智能建筑集散控制体系的运用

1集散控制系统的组成及发展

集散型控制系统又称分布式控制系统(DistributedControlSystem简称DCS)。集散控制系统是20世纪70年代随着计算机技术发展而出现的。它的主要基础是4C技术，即计算机(Computer)、控制(Control)、通信(Communication)和CRT显示技术。DCS系统分硬件和软件两种组成部分。其硬件部分主要有集中操作管理装置、分散过程控制装置和通信接口设备等组成。通过通信网络将这些硬件设备连接起来，共同实现数据采集、分散控制和集中监视、操作及管理等功能。DCS系统软件包括工程师站组态软件、操作员站在线软件、现场控制器运行软件、服务器软件等。

据不完全统计，迄今全世界已开发的各种类型的集散控制系统上千余种。虽然它们各具特色，但它们在系统组成和控制功能等方面，都有许多共同特点。从系统结构分析，集散控制系统是由三大基本部分组成，它们是分散过程控制装置部分、集中操作和管理系统部分以及通信系统部分。分散过程控制装置部分由多回路控制器、单回路控制器、多功能控制器、可编程序逻辑控制器及数据采集装置等组成。它相当于现场控制级和过程控制装置级，实现与过程的连接。集中操作和管理部分由操作站、管理机和外部设备如打印机、拷贝机等组成。相当于车间操作管理级和全厂优化和调度管理级，实现人机接口。在每级之间以及每级内的计算机或微处理器则由通信系统进行数据通信。集散控制系统三大基本部分的关系如图1所示。1)第一级:现场控制级现场控制级是现场控制器(DDC)和其他现场设备组成。DDC直接与各种现场装置(如变送器、执行器等现场仪表与装置)相连，对现场控制对象的状态和参数进行监测和控制，如设备与系统的状态与参数检测，报警，开环和闭环控制等。同时，DDC还与第二级的中央监控计算机相连，接受上层计算机的指令和管理信息，并向上层传递现场采集的数据(包括实时数据和特征数据)。在系统规模比较大而且可划分为比较独立的子系统的集散控制系统中，为了便于对子系统的监控与管理，可在这一层设置子系统工作站，对子系统进行有效的监控与管理。例如，在楼宇自动化系统中火灾报警与消防工作站、安保工作站等就属于这类工作站。2)第二级:监控级监控级由中央监控计算机(又称操作站)及相关软件组成，可监视现场控制级的信息，如故障检测存档、历史数据、记录状态报告、打印显示、优化过程控制、协调各站的操作关系，控制回路状态和参数修改等。中央监控级一般采用工业控制计算机(PC总线)和专用计算机。楼宇自动化系统的中央监控计算机就属于监控级。

为了保护系统安全，在这一级分设工程师工作站和操作员工作站，或者通过设置权限密码限制不同人员进入系统的级别，以避免不必要的误操作可能引起的对系统正常运行的干扰或造成事故与损坏。3)第三级:生产管理级生产管理级计算机是根据用户的定货情况、库存情况、能源情况来规划各单元子系统产品结构和规模，并且可以随时更改产品结构，使生产线具有柔性制造的功能，是产品生产的常该级在中小企业自动化系统中就是最高一级了，对于具有第四级的大型企业，生产管理级可与上层交互传递数据，并接受管理指令。4)第四级:经营管理级(在结构图中没有画出)经营管理级是工厂自动化系统(FactoryAuto-mation)的最高层，它的管理范围包括工程技术、经济和商业事务、人事活动、财务活动、生产规划和市场分析等，并存储和处理大量的信息。通过综合产品计划，在各种变化条件下对各种多样的信息和装置进行合理的配调，如产品的经营、销售、订货、接收以及产品产量和质量的调整、调度生产计划、财务管理、设备管理、总场管理等，以能够最优地解决某些问题。该级常采用小型或中型计算机，并与其他相关工厂或机构，如银行、税务、交通等组成广域网并提供大范围的金融业务、税务及产品售后服务和技术支持。

2智能建筑的特点

DCS系统过去只应用在少数大型企业的控制系统中，但随着4C技术及软件技术的迅猛发展，到目前已经在电力、石油、化工、制药、冶金、建筑等众多行业中发展应用。智能建筑是为适应现代社会信息化与经济国际化的需要而兴起，是随计算机技术、通信技术和现代控制技术的发展和相互渗透而发展起来，并将继续发展下去。智能建筑的定义各国都有自己的讲法，不过都大同小异。在我国，所谓智能建筑“是以建筑为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个高效、舒适、便利、安全的建筑环境。”为了实现智能建筑定义中提出的高效、舒适、便利、安全的建筑环境，就需要建筑物具有一定的21世纪绿色和环保的时代主题。以绿色、环保、健康和节能为目标，实现人与自然和谐的可持续发展;另一方面还要满足智能化建筑特殊功能的要求，适应智能化建筑动态发展的特点。其智能化系统是相对需求设置的。从安全性出发，就需设置火灾自动报警与联动控制系统以及安全防范系统，在安全防范系统中包括防盗报警系统、闭路电视监视系统、出入口控制系统、电梯群控系统、应急广播与应急照明系统等，从而确保大楼内人员生命与财产的安全，确保计算机网络中信息资源的安全;考虑到舒适性与高效性，需设置建筑设备监控系统，实现对温度、湿度、照度及卫生度等环境指标的控制，使入住者获得生理与心理两方面的舒适，工作具有高效率与高创造力。通过对建筑物内大量机电设备的全面监控管理，实现多种能量监管，达到节能、高效和延长设备使用寿命的目的。考虑到工作上的高效性和便捷性，需设置方便快捷和多样化的通信网络系统和办公自动化系统，以创造一个迅速获取信息、加工信息的良好办公环境，达到高效率工作的目的。因为建筑设备监控系统、安全防范系统和火灾自动报警系统按其功能均属于建筑设备自动化管理范畴，所以按国际及国内习惯，将其概括为建筑设备自动化系统。在我国智能建筑设计标准中对建筑设备自动化系统的定义为:将建筑物或建筑群内的电力、照明、空调、给排水、防灾、保安、车库管理等设备或系统，以集中监视、控制和管理为目的，构成综合系统。因而，智能建筑中的智能化系统主要是由建筑设备自动化系统、通信网络系统和办公自动化系统三大子系统组成。

