建筑设备第15章-建筑设备自动化基础课件.ppt
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1、第第15章建筑设备自动化基础章建筑设备自动化基础15.1 概述概述15.2 建筑设备自控网络建筑设备自控网络15.3 空调通风监控系统空调通风监控系统15.4 给排水监控系统给排水监控系统15.5 供配电监控系统供配电监控系统15.6 照明监控系统照明监控系统第第15章建筑设备自动化基础章建筑设备自动化基础15.7 电梯监控系统电梯监控系统15.8 安全防范系统安全防范系统15.9 火灾自动报警与消防联动控制系统火灾自动报警与消防联动控制系统15.10 综合布线系统综合布线系统15.11 智能建筑的系统集成智能建筑的系统集成15.1概述概述 在智能建筑中,以信息技术为基础的建筑设备自动化系统是
2、智能建筑各项功能和可持续发展的主体。建筑设备自动化系统包括建筑环境设备自动化系统(如空调自动化系统、热源自动化系统、给水排水自动化系统等)、供配电自动化系统、照明自动化系统、消防自动化系统、安全防范自动化系统、交通运输自动化系统等。随着新技术、新设备的出现,建筑设备自动化系统在规模和深度上不断扩展和完整。新出现的自动化系统在智能水平上更加卓越和完善,并且更具人性化。建筑设备自动化与建筑设备在建筑中的应用密切相关。供暖或供冷设备在建筑中的应用,保证了建筑内部环境的舒适性,提高了工作效率,但该设备能源消耗巨大。为降低能耗,就必须使该设备优化运行,因此引入自动控制技术,并对15.1概述概述设备进行自
3、动控制。随着自动控制技术在供暖或供冷设备中的成功应用和推广,其他建筑设备也引入了自动控制技术,使现代建筑设备自动化系统集成了所有建筑设备自动化子系统,并成为一个复杂的大系统。建筑设备自动化技术引入了计算机控制系统后,起初是利用计算机系统对控制对象或过程的参数进行采集和处理,来调整原来控制系统的参数,控制过程仍由原来的控制系统完成。20世纪80年代,微处理器有了突破性的发展,产生了直接数字控制(DDC)技术。DDC技术在建筑设备自控系统的应用提高了建筑设备的效率,优化了建筑设备的运行和维护。随着网络通信技术的发展,在现场总线技术和计算机网络技术的带动下,产生了各种以DDC技术为基础的分布式控制系
4、统(DCS),此DCS便是当今建筑设备自动化系统的15.1概述概述基础。建筑设备自动化系统是通过建筑设备自控网络将具有网络通信功能的建筑设备监控子系统连接而形成具有数据共享和互操作功能的分布式控制系统。从发展过程看,建筑设备自动化起源于其他自控领域,经过二十余年的发展,形成了较为完整的理论和内容体系。从学科交叉的特性来看,建筑设备自动化的理论和内容体系可分为“基础理论”“特有理论”和“工程技术”三部分。其中,基础理论是针对建筑设备自动化领域从多学科中吸取的理论部分;特有理论是面向建筑设备自动化领域在基础理论之上发展而形成的具有本领域特色的专有理论;工程技术是面向建筑设备自动化领域工程项目全寿命
5、周期内的支撑技术。基础理论是多学科交叉而形成的“交集”理论,特有理论是建筑设备自动化15.1概述概述具有自身特色的创新理论、是基础理论在本领域的延伸和扩展、是建筑设备自动化区别于其他学科或领域的根本和灵魂。工程技术是上述理论的实际应用,具有理论与实践相结合的功能,也是学以致用的基础。从智能建筑的发展过程和未来趋势来看,“计算机自动控制理论与技术”“计算机网络理论与技术”“建筑设备自控网络理论与技术”和“系统集成理论与技术”是实施建筑设备自动化工程系统的核心内容。在这些核心内容中,“计算机自动控制理论与技术”和“计算机网络理论与技术”是建筑设备自动化的基础理论,“建筑设备自控网络理论与技术”和“
6、系统集成理论与技术”是建筑设备自动化的特有理论和技术。考虑到工程技术的内容,建筑设备自动化的基本内容和体系如图15-1所示。15.1概述概述图15-1建筑设备自动化基本内容和体系图 建筑设备自动化系统是智能建筑中最基本的系统,是由多个不同建筑设备监控子系统组成的集成系统,并随技术的发展和应用的深入,系统毫无疑问在广度和深度上还会更加复杂。不论建筑设备自动化系统如何发展,建筑设备自动化15.1概述概述系统均有如下的基本特点:1)从自控设备组成上看,同一建筑设备自动化系统的自控设备通常来自不同的厂家。这个特点要求不同厂商的设备必须遵循一定的标准和应用方式,才能实现自控设备间的互操作。事实上,实现不
