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【摘要】以某大厦为例，通过大厦的楼宇自动控制，实现大厦设备管理自动化，起到集中管理、分散控制、节约能耗的作用。
【关键词】楼宇自动控制；概况；机电设备；工程实施
楼宇自动控制系统 （BAS Building Automation System），简称为楼控系统，又称为建筑设备自动化系统，是建筑智能的重要组成部分，将对整座建筑的空调系统、新风机组、制冷机组、冷却塔、风机盘管、水箱水位、照明回路等系统进行信号采集和控制，实现大厦设备管理自动化，起到集中管理、分散控制、节约能耗的作用。
1. 工程概况
某大厦总建筑面积53000m2，总投资为8.2亿元，楼宇自动控制投资为812万元。大厦地上19层，地下2层。其中，地下两层为停车场，是一座对办公环境要求较高的现代化建筑。
2. 需要控制的机电设备统计
（1）空调机组，共23台，分布于1-10层、17层、18层和地下1层。采用组合式空调机，室内回风与新风混合，经过滤器过滤，加热（或冷却）、加湿后送入室内。
（2）新风机组，共22台，分布于9～19层，将新风经过滤器过滤，加热（或冷却）、加湿后送人室内。
（3）送风机组，共8台，分布于地下1层和地下2层，夏天送自然风，冬天送热风，将新风经过滤器，加热（仅限于冬天）后送人室内。
（4）冷冻/冷却水系统：冷冻站系统共有4台冷水机组、4台冷却泵、4台冷冻泵、1个分水器、1个集水器位于地下2层，还有4台冷却水塔（每台有三个风机）位于楼顶屋面。
（5）换热站：在地下2层，有2台平板式换热器，两台空调热水循环泵。
（6）给排水：有一个生活水池、6台生活水泵位于地下2层，11个积水坑（每个积水坑有两个污水泵，一用一备），分布于地下1层和地下2层。
（7）热风幕：共36台热风幕，分布于地下1层、地上1层和3层。
（8）照明：照明分为楼内照明和泛光照明，楼内照明控制84个回路，泛光照明控制20回路。
（9）变配电：变电所在地下1层，共有4台变压器。需要监测每台参数。
（10）风机盘管：共有362个风机盘管，分布于9～19层。（11）排风机：共有16台排风机，分布于地下1层和地下2层。
3. 楼宇自控工程实施
我们选择西门子的顶峰产品来完成该大厦的楼宇控制工作，购置了2台MBC、28台MEC、22台DPU及若干模块和前端设备。其中MBC和模块分别用于冷站和变电所，每台MEC用来控制两台自主机组。DPU用来控制排污泵、照明回路、排风机等。前端设备分别用于空调机、新风机、冷/热站、积水坑等处，为了便于对各种设备的集中管理，我们在楼宇控制中心安装了1台康柏电脑、1台LQl600KⅢ打印机。
按有关标准和规定完成布线和设备安装I作以后，就可以实施对各种设备的监控了。下面分别说明各种设备的监控情况。
3.1空调机组。
（1）当空调机组工作时，控制程序将利用风道温度和 湿度传感器cPM65采集的回风温度和湿度与设定的温度和湿度进行比较，利用先进的比例积分微分（PID）算法闭环调节盘管供水阀门的开度（按冬季模式和夏季模式分别调节）和加湿器。由于算法先进，可使振荡最小，并保持精密的控制，始终使室内的温度和湿度接近于设定值。因为室外新风温度在大多数情况下都与设定值相差较多，无论升温还是降温，都要消耗能量：为此，我们根据空气质量检测的结果，由程序自行调节新风阀的开度，既可保证室内空气质量，又可避免能量的浪费。在春秋过渡季节，因无需温度调节，可将新风阀全开，以获得尽可能多的新鲜的空气。
