基于LabVIEW的楼宇自动化系统设计

摘要

近年来，智能建筑技术在国内飞速发展。智能建筑主要包括楼宇自动化系统（BAS）、通信自动化系统（CAS）和办公自动化系统（OAS）。楼宇自动化系统是智能建筑中最基本、最重要的系统。而楼宇自动化系统包括供电系统、照明系统、给排水系统、空调系统、电梯系统、消防系统和安防系统。而虚拟仪器技术已经被广泛应用于现代化的自动化系统，不仅能够有效的提高和完善现代化楼宇的管理水平，而且可以对楼宇自动化系统中大量的机电设备进行更科学、有效的实时监测和管理。

本文主要介绍了一个基于虚拟仪器：LabVIEW设计的变风量（VAV）空调监控系统。所设计的VAV空调监控系统由三大部分组成：温度采集调控系统，湿度采集调控系统和机组进出气口空气状态监控系统。由于实验条件限制，只能从理论层面上基于LabVIEW进行系统数据的采集和调控。尽管与实际应用存在差距，但希望通过对设计思想的阐述及应用，实现从“点”的研究到“面”的推广。

关键词：LabVIEW；变风量（VAV）空调监控系统；楼宇自动化系统（BAS）

Abstract

In recent years,intelligent building technology has always been developing rapidly in China.Intelligent Building consists of Building Automation Systems(BAS),Communication Automation Systems(CAS)and Office Automation Systems(OAS).Building Automation Systems is the most important and basically part in the intelligent building.And the make-up of the Building Automation Systems includes the power supply systems,lighting systems, water supply and drainage systems,air-conditioning systems,elevator systems,fire systems and security systems.On the other hand,virtual instruments technology has been widely adopted in the modern automated monitoring and control https://www.sodocs.net/doc/df14332488.html,bining with virtual instruments technology to build Building Automation Systems is not only to improve and enhance the management of the modern buildings effectively but also to have a real-time monitor and management of the number of mechanical and electrical equipments within the Building Automation Systems in a more effective and scientific way.

This paper represents a design of the VAV air-conditioning monitor&control system based on the virtual instruments:LabVIEW.Three sub-systems constitute the designed monitor&control systems,which includes collecting temperature control systems,humidity control systems acquisition,and crew and out of state regulation and control of air intake systems.As the experimental conditions,only from a theoretical level system based on the LabVIEW data acquisition and control.Although there is a gap with the actual application, but I hope that through the design and application of thinking,from"point"of the research to the"face"is being promoted.

Key words：LabVIEW，VAV air-conditioning monitor&control system，Building Automation Systems(BAS)

目录

摘要.....................................................................................................................................I Abstract......................................................................................................................................II 1绪论.. (1)

1.1选题背景以及研究的目的和意义 (1)

1.1.1智能建筑与楼宇自动化系统（BAS）发展现状 (1)

1.1.2LabVIEW的国内外发展和现状 (2)

1.1.3基于LabVIEW开发楼宇自动化系统的意义 (3)

1.2本文主要的研究内容及任务 (3)

2智能建筑及楼宇自动化系统（BAS） (5)

2.1智能建筑的概述 (5)

2.1.1智能建筑的基本概念 (5)

2.1.2智能建筑的起源和发展 (6)

2.1.3智能建筑的组成部分 (7)

2.1.4智能建筑的系统集成 (8)

2.2楼宇自动化系统（BAS）概述 (9)

2.2.1BAS系统的基本概念 (9)

2.2.2BAS系统的基本功能 (9)

2.2.3BAS系统的基本构成 (10)

2.2.4BAS系统的集成与协调管理 (13)

3空调机组监控系统 (15)

3.1空调系统的概述 (15)

3.1.1空调系统的基本概念 (15)

3.1.2空气调节 (15)

3.2空调监控子系统 (16)

3.2.1新风、回风机组监控 (16)

3.2.2空调机组的监控 (16)

3.2.3变风量系统的监控 (17)

3.2.4暖通系统的控制 (17)

3.2.5冷热源及其水系统监控 (17)

3.3空调机组 (18)

3.4变风量（VAV）空调机组 (19)

3.4.1变风量空调机组的组成 (19)

3.4.2变风量空调机组的监控 (20)

3.4.3变风量空调机组的加湿和除湿 (21)

4虚拟仪器技术 (23)

4.1虚拟仪器及LabVIEW的概述 (23)

4.2LabVIEW的应用及特点 (24)