7、同厂商自控设备之间的互操作是包括建筑设备自动化在内的所有自控领域一直追求的最高目标,也是自控领域重点研究的方向之一。2)从功能来看,系统是一个分布式的网络系统。这就决定建筑设备自动化系统是一个分布式网络控制系统,并在不同的情况下具有不同级别的实时操作和访问功能。3)从网络组成来看,系统是多种局域网并存的网络控制系统。这就要求系统须根据性能/价格比合理选择不同的局域网络,以实现“结构、系统、服务、管理及它们之间的15.1概述概述最优化组合”。4)从时间响应来看,系统是一个“强实时”与“弱实时”的混合系统,有些建筑设备的控制必须是实时的,如火灾检测与报警系统,而有些建筑设备的控制是非实时的,如空气
8、过滤器失效报警系统。从总体上来看,系统是一个弱实时自控系统。5)从执行标准来看,系统不是国家强制执行标准的范围,应根据建筑业主的需要、项目投资及投资回收状况等实际需求,确定系统的规模、范围和相应的设计等级。从上述特点可以看出,建筑设备自动化系统是集成各厂商设备并实现互操作的网络自控系统。从目前实现建筑设备自动化系统的技术来看,实现建筑设备自动化系统可以有许多技术,但从实现技术的特点来分类,建筑自动化系统可分为15.1概述概述两大类:专有系统和开放系统。专有建筑设备自动化系统是采用专有协议的自控系统。其中,协议可以暂时认为是自动化系统集成的“解决方法或方案”。专有协议通常是一家公司开发的协议,其
9、方法或方案的制定和升级是不开放的。专有建筑设备自控系统虽然可与其他系统进行系统集成和实现互操作,但集成和互操作的代价是巨大的。开放建筑设备自控系统是采用开放性协议的系统。开放性协议通常由专业学会或标准组织制定和升级,代表该领域的最新技术和发展方向,在制定和升级时采用公开的方式。故开放性协议不具有垄断性,得到了绝大多数厂商的支持。用开放性协议开发的建筑设备自控产品不仅价格合理,且不同厂商的产品在一定范围内可相互备用和互换,所以基于开放性协议的建筑设备自动化系统得到了15.1概述概述广泛的应用。随着建筑设备自动化从自动监控向企业综合信息管理的发展,建筑设备自动化系统选择开放和标准化的通信协议是其必
10、然的发展趋势。由于用户的需要和市场的竞争,建筑设备自动化系统自诞生以来,建筑自控设备的互操作和互换一直是其追求的目标。正是这种动力推动了建筑设备自动化系统不断向前发展,也正是这种动力推动了建筑设备自动化系统标准的产生和发展。进入DDC阶段,建筑自控设备的互操作特性日益重要。随着建筑设备自动化系统的发展和应用分工的深化,就迫切要求不同厂商的产品具有“互操作能力”。当人们认识到这种需求和这种需求所产生的巨大经济效益时,不同厂商就15.1概述概述根据自己的技术力量和产品特点开发了各自的技术,出现了多种基于自控网络的自动化系统解决方式或方案“现场总线协议”或“通信协议”,如BACnet、LonTalk
11、等。多标准的出现推动了建筑设备自动化系统的发展,但影响了建筑设备自动化系统的进一步发展。通信标准是建筑自动化系统的集成和互操作的基础,只有通信标准“相对统一”,建筑设备自动化才可能得到稳健的发展。经过技术和市场的双重作用,目前建筑设备自动化系统公认的主流标准只有BACnet国际标准(ISO 164845)和LonWorks技术标准。在“统一标准”的基础之上,所有的建筑设备自动化子系统可以无缝集成,且可将智能建筑中的三大系统无缝集成,形成“智能建筑”,并由此形成“数字小区”“数字城市”。15.1概述概述 综上所述,建筑设备自动化系统的发展是向着标准更加统一、更加开放的方向发展。随着现代IT技术的
12、发展,建筑设备自动化系统在不断应用现代IT最新技术的同时,也不断与IT系统进行融合,并逐渐演变成为IT系统的一个部分。随着科技的进步和生活水平的提高,人们对住宅和住宅小区的要求也越来越高,于是建筑设备自动化系统的应用也延伸至住宅小区,形成“智能住宅小区”。由于住宅小区具有自身的特点和要求,以使建筑设备自动化系统的内容得到了进一步的丰富和发展。创造良好人居环境的最终目标对建筑科技的发展提出了更高的要求,不论是在设计手段、材料、建筑设备及其自动化,还是施工工艺、运行与维护管理等,都必须着眼于节能、环保、安全的根本出发点。只有首先满足这个基本要15.1概述概述求,建筑科技的发展和在建筑领域中的应用才
13、有更深远的意义。15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络 各种建筑设备(如空调设备、给排水设备等)分布安装在建筑的不同位置,要使分布的这些设备协调和优化运行,达到节能、安全、高效、舒适和便利的建筑环境,须在各设备的自控系统间建立数据通信自控网络,称之为“建筑设备自控网络”。建筑设备自动化系统就是通过建筑设备自控网络将分布在建筑中具有网络通信功能的设备监控子系统互联而形成具有数据共享和互操作功能的DCS。建筑设备自控网络不仅是建筑设备自动化的基础,也是它最具特色的精髓内容,是它有别于其他自控领域或学科的本质所在。15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络15.2.1基础知识基础知识 最初的网络用于