（2）通过网络和软件，可以实现在中央控制室对各空调机组进行控制和管理。还可以将各空调机组的风机运行状态、风机故障报警、过滤阻塞报警、盘管低温报警等传到中央控制室的控制主机上，一旦有报警发生，程序将使现场控制器做出关机和开水阀等保护动作，以免设备受损。
3.2新风机组。因为新风机组和送风机组无回风，所以风道温度和湿度传感器GFM65安装在送风管道上。对新风机组和送风机组来说，只要机组工作，新风阀就得全开，不需要调节，所以选用开关式风阀驱动器。因为进来的都是新风，所以不用监测空气质量。其它情况与空调机组相同。
3.3送风机组。送风机组工作情况与新风机组大体相同。区别只有两点：其一，送风机是为地下车库送新风的，不需要调节湿度；其二，送风机组在发生火灾事故时必须启动，当消防系统启动送风机时，新风阀必须随之全开。为此，我们使用控制风机启/停的主接触器的辅助触点的开/闭来控制新风阀的开/关。
3.4冷冻与冷却水系统。
（1）冷冻/冷却水系统由冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、分水器、集水器和冷冻机组等组成。要监控的数据点数量多、类型复杂。我们利用一台MEC-40、若干模块、若干前端设备加上我们在Insigh基础上开发的软件完成这些设备的监控工作。具体控制情况如下：冷冻/冷却水系统由软件控制，严格按规定的顺序和时间间隔启/停各种设备，我们的控制顺序如下：开机：开冷却水阀门——开冷却塔风机——开冷却水泵——开冷冻水阀门——开冷冻水循环泵——开冷冻机组。
（2）关机：关冷冻机组——关冷冻水循环泵——关冷冻水阀门——关冷却塔风机——关冷却水泵——关冷却水阀门。
（3）冷冻机组运行时，随时检测冷冻/冷却水的水流状态，一旦有冷冻或冷却水停止流动，立即停止冷冻机组运行，以免结冰，造成冷冻机组损坏的严重后果。我们的程序不但可以控制每台冷冻机组的启/停，而且还可以使整个冷站达到最低能耗，达到最低的主机折旧率。在管道的适当位置设置温度传感器，以测量空调水供/回水温度，根据程序或管理的日程安排自动开关冷冻机组；根据管理的要求自动切换4台机组的运行次序，累计每台机组运行时间，自动选择运行时间最短的机组运行，使每台机组运行时间基本相等，以延长机组使用寿命。自动监测各关键设备的运行状态，故障报警，并按照实际情况自动启动备用设备；根据总管水流量及供/回温度，计算系统总负荷来控制空调机组的运行台数。当负荷大于一台机组的15%，则第二台机组运行。 （4）我们在分水器和集水器之间安装了旁通调节阀，并在供/回水管路上分别安装了压力传感器，根据冷冻机组供/回水压力差来调节冷冻水旁通阀开度。确保冷冻水系统供水压力稳定。
（5）我们在冷却水的供/回水总管之间安装了旁通调节阀，通过调整冷却塔风机运行台数和冷却水供/回水旁通阀开度，使冷却水供/回水温度保持在设定的范围内。
（6）补水泵的启停也是由程序控制的。监测膨胀水箱水位，当水位降到低限时启动补水泵，当水位上升到标准水位时停补水泵。在实现自动控制的同时，在中央控制计算机上显示膨胀水箱的水位和补水泵的运行状态，并可做到超低水位报警。
3.5热换站。热换站与冷冻系统共用一个MBC-40.我们在管路的适当位置安装了温度传感器和热水调节阀。监测热换器二次侧的供水温度，程序将此温度和设定值进行比较，采用比例积分微分算法闭环调节换热器一次侧的供水流量。在保证供热要求的情况下，尽可能地节约能量。
3.6给排水用。水位开关监测生活水池的水位，根据设定的高低水位控制供水阀的开/关。水位降到低水位时开阀，升到高水位时关阀，并做到超低水位（水池将无水）和超高水位（水将溢出）报警。 根据供水管路的压力，控制供水泵的启停，监测供水泵的运行状态，故障时报警。用水位开关监测各积水坑的水位高/低，当达到高水位时启动排污泵，当水位下降到低位时停泵。每个积水坑中有两个排污泵，程序每次都选择累计运行时间少的泵运行，以确保设备使用均衡。为防止因排污泵等故障，造成污水溢出，我们监测了超限报警水位，当达到此水位时，系统将报警，以便工作人员及时处理。