4.2.1LabVIEW的应用 (24)

4.2.2LabVIEW的特点 (25)

4.3利用LabVIEW实现数据采集 (25)

4.3.1数据采集 (25)

4.3.2仪器控制 (28)

5利用LabVIEW设计的VAV空调监控系统 (29)

5.1基于LabVIEW的空调系统设计概述 (29)

5.2空调机组温度采集调控系统的设计 (29)

5.2.1空调机组温度采集系统的设计 (29)

5.2.2空调机组温度调控系统的设计 (31)

5.3空调机组湿度采集调控系统的设计 (32)

5.3.1空调机组湿度采集系统的设计 (32)

5.3.2空调机组湿度调控系统的设计 (34)

5.4空调机组进出气口空气状态监控系统的设计 (35)

结论 (38)

致谢 (39)

参考文献 (40)

1绪论

1.1选题背景以及研究的目的和意义

1.1.1智能建筑与楼宇自动化系统（BAS）发展现状

智能建筑在本世纪末诞生于美国。第一幢智能大厦于1984年在美国哈特福德（Hartford）市建成。我国于90年代才起步，但迅猛发展势头令世人瞩目。

智能建筑是信息时代的必然产物，建筑物智能化程度随科学技术的发展而逐步提高。当今世界科学技术发展的主要标志是4C技术（即Computer计算机技术、Control 控制技术、Communication通信技术、CRT图形显示技术）。将4C技术综合应用于建筑物之中，在建筑物内建立一个计算机综合网络，使建筑物智能化。4C技术仅仅是智能建筑的结构化和系统化。

楼宇自动化系统是智能建筑的核心部分，楼宇自动化系统也叫建筑设备自动化系统(Building Automation System简称BAS)，是智能建筑不可缺少的一部分，其任务是对建筑物内的能源使用、环境、交通及安全设施进行监测、控制等，以提供一个既安全可靠，又节约能源，而且舒适宜人的工作或居住环境。

早期的楼宇自动化系统通常只有楼宇设备自控系统。随着计算机技术、数字通信技术、控制技术以及微电子技术的发展，其他楼宇设备的自动控制系统也逐渐地被集成到楼宇自动化系统中，如火灾自动报警与消防灭火设备自动控制系统、智能卡设备自控系统等。现代智能建筑的楼宇自动化系统是一个高度集成、和谐互动、具有统一操作接口和界面的“高智商”的自动化系统。

信息技术的飞速发展使楼宇自动化系统发生了本质的变化。在以往的智能建筑中，楼宇自动化系统通常与IT系统是分离的。随着企业级管理日益流行，开放系统技术以及Internet技术的发展，单纯的物业管理必将会纳入企业管理之中；专有通信协议的自动化系统将被开放通信协议的自动化系统所取代，并在整个楼宇自动化系统内实现完全互操作，Internet将会成为管理系统的基础设施之上，形成网络化的楼宇系统，真正成为企业级信息系统的一个子系统。网络化楼宇系统使楼宇自动化系统不仅具有统一的操作界面，而且使包含物业管理在内的企业管理更加高效。

随着社会与科技的进步与发展，只有楼宇自动化系统所提供的建筑环境已无法适应信息技术的飞速发展和满足人们对建筑环境信息化、智能化的需求。1984年1月在美国康涅狄格州Hartford竣工的City Place大楼的宣传材料中，第一次出现“智能建筑”一词，标志着“智能建筑”概念的形成。该大楼以当时最先进的技术来控制空调设备、

照明设备、防灾和防盗系统、垂直交通运输（电梯设备）、通信和办公自动化等，除可实现舒适、安全的办公环境外，还具有高效、经济的优点。大楼的用户可以获得语音、文字、数据等各类信息服务，而大楼内的空调、供水、防火防盗、供配电等系统均为计算机控制，实现了自动化综合管理，为用户提供了舒适、方便和安全的建筑环境，引起全世界的关注。

随后，智能建筑及其“建筑智能化系统”蓬勃发展，以美国和日本最为突出。此外，法国、瑞士、英国等欧洲国家和新加坡、马来西亚、香港等国家和地区的智能建筑也迅速发展。据有关统计，美国的智能建筑超过万幢，日本新建大楼中60%以上是智能建筑。我国智能建筑起步较晚，直到20世纪80年代末期才有较大的发展，但其迅猛的发展势头令世人瞩目。近几年来，在我国的北京、上海、广州、深圳等城市，相继建成了一批具有相当水平的智能建筑，如北京的发展大厦、上海的金茂大厦、深圳天安数码城等。当前国内的智能建筑开始转向大型公共建筑，例如会展中心、图书馆、体育场馆,乃至城市信息化小区[1]。

