智慧建築電氣技術雜誌 付顯濤
0 概述
樓宇自控系統又稱為建築設備監控系統（簡稱BAS，Building Automation System），可以系統地對機電設備進行自動管理、監視、控制其運行狀況，發揮被控設備綜合優勢和潛力，提高被控設備的利用率，節約能源，降低維護人員的勞動強度。
建築高度大於1OOm的民用建築為超高層建築。由於超高層建築中機電設備複雜、界面接口多、場地狹窄、垂直運輸強度高、安全防護難度大等特點，在進行超高層建築樓宇自控系統設計時需要具有針對性。
昆鋼科技大廈位於雲南省昆明市，主體建築為地下三層、裙房五層、塔樓五十層的超高層建築，由酒店與辦公兩部分組成，建築總高度為219.60m（室外地坪至屋頂停機坪），屬於超高層建築,大廈總建築面積149 826m2。
1 系統設計流程
根據設計任務書要求，與業主進行充分的需求分析，收集相關圖紙等資料，瞭解被監控對象的技術指標和工藝要求，繪製出相應的控制原理圖，確定監控內容。
統計出準確的被控設備類型、數量以及監控內容後，將與樓宇自控系統有關的機電設備和監控內容按照樓層、房間等位置進行列表，這樣可以清楚地瞭解整個系統的規模以及控制細節。昆鋼科技大廈辦公區監控點數為578點，酒店區監控點數為2 603點，監控點數總計3 181點。
1.2 系統網路結構設計
樓宇自控系統的規模可按即時資料庫的硬體點和軟體點的總點數來區分，總點數為3 000點及以上的系統為大型系統、總點數為1 000~2 999點的系統為中型系統、總點數為999點及以下的系統為小型系統。
樓宇自控系統網路結構可根據系統的規模、功能要求以及選用產品的特點進行設計，大型系統宜採用由管理網路層、控制網路層以及現場網路層組成的三層網路結構，中、小型系統可根據實際情況採用單層、兩層或三層網路結構。
根據昆鋼科技大廈監控點數情況，該項目樓宇自控系統採用三層網路結構（圖1）。
圖1 三層網路結構
1.1 用户需求分析
管理網路層設備一般是指中央管理工作站，採用TCP/IP通信協議，具有與網路聯網的能力，提供網路用戶通信接口技術，保證用戶可通過WEB瀏覽器查看樓宇自控系統的各種數據和進行遠程操作。控制網路層由通信總線和控制器組成，通信總線的通信協議可採用TCP/IP、BACnet、Modbus等國際標準協議，民用建築控制器大多採用直接數位控制器（DDC）。現場網路層通常也稱為前端設備，由分布式智慧輸入/輸出模組、傳感器、變送器、執行器等組成，民用建築大多採用常規現場儀表一對一連線。
1.3 配置設備清單
系統網路結構確定後，繪製樓宇自控系統的管線設備安裝平面圖、樓宇自控系統圖、原理圖和DDC接線圖等。根據監控點表，結合管線設備安裝圖紙和樓宇自控系統的技術參數等，進行設備品牌選擇，根據所選產品即可配置樓宇自控系統設備清單。
1.4 編製技術方案
根據選用產品的特點，以及工程實際情況編制技術方案，包括設計說明、設計依據、設計原則、結構框圖、系統控制內容、產品描述、系統指標以及與產品選型有關的計算公式等。
2 系統功能設計
樓宇自控系統可對下列子系統，進行設備運行和建築節能的監控，包括冷凍水及冷卻水系統、熱交換系統、採暖通風及空氣調節系統、給水和排水系統、供配電系統、公共照明系統、電梯和自動扶梯系統。事實上，只要被控設備能夠給出監控介面，樓宇自控系統就可以對其進行監控，具體監控內容可參考規範中的規定。
About the Building Automation Systems Lab
樓宇自控系統的功能設計要結合不同地區、不同行業，考慮項目特點，進行有針對性的設計。南方地區大多炎熱多雨，空調系統監控應多考慮除濕功能，並且不需設置防凍開關，設備應選用防潮防濕型。北方地區大多嚴寒乾燥，應多考慮加濕功能，在冬季運行時為避免發生空調表冷器被凍裂，應注重防凍開關的功能。