3.7热风幕。大厦采用的是电热幕，这种电热幕要求电热器关闭后，风扇要继续工作2～3min，以免余热散发不出来，造成损坏。厂家提供的电热幕有两个按键，分别控制电热器和风扇，可在现场手动操作。 楼控系统若想控制热风幕有两种方法：其一是用控制器分别控制电热器和风扇。从技术上讲很容易，但要增加一倍的控制点，而控制器的价格又很高，每增加一个控制点，将增加一千元左右的投资，建设方难以接受。另一种方法是将热风幕的供电回路分为主回路和辅助回路，主回路为电热器供电，辅助回路为风扇供电。重新设计一套控制回路，使主回路一接通，辅助回路随之立即接通，而当主回路继开时，辅助回路延迟一段时间才断开。这样做既达到了控制要求，也节省了投资，所以我们选择了这种方法。仅此一项，就为沈阳房地产交易中心节省了近四万元。在楼控中心计算机上，程序首先采集环境温度，当环境温度低于设定值（我们定为IOC）时，根据预先设定的时间表控制每台热风幕的启停，并显示热风幕的工作状态。当有特殊情况时，在现场和楼控计算机上都可对热风幕进行手动启停。
3.8照明。我们利用MBC、DPU、计算机和软件配合，对每一回路按预先设定的时间表进行控制。必要的时候，在现场和楼控计算机上都可对每一路灯进行手动开/关。对公共走廊和泛光照明也实现了光控制。即：当该处较亮时不开灯。每一路灯的状态可在计算机上显示，并可累计开灯时间。为防止突然灯灭，我们用数字输出点的常闭触点控制灯回路。
3.9变配电。我们监测了全部4台变压器的输出功率、功率因数、用电量和次级回路每相电压、电流，并可按时间累计这些数值。当出现过压、欠压、过流等异常情况时报警。所监测的各项参数均可在楼控计算机上显示。
3.10风机盘管。由于风机盘管在空调系统中只起微调作用，各个房间对温度的要求也不统一，很难集中控制。而且，可通讯的风机盘管控制器的价格是普通型的数倍（362个风机盘管控制器将增加相当多的投资），从性能价格比来看，至少在现阶段，采用连网集中管理分散控制风机盘管的方式意义不大。所以我们在风机盘管所在房间安装了手动风机盘管控制器，由各房间人员自行调节。但考虑到节能，我们将这些风机盘管分为4组，每组由计算机来控制其电源和水阀，避免楼内无人时还有许多风机盘管开着造成浪费。
3.11排风机。这些排风机平时用作排风，火灾时用作排烟。为了便于设备的集中管理，我们在不影响消防系统的情况下，对每台排风机进行启停控制，使其按一定的时间间隔定时启/停。必要的时候，在现场和楼控计算机上都可让每台风机进行手动启/停。计算机上可对每台风机的运行状态和故障状态进行监视，累计运行时间。
4. 楼宇自控中央管理计算机
楼控中央控制计算机上安装了楼控管理软件，我们在此软件基础上进行了二次开发，使其和各控制器实现通讯，完成对各控制器的管理。各种机电设备都是在现场控制器MBC、MEC的程序控制下工作的，但必要时，在楼控中央控制计算机上可以随时改变任意设备的启停状态。在屏幕上可以实现三维图像显示每台设备的系统图，如：冷水机组、水泵、空调机组等。现场控制器随时与楼控中央控制计算机交换数据，楼控中央控制计算机可显示所有测量点如温度、流量、压力、压差等动态趋势图，可监视各设备的工作状态和故障报警。一旦有报警发生，现场控制器将做好保护动作，计算机发出声音，同时在屏幕上显示出报警位置和性质，以提醒工作人员及时处理。可打印输出自动记录及空调系统负荷，并可根据管理部门要求以不同时段累计负荷情况并打印。
5. 所取得的效果