随着智能建筑的与楼宇制动化（BAS）的迅速发展，大量的人才涌入其设计研发工作中。这一行业必定有美好的明天。

1.1.2LabVIEW的国内外发展和现状

早在上世纪80年代初引入个人计算机之前，几乎所有使用可编仪器的实验室都通过专门的仪器控制器用于控制它们的测试系统。这些昂贵而且功能单一的控制器通过一个必备的端口控制使用IEEE-488总线（即GPIB总线）的仪器。当初几乎所有的仪器控制程序都是用BASIC语言开发。而编程过程多半是繁重而单调乏味的。到1984年苹果公司推出Macintosh计算机之后，情况出现了重大的变化，“图形化”的概念得以诞生。

虚拟仪器技术就是讲讲结构化编程的概念与数据流相结合，是将结构化的数据流框图和交互式面板的结合。将图标与面板相结合的方式使虚拟仪器在其它程序框图中也能被调用。这样就能按照不同的要求设计不同的多层次系统。

自LabVIEW1.0发布的二十多年以来，LabVIEW从未停止过创新的步伐。不断的改进，更新和拓展，使LabVIEW牢牢占据了自动化测试、测量领域的领先地位。LabVIEW 的图形化开发方式彻底改变了测试、测量和控制应用系统的开发。如今仍在不断的扩展它的应用领域。

最早的LabVIEW1.0是1986年在美国苹果公司的Macintosh上运行的。LabVIEW 开发者的出发点是将各种复杂的硬件功能用软件图标的方式概括和描述。让用户摆脱枯燥的代码编程，利用图形化的编程语言高效的完成任务。在随后几年，NI有对编译器、编辑器、图形显示以及LabVIEW的其它细节进行了重大的改进。在1992年推出用于

SUN和PC的LabVIEW2.0版本。此后，每一个版本的推出都包含了里程碑的意义的功能和特性的重大改进。在1998年推出的LabVIEW5.0已经提供了多线程支持功能，为现在的多处理器技术打下了基础；LabVIEW首个可以发布到实时OS的版本诞生于1999年；2003年的LabVIEW7Express引入了波形数据类型，以及一些交互性更强的，基于配置的函数；2005年突出的LabVIEW8.0实现了分布式智能；LabVIEW8.2则提供了仿真图和MathScrip节点功能，将这一平台从测量测试带入设计领域；而最新版本的LabVIEW8.5则提供性能更为强大的NI LabVIEW项目功能，令应用程序的开发更为高效并有效减少VI的连接错误。NI LabVIEW实时模块为严格限时的任务在多系统中分配其特定的处理器内核。新增NI LabVIEW状态图模块，是复杂的应用得以简化。

LabVIEW目前已被广泛应用，在美国Lawrence Livermore国家实验室，一个花费2000万美金的极为复杂的飞秒激光切割系统是基于LabVIEW开发的。该系统中，4台Windows NT工作站用网络连接起来，LabVIEW用来给激光提供测量、控制和自动定序。在北京正负电子对撞机二期工程北京谱仪慢控制中，该大型分布式监控系统的大型软件完全基于LabVIEW以及DDC模块实现。

1.1.3基于LabVIEW开发楼宇自动化系统的意义

近年来，智能建筑技术在国内飞速发展。智能建筑主要包括楼宇自动化系统（BAS）、通信自动化系统（CAS）和办公自动化系统（OAS）。楼宇自动化系统是智能建筑中最基本、最重要的系统。而楼宇自动化系统包括供电系统、照明系统、给排水系统、空调系统、电梯系统、消防系统和安防系统。而虚拟仪器技术已经悲观反应用与现代化的自动化系统，不仅能够有效的提高和完善现代化楼宇的管理水平，而且可以对楼宇自动化系统中大量的机电设备进行更科学、有效的实时监测和管理。

我国智能建筑的发展，真正在建筑界广泛进行规划和设计虽然时间不长，但楼宇自动化系统（BAS）的发展却很快。国内目前多采用集散控制系统方案，中央操作站与各智能控制器通过现场总线的方式通讯交换信息，显示、打印信息，还可以远程修改设定值及互动操作，实现楼宇设备的实时控制。