14、数据通信,常称为“数据网络”,具有“非实时”的特性。随着数据网络的深入研究和广泛应用,当其应用于分布式控制领域时,就形成了具有“实时性”的自控网络。网络最基本的功能是传输数据或信息。自控网络传输数据或信息的最终用户是连接在自控网络上的“自控设备或节点”,如传感器、执行器、控制器和信息处理机等。若自控网络上的两个自控设备相互能够“监听”和接收对方发送的信息,并且能相互理解对方发送信息的语义或含义,进而自动做出对方所要求的反应或操作,则这两个设备就具有“互操作能力”,连接在自控网络上的自控设备必须具备这种互操作能力。若互操作不能在有效时间内完成,也必须具备相应的处理机制;否则,自控网络的功能就会1
15、5.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络受到破坏。自控网络的这种特性就称为“实时性”。在所有自控网络中,互操作和实时性不仅是自控网络的基本功能和基本特性,也分别是自控网络必须解决的首要任务和必须保证的特性。1.自控网络概念和特点 自控网络是利用通信介质(有线或无线)将自控系统中各网络节点或设备(如传感器、执行器、控制器和信息处理机等)互联而形成的集合体,其功能是使网络上所有节点或设备在满足自控系统实时性能的基础上进行信息共享和互操作,以实现自控系统的特定功能。其中,网络节点或设备具有自主运行的特性:首先根据自身状态变迁主动向外发出相关信息,如报警或事件信息;其次是不断监听和接收信息,并根据监听或
16、接收信息所具有的语义产生相应的响应或15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络图15-2基本网络拓扑结构图a)总线型b)星形c)树形d)环形动作,如执行器根据指令发生的动作。自控网络在物理结构形式上表现为系统所有节点或设备进行“交流”的公用“路径”和“桥梁”通信介质和连接通信介质的通信设备,通信介质和通信设备的物理规划和布局就是网络的“物理拓扑结构”。图15-2所示是最基本的网络拓扑结构图,实际使用的网络拓扑结构均由这些基本结构按一定的规则组合而成。15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络 在自控网络中,因网络节点或设备具有自主特性,且复用通信介质,这就会出现多个网络节点或设备同时发送信息和同时
17、访问通信介质的情形,产生通信冲突而降低通信量,影响自控网络功能。为使网络节点或设备有序利用通信介质,提高通信介质的通信能力或带宽,须制定网络节点或设备进行通信的“规则和过程”,这就是网络的“通信协议”。通信协议是网络节点或设备进行有序交流并最大限度地利用通信带宽的保证。故自控网络也应包含相对应的两部分内容,一是自控网络物理拓扑的设计与实施,在物理上用通信介质(如双绞线、光纤等)和通信设备(如路由器、网桥、中继器等)将自控设备互联;二是定义通信和互操作过程的通信协议,使自控网络上的各自控设备相互协调运行,完成自控系统的应用逻辑功能。15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络 自控网络两部分内容可相
18、互独立,并可单独设计和定义,则自控网络可出现如下两种情形:一是同一物理拓扑的自控网络可适用于不同的通信协议,或同一个物理拓扑结构的网络可同时运行多个通信协议;二是同一个通信协议可适用于不同物理拓扑结构的网络,或同一个通信协议具有不同的物理拓扑结构。若将通信协议所定义的功能逻辑网络结构称为“逻辑拓扑结构”,则相同的物理拓扑结构网络可有不同的逻辑拓扑结构。如物理拓扑结构相同的以太网络(Ethernet),既可单独运行不同的上层通信协议(如BACnet等),也可同时运行多个上层通信协议。若一个通信协议可适用于多种物理拓扑结构,则说明该通信协议支持多种通信介质,如BACnet和LonTalk协议等。在
19、自控网络中,网络节点或设备信息共享和互操作的15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络过程是通过“通信协议”进行的。通信协议的三要素为语法、语义和时序。网络节点或设备要进行互操作,就须理解双方传输信息的语义,双方须按语法规定将传输信息的语义进行编码,直至二进编码。同时,要保证双方正确地进行一次“会话交流”,就须规定双方进行会话的时间顺序,保证会话有序进行。因而有时将通信协议的时序也称为“同步”。另外,还可理解为什么通信协议在不同的自控网络不易进行系统集成的原因,是不同通信协议的自控网络具有不同的“语言”。自控网络常用在自控领域现场,将其称为“现场总线(Fieldbus)”,有如下特点:1)自控网
