楼宇自控系统设计一般思路分析

    目前许多现代化大楼尤其是高层大楼内安装了楼宇自控（BA）系统，不仅极大改善了大楼的环境效率，而且也使大楼能源消耗在量化控制之下， 确保大楼能源成本降低成为可能。

 

但不可否认的是，由于各种原因（如设计的不完善等）也确实造成一些BA项目不太成功甚至完全失败。

　　在本文中，将我司在所从事的BA工程中所积累的经验、教训以及一些新的想法写出来和同行交流。

 

1、 LONWORKS技术在BA系统设计中的应用

　　目前，LONWORKS技术在BA业界反响较大，这控制技术对传统BA系统配置影响较大。

　　LONWORKS技术是美国ECHELON公司91年推出局域操作网，具有完整的开发系统平台，包含所有设计、配置和支持控制网的元素，是目前最为先进的控制网络技术。

 

 

　　LONWORKS技术由以下三个核心部分组成：

   （1）MC143150或MC143120NEURON（神经元）芯片

   （2）LONTALK协议，执行ISO/OSI参考模型和提供全部七层服务

   （3）网络开发工具（LONBUILD）和节点开发工具（NODEBUILDER）

 

　　LONWORKS网络最大的优点是其完全的开放性，其主要表现在以下方面：

   （1）LONWORKS所用的通讯协议LONTALK提供ISO/OSI参考模型所定义的全部七层服务。

   （2）LONWORKS支持多种通信媒质和任意自由拓扑网络结构。

   （3） LONWORKS支持的通信媒质有双绞线、同轴线缆、光纤和无线微波等。

   （4）LONWORKS组网拓扑结构可以是任意形式，可以是星型、树枝型、网状型等，实现真正的点对点通讯。

 

　　我们可以这样假设：当一幢大楼面积较大，所控机电设备（如空调机组、水泵）分散分布，如果仍旧采用传统的BA联网拓扑结构，那么实现现场 DDC控制器通讯连接（“手拉手”方式）的布线不仅繁杂，甚至有的受到现场环境影响无法布线。如果这时采用带LONWORKS技术DDC，就可随现场情况任意选择通讯网络拓扑结构，使系统组态灵活方便，可见LONWORKS技术优势所在。

 

　　但任何事物都是辨证的、一分为二的，在工程设计中我们明显感到：

 

（1）LONWORKS尽管在物理形式上可自由拓扑，但每个LONWORKS节点需要连接到信道（CHANNEL）上，这就必须进行网络分段（SEGMENT），在系统配置上必须增加路由器（ROUTER），带来不足之处主要表现在： -增加了系统管理复杂度 -实际上在逻辑上增加了控制系统分级数，系统分级数越多，系统不可靠度值就高，降低系统稳定性。

 

 

（2）各厂商生产的元器件（如各类型传感器、控制器）只有而且必须插入固化有LONTALK协议的NEURON 芯片并按照LONWORKS控制网络技术规定组成任意 拓扑结构真正的智能化网络。

 

　　综上所述，从技术层面讲，LONWORKS技术给楼宇自控系统配置提供了又一选择，但目前受到各种条件限制LONWORKS技术优势还不能完全发挥出来。我们认为，若自控系统规模不是很庞大，进行工程设计配置时最好不用LONWORKS技术。

 

2、BA工程设计的关键

 

　　一个成功BA工程必须具有两个要素：

 

·系统应用稳定可靠，发生故障概率降到最低可能限度。

 

·系统能提供精确的、量化的控制模式，为大楼能源控制提供可靠保证。

 

　　任一业主为大楼安装BA系统直接动因就是能实现大楼能源消耗大幅度降低以达到节省大楼营运成本的目的。这就要求BA系统整个控制过程尽可能精确。

 

　　在下文中我们想从工程设计方面探讨一下如何保证BA精确控制。

 

　　2.1 BA系统模型 从理论上讲，一个控制系统主要有以下装置组成：

 

    （1）检测变送装置：将被控对象的被调参数检测出来，并将其转换成各类型的能量信号。

 

    （2）控制调节装置：将检测装置送来的被调参数信号与设定值相比较，当出现偏差时发出一定规律的控制信号到执行调节装置。

 

    （3）执行调节装置：根据控制调节装置（控制器）发来的控制信号的大小和方向，开大或开小调节阀门而改变调节参数的数值。

 

　　显然，组成楼宇自控系统（BA）主要装置有： -检测装置：有各类型传感器（如温度传感器、压力、压差传感器等）。 -直接数位控制器：简称DDC，采用计算机数字输出信号去直接控制电动水阀阀门的开度。 -执行器及电动阀门

 

　　2.2 BA系统精度要素 从上文可以显而易见，以下几个条件（因素）直接影响到BA系统精确控制程度： 

 

  （1）系统前端所测信号准确尤其是象温度这样的模拟信号必须尽可能准确。如何保证系统前端信号准确，我们采取以下措施：

 

    ·合理配置前端传感器数量。探测点数设置过少，则无法取得精确的前端信号；而前端传感器数量（点数表）过多的话易造成信号之间耦合，也使系统成本增大。

 