与同等规模，不采用楼宇自动化控制的大厦相比：
（1）可节约电能30%以上。
（2）可节约60%人力。
（3）延长设备使用寿命。
（4）可以更充分地满足用户需求。
【关键词】楼宇自动控制；概况；机电设备；工程实施
楼宇自动控制系统 （BAS Building Automation System），简称为楼控系统，又称为建筑设备自动化系统，是建筑智能的重要组成部分，将对整座建筑的空调系统、新风机组、制冷机组、冷却塔、风机盘管、水箱水位、照明回路等系统进行信号采集和控制，实现大厦设备管理自动化，起到集中管理、分散控制、节约能耗的作用。
1. 工程概况
某大厦总建筑面积53000m2，总投资为8.2亿元，楼宇自动控制投资为812万元。大厦地上19层，地下2层。其中，地下两层为停车场，是一座对办公环境要求较高的现代化建筑。
2. 需要控制的机电设备统计
（1）空调机组，共23台，分布于1-10层、17层、18层和地下1层。采用组合式空调机，室内回风与新风混合，经过滤器过滤，加热（或冷却）、加湿后送入室内。
（2）新风机组，共22台，分布于9～19层，将新风经过滤器过滤，加热（或冷却）、加湿后送人室内。
（3）送风机组，共8台，分布于地下1层和地下2层，夏天送自然风，冬天送热风，将新风经过滤器，加热（仅限于冬天）后送人室内。
（4）冷冻/冷却水系统：冷冻站系统共有4台冷水机组、4台冷却泵、4台冷冻泵、1个分水器、1个集水器位于地下2层，还有4台冷却水塔（每台有三个风机）位于楼顶屋面。
（5）换热站：在地下2层，有2台平板式换热器，两台空调热水循环泵。
（6）给排水：有一个生活水池、6台生活水泵位于地下2层，11个积水坑（每个积水坑有两个污水泵，一用一备），分布于地下1层和地下2层。
（7）热风幕：共36台热风幕，分布于地下1层、地上1层和3层。
（8）照明：照明分为楼内照明和泛光照明，楼内照明控制84个回路，泛光照明控制20回路。
（9）变配电：变电所在地下1层，共有4台变压器。需要监测每台参数。
（10）风机盘管：共有362个风机盘管，分布于9～19层。（11）排风机：共有16台排风机，分布于地下1层和地下2层。
3. 楼宇自控工程实施
我们选择西门子的顶峰产品来完成该大厦的楼宇控制工作，购置了2台MBC、28台MEC、22台DPU及若干模块和前端设备。其中MBC和模块分别用于冷站和变电所，每台MEC用来控制两台自主机组。DPU用来控制排污泵、照明回路、排风机等。前端设备分别用于空调机、新风机、冷/热站、积水坑等处，为了便于对各种设备的集中管理，我们在楼宇控制中心安装了1台康柏电脑、1台LQl600KⅢ打印机。
按有关标准和规定完成布线和设备安装I作以后，就可以实施对各种设备的监控了。下面分别说明各种设备的监控情况。
3.1空调机组。
（1）当空调机组工作时，控制程序将利用风道温度和 湿度传感器cPM65采集的回风温度和湿度与设定的温度和湿度进行比较，利用先进的比例积分微分（PID）算法闭环调节盘管供水阀门的开度（按冬季模式和夏季模式分别调节）和加湿器。由于算法先进，可使振荡最小，并保持精密的控制，始终使室内的温度和湿度接近于设定值。因为室外新风温度在大多数情况下都与设定值相差较多，无论升温还是降温，都要消耗能量：为此，我们根据空气质量检测的结果，由程序自行调节新风阀的开度，既可保证室内空气质量，又可避免能量的浪费。在春秋过渡季节，因无需温度调节，可将新风阀全开，以获得尽可能多的新鲜的空气。
（2）通过网络和软件，可以实现在中央控制室对各空调机组进行控制和管理。还可以将各空调机组的风机运行状态、风机故障报警、过滤阻塞报警、盘管低温报警等传到中央控制室的控制主机上，一旦有报警发生，程序将使现场控制器做出关机和开水阀等保护动作，以免设备受损。