这三大子系统在智能建筑中并非独立堆砌，而是利用计算机网络和通信技术，在各系统间建立起有机的联系，把原来相对独立的资源、功能等集合到一个相互关联、协调和统一的完整系统之中，通过建筑物内所设的综合计算机网络管理系统对各子系统进行科学高效的综合管理，以实现信息综合、资源共享，这就是智能建筑中的系统集成。要实现系统集成，需要有一套标准的布线系统作为建筑物或建筑群内部之间的传输网络，它既使话音和数据通信设备、交换设备和其他信息管理系统彼此相连，又使这些设备与外部通信网络相连接，这就是综合布线系统。综合布线系统和公共通信网是实现智能建筑系统集成的桥梁。由此可见，智能建筑是以综合布线系统为基础，以计算机网络为桥梁，综合配置建筑物内各功能子系统，全面实现对通信系统、办公自动化系统、大楼内各种设备(空调、供热、给排水、变配电、照明、电梯、消防、公共安全)等的综合管理。

3集散控制系统在智能建筑中的应用

集散控制系统广泛应用在楼宇自动化系统中，是由于它具有许多优良特性。与模拟电动仪表比较，它具有连接方便、采用软连接的方法连接容易更改、显示方式灵活、显示内容多样、数据存储量大等优点;与计算机集中控制系统比较，它具有操作监督方便、危险分散、功能分散等优点。在现代智能建筑中，需要实时监测与控制的设备品种繁多，而且也很分散，分布在楼宇的各个部位。而集散控制系统正是解决了智能建筑中设备分散，难于统一管理这一缺点。就楼宇自动化系统而言，一般只设集散控制系统的第—级和第二级。集散控制以分布在现场被控设备附近的多台计算机控制装置，完成被控设备的实时监测、保护与控制任务，克服了集中式计算机控制带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性;集散控制系统安装与集中在控制室并具有很强的数字通信、CRT显示、打印输出与装有丰富控制管理软件功能的管理计算机，完成集中操作、显示、报警、打印与优化控制功能，避免了常规仪表控制分散后人机联系困难与无法统一管理的缺点。管理计算机与现场控制计算机的数据传递有通信网络完成。集散控制充分体现了集中操作管理、分散控制的思想。集散控制系统在楼宇自动化控制中一般有以下三种应用:按建筑层面组织的集散型楼宇控制系统、按建筑设备功能组织的集散型控制系统、混合型的集散型控制系统。

3．1按建筑层面组织的集散型楼宇控制系统对于大型的商务建筑、办公建筑，往往是各个楼层有不同的用户和用途(比如首层为商场，二层为某机构的总部……)因此，各个楼层对楼宇自动化系统的要求会有所区别，按建筑层面组织的集散型楼宇自动化系统能很好的满足要求。按建筑层面组织的集散型楼宇自动化系统方案如图2所示。这种结构的特点是:1)由于按建筑层面组织的，因此布线设计及施工比较简单，子系统(区域)的控制功能设置比较灵活，调试工作相对独立。2)整个系统的可靠性较好，子系统失灵不会波及整个楼宇系统。3)设备投资较大，尤其是高层建筑。4)较适合商用的多功能建筑。

3．2按建筑设备功能组织的集散型楼宇控制系统这是常用的系统结构，按照整座建筑功能系统来组织。这种结构的特点如下。1)由于是按整座建筑设备功能组织的，因此布线设计及施工比较复杂，调试工作量大。2)整个系统的可靠性较弱，子系统失灵会波及整个建筑系统。3)设备投资省。4)控制和功能相对单一的建筑(如企业、政府的办公楼、高级住宅等)。

3．3混合型的集散型控制楼宇系统这是兼有上述两种结构特点的混合型，即某些子系统(如供电、给排水、消防、电梯)采用按整座楼宇设备功能组织的集中控制系统，另外一些子系统(如灯光照明、空调等)则采用按楼宇建筑层面组织的分区控制方式。这是一种灵活的结构系统，它兼有上述两种方案的特点，可以根据实际的需要调整。