分散，所以目前智能大厦中建筑设备监控系统都采用集散控制系统。在系统构成上，各建筑设备监控系统生产厂商大同小异，都采用四层结构，即中央操作站层、网络管理器层、现场控制器层和现场监测和执行元件层，如图1。
1.1中央操作站
由计算机、打印机和UPS等外设组成，采用实时操作系统软件，完成编程、监测、控制、图像显示、报警、记录存储等功能，是建筑设备监控系统的人机界面，既可通过显示或打印各种信息来观察当前或以前的系统及其所监控各种机电设备的运行状况及数据，又可通过键盘或鼠标的操作来改变各种机电设备的运行，从而达到实时监控要求。
1.2网络管理器
网络管理器是楼宇自动化系统通讯网络的重要装置，它一方面通过ETHERNET、ARCNET或RS485/232等三种方式之一（可选）与中央操作站及其他网络管理器进行数据交换，另一方面通过现场总线网络（RS485、Lonwork或特殊总线）与分布在大厦各处的现场控制器通讯。网络管理器对现场控制器进行通讯的控制和管理，在现场控制器和中央操作站之间起数据缓存作用。网络管理器一般与中央操作站同位于中央控制室内。
1.3现场控制器
现场控制器也叫直接数字控制器（DDC），是楼宇自动化系统中最基本的控制单元，其主要功能是接收安装于各类机电设备上的各种传感器（检测器、变送器）发出的数据，按控制器内部预先设置的参数和预先编制的控制程序来进行相应的运算（如PID、最优值、延时等），并对各类机电设备进行控制。一般现场控制器都有接入便携式电脑的接口，便于现场调试和维护。现场控制器分布在建筑物的受控机电设备附近，以节省现场控制器到现场监测执行元件间的管线，并通过RS485、LONWORK或其他专用通讯总线连接到网络管理器。
1.4监测和执行元件
对监控设备的温度、湿度、压力、流量等参数，通过安装传感器及变送器以转换成标准直流电压（10V以内）、电流（20mA以内）或电阻信号（10KΩ以内），送入现场控制器进行采样监测；控制器的控制信号以直流电压（10V以内）或电流（20mA以内）的方式去驱动和调节安装在设备上的执行器。
1.5建筑设备监控系统结构的改进
建筑设备监控系统的多层分散控制、集中管理的结构，是目前较先进、最常用的系统结构。但由上述结构图可见，如果控制层数能减少，系统就越简单、越可靠，成本就越低。例如将现场控制器层与监测和执行元件层合二为一，这就产生了一种叫做智能型的机电产品。原4层的系统结构变为3层结构，如图2所示。智能型机电产品只须用一根双绞屏蔽线与网络管理器相连即可，使整个楼宇自控系统变得简单化，且可靠性更高了。
使用智能机电设备后，大大简化了自动控制系统设计、安装与调试，原来需要设计的自动控制项目已包含在产品中，过去由设计院承担的繁琐的自控施工设计任务简化为只需提供一根电源线即可。智能大厦的空调机组如果变为智能型产品，则设计者只需在选型表上注明所需的风量、冷/热量、风压及精度等要求即可，其中技术设计、施工设计及调试任务均由制造厂完成。目前用于智能大厦内的智能机电设备还很少，现常见的有中央空调冷水机组。更多的智能型机电产品正待开发。
2．工程实例及系统监控功能
以某期货大厦的建筑设备监控系统为例，论述其建筑设备监控系统的构成及其系统监控功能。该楼宇自控系统采用美国Honeywell的EBI系统构成，如图3所示。
2.1系统结构介绍
本系统共采用1台中央操作站，5台网络管理器，101台现场控制器（DDC）和大量的传感器和执行器。中央操作站和网络管理器位于地下一层集控中心，现场控制器分布在各层的空调机房和地下设备机房。中央操作站通过RS232与网络管理器进行通讯，网络管理器与现场控制器之间通过LAN连接，通讯速率为19200bps。
2.2 系统监控功能
建筑设备系统监控对象主要有大厦内空调通风、给排水、供配电、照明、电梯等机电设备。
2.2.1空调通风设备的监测和控制
空调通风设备的监测和控制主要包括冷冻站设备的监测和控制，空调机组、新风机组与通风机的监测和控制等。
（1）冷冻站设备的监测和控制：由于空调冷水机组为智能型设备，只需用一根屏蔽双绞线将5台主机控制器与楼宇自控系统的网络管理器相连，即可实现楼宇自控对冷水机组启停及冷冻、冷却水的进出水温度等的控制和监测，如图4所示。这样的系统结构可靠性高、实用性强。在几年的实际运行中，这种结构的楼宇自控系统从未发生过任何故障，除非智能型设备自身出现故障。冷冻站的其它设备，如冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔等因不是智能型设备，因此必须通过现场控制器（DDC）、监测和执行元件对其温度、压力、流量、启停等状态进行现场监测和控制。