3.2新风机组。因为新风机组和送风机组无回风，所以风道温度和湿度传感器GFM65安装在送风管道上。对新风机组和送风机组来说，只要机组工作，新风阀就得全开，不需要调节，所以选用开关式风阀驱动器。因为进来的都是新风，所以不用监测空气质量。其它情况与空调机组相同。
3.3送风机组。送风机组工作情况与新风机组大体相同。区别只有两点：其一，送风机是为地下车库送新风的，不需要调节湿度；其二，送风机组在发生火灾事故时必须启动，当消防系统启动送风机时，新风阀必须随之全开。为此，我们使用控制风机启/停的主接触器的辅助触点的开/闭来控制新风阀的开/关。
3.4冷冻与冷却水系统。
（1）冷冻/冷却水系统由冷却塔、冷却水泵、冷冻水泵、分水器、集水器和冷冻机组等组成。要监控的数据点数量多、类型复杂。我们利用一台MEC-40、若干模块、若干前端设备加上我们在Insigh基础上开发的软件完成这些设备的监控工作。具体控制情况如下：冷冻/冷却水系统由软件控制，严格按规定的顺序和时间间隔启/停各种设备，我们的控制顺序如下：开机：开冷却水阀门——开冷却塔风机——开冷却水泵——开冷冻水阀门——开冷冻水循环泵——开冷冻机组。
（2）关机：关冷冻机组——关冷冻水循环泵——关冷冻水阀门——关冷却塔风机——关冷却水泵——关冷却水阀门。
（3）冷冻机组运行时，随时检测冷冻/冷却水的水流状态，一旦有冷冻或冷却水停止流动，立即停止冷冻机组运行，以免结冰，造成冷冻机组损坏的严重后果。我们的程序不但可以控制每台冷冻机组的启/停，而且还可以使整个冷站达到最低能耗，达到最低的主机折旧率。在管道的适当位置设置温度传感器，以测量空调水供/回水温度，根据程序或管理的日程安排自动开关冷冻机组；根据管理的要求自动切换4台机组的运行次序，累计每台机组运行时间，自动选择运行时间最短的机组运行，使每台机组运行时间基本相等，以延长机组使用寿命。自动监测各关键设备的运行状态，故障报警，并按照实际情况自动启动备用设备；根据总管水流量及供/回温度，计算系统总负荷来控制空调机组的运行台数。当负荷大于一台机组的15%，则第二台机组运行。 （4）我们在分水器和集水器之间安装了旁通调节阀，并在供/回水管路上分别安装了压力传感器，根据冷冻机组供/回水压力差来调节冷冻水旁通阀开度。确保冷冻水系统供水压力稳定。
（5）我们在冷却水的供/回水总管之间安装了旁通调节阀，通过调整冷却塔风机运行台数和冷却水供/回水旁通阀开度，使冷却水供/回水温度保持在设定的范围内。
（6）补水泵的启停也是由程序控制的。监测膨胀水箱水位，当水位降到低限时启动补水泵，当水位上升到标准水位时停补水泵。在实现自动控制的同时，在中央控制计算机上显示膨胀水箱的水位和补水泵的运行状态，并可做到超低水位报警。
3.5热换站。热换站与冷冻系统共用一个MBC-40.我们在管路的适当位置安装了温度传感器和热水调节阀。监测热换器二次侧的供水温度，程序将此温度和设定值进行比较，采用比例积分微分算法闭环调节换热器一次侧的供水流量。在保证供热要求的情况下，尽可能地节约能量。
3.6给排水用。水位开关监测生活水池的水位，根据设定的高低水位控制供水阀的开/关。水位降到低水位时开阀，升到高水位时关阀，并做到超低水位（水池将无水）和超高水位（水将溢出）报警。 根据供水管路的压力，控制供水泵的启停，监测供水泵的运行状态，故障时报警。用水位开关监测各积水坑的水位高/低，当达到高水位时启动排污泵，当水位下降到低位时停泵。每个积水坑中有两个排污泵，程序每次都选择累计运行时间少的泵运行，以确保设备使用均衡。为防止因排污泵等故障，造成污水溢出，我们监测了超限报警水位，当达到此水位时，系统将报警，以便工作人员及时处理。