20、络节点或设备功能差别大。2)通信介质多样化。15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络3)实时性要求高。4)互操作功能完备。5)节点或设备逻辑功能耦合性高。6)功耗敏感。不同自控领域因其自身所具有的特殊性已产生了各种利用自控网络构建自控系统的解决方法或方案,这些解决方法或方案的集合就形成了自控网络的通信协议。一般来说,当某种解决方法或方案公开时,该协议就是开放的;反之,是封闭的或专有的。无论是开放的协议,还是封闭的专有协议,自控网络协议均是自控网络节点或设备信息共享和互操作的解决方法或方案。因这种解决方法或方案均是以数据通信为基础的,故自控网络协议通常以ISO/OSI参考模型为参照物,并根据自身
21、的特点和要求对ISO/OSI模型进行15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络体系结构精简和内容具体化,形成具有鲜明特征和具体内容的自控网络体系。2.通信基础 计算机网络通信过程是一个非常复杂的过程。要实现计算机网络通信,就必须“营造”“计算机网络通信协议”,而有关通信功能单元的划分(分解组成细节)、各单元功能的分配和定义及各单元之间的相互关系(细节具体化)就构成了计算机网络的“体系结构”。计算机网络体系结构是计算机网络系统中的逻辑构成划分和功能分配的描述,是对计算机网络系统中各个组成部分及其所具有功能的定义。任意计算机网络体系均是这两方面内容的详细描述,并采用分层或分级的概念方式对这两方面内容
22、进行描述。不同计算机体系结构的分层数量、分15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络层名称、分层内容和功能都可不尽相同。在所有网络体系结构中,每一分层的目的都是向它的相邻上层提供一定的服务,并将实现这一服务的细节对相邻上一层加以屏蔽。对每一分层功能的定义和相邻上、下层间交互规程的定义就构成了该层的“层协议”。计算机网络的体系结构可归纳为层和相应层协议的集合,并且多个层协议从形式上是叠加的,体系结构中的层协议集合也可形象地称为协议栈。计算机网络体系结构是对计算机网络的抽象描述,它从全局的观点对计算机网络进行一般性和通用性的定义,故计算机网络体系结构是抽象的、概括的。计算机网络体系结构所定义的功能最
23、终需要相应的硬件和软件完成,要求体系结构的描述或定义须包含充分和精确的信息。将抽象体系结构的定义转化为在某一具体计算环境中执行的实体(软15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络件或硬件)就是体系结构的实现。国际标准化组织ISO起草了“开放系统互连基本参考模型(OSI-RM)”,它最基本的目标是定义一个通用的网络体系结构参考模型,以指导计算机网络的发展,图15-3是OSI-RM体系结构图。OSI-RM不仅是一个标准的网络体系结构,且也是制定其他网络通信协议的基本框架,并对其他通信协议的制定起着指导和规范的作用。这里强调对OSI标准的共同认识和遵从,即系统是开放的,它可与遵从同一标准的任何系统互联
24、。OSI-RM对计算机网络的设计、构建、使用和发展起着合理化、标准化、高性能化和通用化的作用,是理解和掌握计算机网络基本原理的基础。图15-3a是OSI-RM结构层次图,该模型根据通信功能对信息交换的处理过程分为七个功能相对独立的层次或功15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络图15-3OSI-RM体系结构a)OSI-RM结构层次图b)对等层间数据信息的传递示意图能单元。分层的原则是将相似的功能集中在同一层内,功能差别较大时则分层分配,并每层只定义对相邻上、下层的接口,以保证各层的相对独立性。各层的功能由各层的层协议定义,且上层协议屏蔽下层协议。当不同的对等层(如第N层)进行通信时,就使用对应
25、的层(第N层)协议。从第N层的通信实体来看,下层协议是透明的,通信过程好像是直接通15.2建筑设备自控网络建筑设备自控网络过该层协议进行的。这就反映了分层结构的独立性。图15-3b是对等层间数据信息的传递示意图。应用进程AP1的数据AP要传递到对等应用进程AP2,数据要经过不同的层,进行不同的处理和“包装”,才能最终完成数据的传递。任意两个对等层之间的信息交换是直接进行的,这就是“对等层”之间的通信。对等层之间的通信是双向的,第N层的“对等层”之间的通信协议称为(N)层协议。图15-3b中的各对等层间的虚线就代表“对等层”之间的双向“直接”通信。在计算机网络中,通信过程均以信息传输单元形式在不
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