（2）空调机组的监测和控制：根据回风温度及设定温度控制回水调节阀。夏季，温度升高时，冷水阀开大；冬季，温度降低时，热水阀开大；根据回风湿度及设定值控制蒸汽加湿控制箱的启停，当回风湿度低于设定值时，开启加湿装置；空调机组启动/停止由最佳启动/停止程序控制；通过风机的前后压差监测风机运行状态、故障状态，运行时间记录；监测防冻开关状态，温度超低报警并执行相应的防冻保护程序；监测过滤网堵塞，压差开关动作，堵塞报警；风机启动和消防联锁控制，当消防报警接点闭合时，把空调机组关闭；室内微正压监测；室内温湿度检测与设定等。
（3）新风机组的监测和控制：启动/停止状态、故障报警；送风温度遥测；监测防冻开关状态，温度超低报警；监测初效过滤器堵塞开关状态，堵塞报警；风机启动后，按事先编排的日程时间进行工作，根据风机前后压差决定风机状态；据送风温度和设定值之差，调节冷/热水阀的打开程度；根据送风湿度和设定值之差，控制加湿阀的打开和关闭，满足湿度控制要求；机组根据最佳启停曲线投入使用；风机启动和消防联锁控制；门的开度控制等。
（4）通风机的监测和控制：智能大厦内重要部位设置送/排风机，在正常状态下按编排的时间、节假日程序来控制启动/停止，或根据控制区域内CO，CO2传感器所测参数，控制风机启停，保证有害气体的即时排放，并监视风机的运行状态、故障状态；在火灾情况下由消防系统控制进行强制排烟。
2.2.2给排水设备的监测和控制
供水系统由若干台水泵和各类水池、贮水箱组成,每台水泵都可选择手动/自动控制。楼宇自动化系统将根据水位的高低来操作泵的启停或按照管网压力控制水泵转速,存储每台泵的整个运行时间,并且自动更换泵的运行,以确保每台水泵有较平均的运行时间。当水位超过设定的高、低位置时,给出报警信号。
排水系统由若干台排水泵和污水池组成，每台排水泵都可选择手动/自动控制。楼宇自动化系统将根据水位的高低来操作泵的启停，阻塞时报警，存储每台泵的整个运行时间并且自动更换泵的运行，以确保每台水泵有较平均的运行时间。
2.2.3变配电设备的监测
对变配电设备不实现控制，监测内容：高/低壓进出线及变压器电气参数，包括电压、电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数、开关柜内接触器运行状态及故障报警、变压器温度及故障报警等。
2.2.4照明设备的监测和控制
智能大厦公共照明容易产生能源浪费，如能控制好可以节约能源。办公室按照规定的工作时间或有无人员控制照明开关；公共场所如地下车库、走廊、电梯前室、大堂、门厅、室外装饰及照明灯等按功能要求划分照明区域，按时程序控制照明灯的开关；根据室外亮度，控制航空障碍灯；与火灾报警及保安系统联动控制有关应急照明。监测各照明设备的运行状态。
2.2.5电梯设备的监测
对电梯设备按时间程序设定的运行时间表启动/停止电梯、监视电梯运行状态、故障报警及紧急状态处理。多台电梯群控管理。在不同的客流时期，自动进行调度控制，达到既能减少侯梯时间、最大限度地利用现有电梯运行能力，又能避免数台电梯同时响应同一召唤造成空载运行、浪费电力。配合消防系统协同工作，发生火灾时，普通电梯直达首层，切断电梯电源了消防电梯由应急电源供电，在首层代码。配合安全防范系统工作，接到安全防范系统报警信号后，电梯自动行驶至规定楼层，并进行监控。
3．结论
智能大厦的含义随着科技的发展不断完善，现在一般被认为是利用系统集成方法，将智能型计算机、通信技术、信息技术和建筑艺术有机结合，通过对设备的自动监控，对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理、适合信息社会需要并且具有安全、高效、节能、舒适、便利和灵活等特点的建筑物。我国于20世纪90年代初开始引入智能建筑理念，随着改革开放和经济建设的迅速发展，智能大厦已成为我国大中型项目中的主流趋势，将带来了良好的社会效益和经济效益。
[参考文献]
[1] 张少军．建筑智能化系统技术．中国电力出版社
[2] 张青虎．智能建筑工程检测技术．中国建筑工业出版社
[3] 李林．智能大厦系统工程．电子工业出版社
[4] 张公忠．现代智能建筑技术．中国建筑工业出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。