3.7热风幕。大厦采用的是电热幕，这种电热幕要求电热器关闭后，风扇要继续工作2～3min，以免余热散发不出来，造成损坏。厂家提供的电热幕有两个按键，分别控制电热器和风扇，可在现场手动操作。 楼控系统若想控制热风幕有两种方法：其一是用控制器分别控制电热器和风扇。从技术上讲很容易，但要增加一倍的控制点，而控制器的价格又很高，每增加一个控制点，将增加一千元左右的投资，建设方难以接受。另一种方法是将热风幕的供电回路分为主回路和辅助回路，主回路为电热器供电，辅助回路为风扇供电。重新设计一套控制回路，使主回路一接通，辅助回路随之立即接通，而当主回路继开时，辅助回路延迟一段时间才断开。这样做既达到了控制要求，也节省了投资，所以我们选择了这种方法。仅此一项，就为沈阳房地产交易中心节省了近四万元。在楼控中心计算机上，程序首先采集环境温度，当环境温度低于设定值（我们定为IOC）时，根据预先设定的时间表控制每台热风幕的启停，并显示热风幕的工作状态。当有特殊情况时，在现场和楼控计算机上都可对热风幕进行手动启停。
3.8照明。我们利用MBC、DPU、计算机和软件配合，对每一回路按预先设定的时间表进行控制。必要的时候，在现场和楼控计算机上都可对每一路灯进行手动开/关。对公共走廊和泛光照明也实现了光控制。即：当该处较亮时不开灯。每一路灯的状态可在计算机上显示，并可累计开灯时间。为防止突然灯灭，我们用数字输出点的常闭触点控制灯回路。
3.9变配电。我们监测了全部4台变压器的输出功率、功率因数、用电量和次级回路每相电压、电流，并可按时间累计这些数值。当出现过压、欠压、过流等异常情况时报警。所监测的各项参数均可在楼控计算机上显示。
3.10风机盘管。由于风机盘管在空调系统中只起微调作用，各个房间对温度的要求也不统一，很难集中控制。而且，可通讯的风机盘管控制器的价格是普通型的数倍（362个风机盘管控制器将增加相当多的投资），从性能价格比来看，至少在现阶段，采用连网集中管理分散控制风机盘管的方式意义不大。所以我们在风机盘管所在房间安装了手动风机盘管控制器，由各房间人员自行调节。但考虑到节能，我们将这些风机盘管分为4组，每组由计算机来控制其电源和水阀，避免楼内无人时还有许多风机盘管开着造成浪费。
3.11排风机。这些排风机平时用作排风，火灾时用作排烟。为了便于设备的集中管理，我们在不影响消防系统的情况下，对每台排风机进行启停控制，使其按一定的时间间隔定时启/停。必要的时候，在现场和楼控计算机上都可让每台风机进行手动启/停。计算机上可对每台风机的运行状态和故障状态进行监视，累计运行时间。
4. 楼宇自控中央管理计算机
楼控中央控制计算机上安装了楼控管理软件，我们在此软件基础上进行了二次开发，使其和各控制器实现通讯，完成对各控制器的管理。各种机电设备都是在现场控制器MBC、MEC的程序控制下工作的，但必要时，在楼控中央控制计算机上可以随时改变任意设备的启停状态。在屏幕上可以实现三维图像显示每台设备的系统图，如：冷水机组、水泵、空调机组等。现场控制器随时与楼控中央控制计算机交换数据，楼控中央控制计算机可显示所有测量点如温度、流量、压力、压差等动态趋势图，可监视各设备的工作状态和故障报警。一旦有报警发生，现场控制器将做好保护动作，计算机发出声音，同时在屏幕上显示出报警位置和性质，以提醒工作人员及时处理。可打印输出自动记录及空调系统负荷，并可根据管理部门要求以不同时段累计负荷情况并打印。
5. 所取得的效果
与同等规模，不采用楼宇自动化控制的大厦相比：
（1）可节约电能30%以上。
（2）可节约60%人力。
（3）延长设备使用寿命。
（4）可以更充分地满足用户需求。