楼宇自动化管理与监测系统的研究也成为新兴课题。由于虚拟仪器的强大功能，利用虚拟仪器平台（LabVIEW）来开发的楼宇自动化管理与监测系统在很大程度上可以简化工程师的工作量。LabVIEW在工业自动化、通信、汽车工业、航空航天、电力、石油等领域额已经得到了充分的利用。而且在建筑领域中同样有广阔的应用前景。

1.2本文主要的研究内容及任务

本论文主要是建立在楼宇自动化系统（BAS）的认识以及对LabVIEW的应用掌握

的基础上的，其主要任务有：

（1）介绍空调系统、空调机组和变风量（VAV）空调机组的相关知识；

（2）介绍虚拟仪器在国内外的发展前沿以及工程应用现状；

（3）介绍智能建筑以及楼宇自动化系统（BAS）的概念，内容和发展现状；

（4）LabVIEW的概述以及应用特点；

（5）基于LabVIEW创建楼宇自动化检测与控制系统中的中央空调系统，以变风量（VAV）空调系统为研究对象。所设计的空调监控系统由三部分组成，分别是：温度采集调控系统，湿度采集调控系统和机组进出气口空气状态监控系统。其中，温、湿度采集调控系统都分别由采集系统和调控系统构成。各系统所实现的功能如下：

①空调机组温湿度采集调控系统：能够实时采集温湿度，并将其保存为LabVIEW 的LVM文件。采集过程中，设定温湿度上下限，将报警计数器自动记录采集温湿度越限次数。温度采集实现华氏与摄氏度的转换。将采集的温湿度数据一实时曲线的形式显示。

②空调机组温度调控系统：用比例调节来实现对温度的调控，反馈理论主要包括测量、比较和执行三个环节，温度控制作为典型的反馈控制，通过采集值与设定值的比较，对得到的偏差值进行处理来调整控制响应。

③空调机组湿度调控系统：该系统涉及监控的硬件有：风机、除湿机、加湿机和新风机组换气设备。当系统开始运行，首先进入湿度检测状态，当相对湿度大于设定值时，风机、除湿机自动开启，加湿机和新风机组换气设备处于停止状态；当湿度低于设定值时，风机、除湿机关闭，加湿机和新风机组换气设备开启。

④空调机组空气状态的监控系统：利用随机数发生器模拟采集系统进出气口空气状态参数，包括模拟风量（新风量、送风量、回风量）、模拟风速（主风管风速、支风管风速、送风机风速、回风机风速、室内风速）和模拟风压（风机全压、机外静压），同时针对风压监测设置了超压报警和低压报警。另外，模拟产生并采集系统噪声量，实现实时监控以及系统消声装置的自动开启和停止，最大限度满足低噪声的要求。

在设计过程中，由于实验条件有限，难以采集到真实的数据，只能通过LabVIEW 中的相应函数和参考资料，如《公共建筑设计节能标准》来模拟采集的参数。

2智能建筑及楼宇自动化系统（BAS）

2.1智能建筑的概述

2.1.1智能建筑的基本概念

（1）智能建筑的定义

所谓“智能建筑”是计算机、信息通信等技术融入建筑行业的产物，这些先进技术使建筑物内电力、照明、空调、防灾、防盗、运输设备等，实现了管理自动化、远端通信和办公自动化的有效运作。

“智能建筑”从整个技术角度来看，它是计算机技术、控制技术、通信技术、微电子技术、建筑技术和其它很多先进技术相结合的产物，几乎融入了信息社会中人类所有智慧。

国外对“智能建筑”的定义都不相同。最先提出“智能建筑”思想的美国就认为没有固定特性的定义，智能建筑是将结构、系统、服务和管理等四项要求，以及它们之间的内在关系，进行优化组合。所有建筑的智能设计是要提供一个投资合理，又具有高效、舒适、便利的环境。日本则认为具有楼宇自动化、通信自动化和办公自动化，这三种功能结合起来有效运作的建筑即为“智能建筑”。他们把用户的需要作为智能建筑的定义。

而中国智能建筑专业委员会建议，“智能建筑”是利用系统集成方法，将智能型的计算机技术、通信技术、信息技术、和建筑艺术的优化组合，所得到的投资合理、适合信息社会需要并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑。

各国的的国情不同，对智能建筑的需求也不同，导致侧重点不同，因此定义也不同。另外，“智能建筑”的含义还随着可续发展而不断完善，因此它的定义也随着高速发展的科学技术不断的变化和充实。