不同用途、不同功能、不同環境的建築物需要選用不同的設備，如同樣是空調系統，要求的功能並不一樣，自動控制策略也不相同。如博物館、文物庫要求環境相對濕度、室內溫度全年穩定不變，辦公樓則根據室外焓值進行空調的控制，滿足節能要求，但醫院外科手術間需要溫度隨著手術進程而變化。可見，建築需求的個性化決定了樓宇自控系統設計的定制性，在設計時應熟悉控制軟件和算法，這樣的樓宇自控系統才能達到其應有的功能和效果。
由於昆鋼科技大廈辦公區和酒店區在管理、服務和業務流程方面有很大的差別，所以在樓宇自控系統的應用和管理方面也分成兩個獨立的體系，對大廈內所有的機電設備（如通風空調設備、照明設備、給排水設備、電梯、供配電及鍋爐等）進行統一管理。
3 系統接口設計
2 系統功能設計
樓宇自控系統接口介面，涉及到所有被控設備。在超高層建築中，機電設備複雜，經常由於系統介面問題，導致樓宇自控系統發生丟項、甩項故障。因此，需要在設計階段就提出接口介面要求，以便在被控設備製造時，預留出相關接口，確保系統設計的功能全部實現。樓宇自控系統的接口包括軟體接口和硬體接口。
軟體接口主要指通訊接口，包括標準通訊協議Modbus和OPC等，自定義的通訊協議以及其他方式的協議。標準通訊協議可以直接拿來使用；自定義的通訊協議應提供詳細的通訊控制步驟、傳送控制順序、控制符號、格式等編程所必需的資料，需要進行二次開發或定制相應的網關；其他方式的協議可以歸為資料庫方式，應提供數據結構，包括數據類型、格式定義及說明，並說明哪些數據是實時的，數據庫接口應支持ODBC方式。當變配電系統、電梯系統、鍋爐系統、冷水機組群控系統、智慧照明系統等，以軟體接口形式納入樓宇自控系統時，應提供標準接口。
硬體接口包括通訊硬體接口RS485或RS232等，以及由被控設備配電箱提供的接觸器，或繼電器給出的輔助乾接點接口。
4 系統性能設計
樓宇自控系統的性能體現在「穩、準、快」三個方面。系統穩定性是最基本的要求，穩定的系統才能正常工作。準確性是要求系統的動態誤差和穩態誤差越小越好。快速性是指系統達到穩態的時間要快，但控制過程太快時動態誤差也相應增大，所以在設計中要首先滿足動態誤差要求，再縮短控制過渡時間。
從以上的分析中，不難看出系統性能的三個目標是互相制衡的。以PID控制系統為例，參數整定是經常面臨的難題，要想找到合適的PID參數，需要弄清PID控制的原理。
在PID控制中，積分的作用是消除殘差，當有較大的擾動或大幅度改變設定值時，由於有較大的偏差及系統有慣性和滯後，故在積分項的作用下，往往會產生較大的超調和長時間的波動，特別對於溫度、成分等變化緩慢的過程，這一現象更為嚴重，為此可以採用積分分離措施，當偏差較大時取消積分作用，當偏差較小時才使用積分作用。
同時為了能夠很好地適應電動調節閥動作速度的要求，要求微分作用維持多個控制週期，應採用實際微分PID控制算法，同時也增強了抗干擾能力。
為了尋找到最佳的PID控制參數，使系統「穩、準、快」的目標都達到最佳，經過理論計算得到控制參數後，這種方法還需要工程調試經驗進行試湊，並經過一段時間試運行後才能得出合適的PID參數。
5 設計要點
據有關調查顯示，樓宇自控系統在實際運行中的效果並不是很理想，顧客對樓宇自控系統運行情況評價中好評與差評大約各佔50%。糾其原因，大多問題都出自設計階段，包括對被控對象的工藝要求瞭解不準確，甚至存在錯誤認識，沒有進行針對性設計等。下面針對樓宇自控系統運行中經常出現的問題，對設計要點進行描述。
5.1 電動調節閥設計要點
水管道電動調節閥是樓宇自控系統，對空調系統進行控制的重要設備，直接決定空調系統自動控制的成敗。水管道的二通調節閥宜選擇等百分比流量特性，調節閥的口徑應通過計算閥門流通能力來確定。