    ·正确选择传感器的安装位置。举例来说，安装于送风管道内的温度传感器如果安装在靠近机组送风口处，则传感器检测得到温度值可能偏低；如果安装在离送风口较远，则传感器测得温度值可能要高一些。这就必须根据风管的实际情况合理选择传感器安装位置。 

 

    （2）系统控制环节少、能提供丰富的控制积算软件。目前各BA厂商提供DDC（直接数位控制器），采用的是计算机数字输出信号去直接控制电动水阀阀门的开度，而无须中间调节器；另外，DDC内含有丰富的积算控制程序，有比例（P）算法、比例积分（PI）算法、比例积分微分（PID）算法。

 

　　由于不同的PID系数，被控对象生成不同的反应特性曲线：

 

　　PID系数较高，则对象反应特性曲线较陡，也就是反应过渡过程较短；PID系数较低，则对象反应特性曲线较为平缓，也就是反应过渡过程相对较长。

 

　　理论上说，过渡过程较短的话，则系统响应快，换句话说，也就是系统控制精度较高，但这并不说系统控制精度越高就越好：由于空调系统本身惯性较大，如BA系统控制精度越高，系统越容易引起振荡，系统也就越不稳定。

 

　　这就要求在工程设计和调试的过程中正确进行软件组态，选择恰当的采样周期和控制函数，保证系统响应输出最优化，在系统控制精度和系统稳定度之间找到最佳平衡点。

 

    （3）保证阀门的“零”开度

 

　　各类电动水阀是BA系统主要执行机构，在空调运行控制过程中阀门开度是BA系统主要调节内容。其中，保证阀门“零”开度是BA系统控制精 度重要保证。换句话说，选择正确流量特性和合适口径的电动水阀是BA系统成功的重要保证。 

 

　　·电动调节水阀的流量特性是指空调水流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的函数关系，目前工程上常用的主要有直线流量特性、等百分比流量特性的电动水阀。

 

　　单位行程变化所引起的相对流量变化与点的相对流量成正比关系的是等百分比流量特性水阀。该类型水阀可调范围相对较宽，比较适合具有自平衡能力的空调水系统，因此BA系统中大量应用的是等百分比流量特性的电动水阀。

 

　　·电动水阀的口径决定了阀门的调节精度。水阀口径选择过大，不仅增大业主投资成本，而且使阀门基本行程单位变大导致阀门调节精度降低，达不到节能目的；水阀口径选择过小，往往会出现即使水阀全部打开系统也难以达到设定温度值，无法实现控制目标。

 

　　那么如何计算选择电动水阀口径？ 工程上我们常用的是通过计算电动阀门的流量系数（Kv/Cv）值来推导电动水阀口径，因为流量系数和水阀口径是成对应关系的，换句话说，流量系数定了，水阀口径大小也就确定了。

 

　　水阀流量系数（Kv/Cv）采用以下公式计算：

 

　　Cv=Q/ΔP1/2

　　其中Q-设备（空调/新风机组）的冷量/热量或风量　ΔP-为调节阀前后压差比

 

　　理论上讲，在不同的空调回路中，ΔP值是不同的，是一个动态变化的值，取值范围一般在1-7之间。但由于在流量系数的计算过程中ΔP 是开根号取值，所以对Cv计算影响并不是很大。因此，在工程设计中一般选ΔP值为4。

 

　　举例来说，假设1台空调机组技术指标值如下： 风量：8000 M3/H 冷量：47.17 KW 热量：67.55 KW 余压：410 PA 功率：2KW 如何选用调节水阀？

 

　　首先，我们计算流量系数Kv/ Cv值 Cv=Q/Δ

 

    P1/2=67.55*0.685/2=23.14 

 

    Kv=Cv/1.17=43.92/1.17=19.8

 

　　然后计算出来的流量系数Kv/ Cv选用与其相适应口径的调节水阀。

 

    3、业主应该注意的几个问题

 

　　3.1 以实是求是的眼光看待BA的节能

 

　　业主为大楼投资安装BA系统主要是看在BA系统能够节省能源成本，降低大楼运行支出，提高大楼经济效率。

 

　　但有相当数量的业主存在着错误观点：以为大楼节能就是靠BA系统，有了BA系统就能省很多钱。存在这种观点虽然可以理解，但显然忽视了BA系统节能 的前提条件：只要在暖通设计合理的前提下，结合合理有效的BA自动控制，才能真正达到节省人力、节省能源的目的。换句话说，大楼的节能是一项综合性系统工程，不是单靠BA系统就能实现的。有关大楼节能与BA系统关系已有专门文献作出分析，本文不做深入讨论。

 

　　3.2 采购设备时应考虑BA接口

 

　　理论上讲，BA对所控设备的型号、品牌、功能没有限制，但这并不是说BA对设备没有要求：业主所购的受控电气设备必须具备二次控制回路或者说 BA接口，否则BA系统是无法进行有效控制。

 

　　我司在工程实践中发现许多业主在采购设备没有考虑BA要求，电气柜内没有二次回路，不得不重新改制电气控制柜，造成业主投资浪费。

 

　　由于不同品牌的BA系统对二次控制回路要求不尽相同，所以最好能与BA工程商先行沟通。

 

4、小结

 

　　以上只是我司在BA工程实践中的一些体会和经验，请专家和同行批评指正。