（2）智能建筑的特性

“智能建筑”的固有特性是：建筑物管理服务自动化，办公资源自动化，信息通信自动化。智能建筑的服务综合为几个子系统，这些子系统的资源共享成为整个系统的资源互补，这样能有效的构成一个综合系统来满足建筑物的各种复杂要求。“智能建筑”提供一个优越的生活环境和高效的工作环境，且具有舒适性、高效性、方便性、适应性、安全性和可靠性的特征。

（3）智能建筑的分类

“智能建筑”的使用功能不同，类型也不少，归纳起来有以下几种。

①专用办公楼类。它包括政府机关办公楼、集团公司或大型企业办公楼、金融大

厦（银行、证券、保险、期货等）、商业楼、科教楼（科研院所、医院、学校等）。

②出租办公楼类。房地产开发商投资兴建，对外出租、出售。大楼内公用设施一次建成，出租、出售楼层，房间内设施由用户根据需要自行装修。

③综合楼类。它为多功能建筑，集办公、金融、商业、娱乐、生活为一体的建筑。

④住宅楼类。以具名居住为目的而建的建筑物（包括多层、高层、生活小区）。

（4）智能建筑功能

“智能建筑”的功能体现在以下几个方面：

①具有信息处理功能；

②各中心之间能够进行通信，信息通信的范围不局限与建筑物内部，应能在城市、地区和国家之间进行；

③能对建筑物内照明、电力、暖通空调、给排水、防盗、防灾设备等进行综合自动管理；

④能实现各种设备运行状态监视和统计记录的设备管理自动化，并实现以安全状态监控为中心的防灾自动化功能；

⑤功能可随技术进步和和社会发展所需具有可适应性和扩展性。

2.1.2智能建筑的起源和发展

智能建筑是为了适应现代信息社会对建筑物的功能、环境和高效管理的要求而产生的，它是采用计算机对智能建筑物内的设备进行自动控制、对信息资源进行管理和对用户提供信息服务等一种新型建筑。

智能建筑是最近几十年发展起来的，能很快在全球迅速发展有其原因。20世纪70年代末，随着社会信息化进程加快，信息也同其它科学技术一样成为竞争和巩固企业地位及推动发展的手段。现代科学技术的发展，使大量信息的积累、处理、传递变得无比迅速和相对廉价，建筑和信息技术的结合就成了必然的趋势。而且当时全球经济特别是东亚经济的腾飞，生产力特征有劳动力资源型转向智力资源型，需要高效的工作场所，为智能建筑提供了广阔的买方市场。同时也出现了一大批智能建筑、系统集成商和技术咨询公司，使智能建筑的发展有了广泛而坚实的基础。而现代计算机网络技术的发展是智能建筑强有力的技术基础。

“智能建筑”最早出现于1984年1月美国康涅狄格州所建的“都市办公大楼”（city place building），该大楼用最先进的技术来控制电力、照明、空调、防盗、运输设备、通信和办公自动化，除了有舒适、安全的办公条件外并具有高效、经济的特点，这是世界上公认的第一座“智能建筑”。不久，日本于1985年8月在东京青山建成“青山大楼”，该大楼具有良好的综合功能，除了舒适、安全、高效、经济外，还方便、节能，

使“智能建筑”又得到进一步发展。由美国、日本勾画了“智能建筑”的基本特征，随着世界各地“智能建筑”的蓬勃发展，英、法、德等国都积极筹建“智能建筑”。

随着社会高度信息化推进，“智能建筑”已成为现代化建筑的新趋势。目前，“智能建筑”正朝着两个方向发展，一方面不限于智能化办公楼，正向公寓、商店、商场等建筑领域扩展，特别是向住宅发展；另一方面已从单一建造发展到成片规划开发，例如“智能广场”,“智能社区”等。

我国“智能建筑”起步较晚，直到20世纪80年代末才开始有较大发展。1986年我国“七五”计划初期，由国家计委会同国家科委主持制定国家“七五”重点科技攻关项目，到1998年5月建设部成立建筑自动化系统工程设计专家工作委员会，为积极引导市场规范化，推进智能建筑业的健康发展作出了积极的努力，童年5月在北京又成立了中国智能建筑专家网（CIBnet）。