電動調節水閥選型計算具有很強的技術性，而且電動調節閥選型的合理性與暖通專業工藝有很大的關係。電動調節閥門的實際流量特性與閥權度S關係密切，設計時S的取值應合理選定，S越大，實際流量特性與理想流量特性越接近，電動調節閥門的控制能力就越好，S為1時，電動調節閥門具有最好的可控性，但這種情況在實際使用中不可能出現；S越小，電動調節閥門的控制能力就愈差，實際流量特性趨向兩位閥，當S為0時，電動調節閥門失去調節能力。在閥門的流量特性確定之後，接下來就要確定調節閥的口徑，首先根據S值確定調節閥的壓差，然後根據公式（1）計算調節閥的流通系數 Cv。
式中，Q為通過閥門的流量，m3/h；△P為調節閥兩端的壓差，Pa。
再根據流通系數Cv值，從調節閥產品規格中選取流通系數大於或等於計算出的流通系數的產品，進而選出調節閥的規格或口徑。
5.2 風閥執行器設計要點
風閥執行器的選型主要是計算風門總扭矩，總扭矩與風閥面積以及風量有關。執行器扭矩應能可靠關閉風閥，風閥面積過大時，可選用多台執行器並聯工作。
在設計時能得到的數據是風門形式、風門面積以及風量。根據風閥面積S(m2)及風量Q（m3/h），可以根據公式（2）計算出風閥迎面風速V（m/s）。
根據風門形式、風閥迎面風速等數據，查閱典型風門的單位面積負載扭矩系數ζ，扭距系數ζ與空氣流速、管道靜壓有關（當迎面風速小於5m/s或300Pa時，負載扭矩系數為6Nm/m2；當迎面風速為5m/s~12m/s或450Pa時，負載扭矩系數為9Nm/m2；當迎面風速大於12m/s或500Pa時，負載扭矩系數為12Nm/m2）。
總扭矩為風門面積與負載扭矩系數的乘積，計算方式如公式（3）。
計算出風門總扭矩，再考慮餘量系數1.15後，可以查閱相應型號的執行器。如果按計算數據沒有選到合適的型號，應選用比計算數據大一級別的型號。
5.3 系統電源設計
超高層建築中樓宇自控系統供電根據系統網路結構以及建築特點進行設計，管理網路層的中央管理工作站，及列印機等設備應按市電加配UPS模式，控制網路層的通信總線、控制器及現場網路層的傳感器等設備採用集中供電，電源統一取自控制室，由於供電線路過長，避免電纜線徑過粗，在樓體中部弱電間應加裝電源轉換箱。
5.4系統節能設計
超高層建築內耗能較多的系統是公共照明和空調系統，使這些設備能夠高效運行是樓宇自控系統設計時必須考慮的問題，採用最優化的控制模式來滿足建築功能要求可以帶來很大的經濟效益。
系統節能設計優先考慮的是室外環境的充分利用。室外環境的變化直接影響室內環境和設備的工作負荷，樓宇自控系統設計時必須考慮機電設備的運行模式與室外氣候的聯動模式。在超高層建築中合理利用自然通風和採光可以節約大量能源，當室外光線充足時可以關閉照明，室外溫度適宜且空氣質量良好時可關閉空調，採用開窗通風等。
其次，超高層建築中樓宇自控系統的設計應保證建築內能源需求平衡，避免能源浪費。機電設備運行所供應的能量與大廈內環境所需求的能量相等是最佳狀態，若不足則不能滿足舒適環境的需求，若過量則產生浪費。樓宇自控系統的統計模塊功能應實現相應數據的統計，對投入產出的數據進行定量考核，得出精確的數值。
第三，保證機電設備最佳運行狀態，減少設備維修費用。通過樓宇自控系統的軟件功能設計，可以自動累計被控機電設備的運行時間，可以自動實現在使用設備和備用設備之間的工作轉換。
6 結語
超高層建築由於其自身特點，對樓宇自控系統依賴性很強，想要使其發揮應有的作用，需要在設計方面下足功夫，要求系統功能齊全、性能合理、介面接口設計易於實現、節能環保達標並方便施工。由於樓宇自控系統在設備監控、能量採集、節能環保等方面的積極作用，隨著智慧城市由概念炒作到悄然出現，樓宇自控系統已經逐漸融入到智慧城市的建設中。
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