1999年建设部住宅产业化办公室召开了住宅小区智能化技术论证研讨会，制定了住宅小区智能化分级功能设置，并积极着手编制《住宅小区智能化技术准则》，组织实施住宅小区智能化技术示范工程。这样使我国“智能建筑”纳入了正常发展轨道。进入21世纪来，在北京、上海、广州等大城市不断涌现具有相当水平的智能建筑。

2.1.3智能建筑的组成部分

现代“智能建筑”主要是建筑技术与信息技术相结合的产物，是随着科学技术的进步发展充实的。现代建筑技术（Architecture）、现代计算机技术（Computer）、现代通信技术（Communication）、现代控制技术（Control），是智能建筑发展的基础。智能建筑是由以下几个系统组成的。

（1）楼宇自动化系统

它采用计算机技术、自动化控制技术和通信技术组成的高度自动化综合管理系统，对建筑物内所有机电设施进行自动控制，这些机电设施包括交配电、给排水、照明、空气调节、火警保安等系统，用计算机实行全自动的综合监控管理。建筑自动化系统一般有以下几个方面。

①管理系统。主要包括：热源、空调设备最佳控制，温湿度自动调节控制，调度运转控制，外气量控制，电梯组管理，大楼的环境、设备状态测定记录，能源记测、记费、远程控制等。

②安全防范系统。主要包括：远程监控，出入口控制，火灾探测、报警、灭火及火灾控制，排烟控制、避难自动引导，煤气泄漏探测，报警系统，漏水探测系统，停车场自动管理系统地震监视系统，停电控制系统。

③节能系统。主要包括：照明自动调光、照明自动开关系统，供电需求控制系统，

节约用水控制系统，空调冷暖自动控制系统。

（2）通信自动化系统

通信系统主要有语音通信数据通信、图形图像通信。智能建筑中的信息通信设施一般以程控用户交换机（PABX）为基础，并与其他外部通信设施联网能利用高速数字传输网络或卫星通信系统进行信息传输，通信系统包括以下几种。

①以建筑物为中心的多功能程控电话和电视电话系统；

②电话会议和电子电话会议；

③子邮政系统（包括电子邮件、高速传真邮件和原稿传真邮件等）；

④电传打字和数据传输系统；

⑥传真、电视和闭路电视系统；

⑦卫星通信和专用无线电通信系统。先进的通信系统既可传输语音、数据，还可以传输图像等多媒体信息。不同功能的建筑物，对通信的要求也不相同，信息产业部门会根据需求提供相应的应用系统。

（3）办公自动化系统（OAS）

办公自动化系统是智能建筑最基本的内容之一，它对来自建筑物内、外部等各种信息，给予收集、处理、存储、检索等综合处理。该系统主要包括以下几种。

①共用信息系统。包括局域网系统、公用数据库、主计算机系统、综合统计系统、电子出版系统、可视图文系统、会议电视系统等。

②用户专用信息处理系统。包括分体式办公信息管理系统、办公设备（服务器、传真器、复印机、扫描仪、打印机文字处理机等）、应用系统（办公、财务、人事、情报等管理系统，办公自动化系统应有对计算机终端、打印机、复印机、传真机等管理）。

综合以上内容，我们将在传统建筑的基础上增加了楼宇自动化系统（BAS）、通信自动化系统（CBS）、办公自动化系统（OAS）智能建筑的3A系统。同时，也有人将3A系统扩充到5A,新增加智能防火监控系统（Fire Automation System）、保安自动化系统（Safety Automation System）。这样就构成5A系统。尽管分类不同，但两者在实质上并无差别。

2.1.4智能建筑的系统集成

系统集成的概念，就是将各种各样的新技术、实用技术在应用的层面上进行合作，并使它们工作起来就像一个应用系统那样协调，系统集成的意义在于当各种信息核心技术如同潮水般的涌来时，如何根据需要对各种信息进行智能化的寻找、检索、过滤和选择，对各种新技术进行组合、归纳和集成，使之生成有价值的信息和再生新的应用技术，为了达到这个目的，系统集成成了关键问题[2]。

系统集成在实际应用中，就是借助与结构化的综合布线系统和计算机网络技术，把构成智能建筑的三大要素作为核心，将语音、数据和图像监控及监控等信号，经过统一的筹划涉及综合在一套结构化的布线中，并通过贯穿大楼内、外的布线系统和公共通信网络为桥梁，以及协调各类系统和局域之间的接口和协议，把那些分离的设备、功能和信息有机的连成一个整体，从而构成一个完整的系统。使资源达到高度共享，管理实现高度集中。

系统集成包括设备的集成、系统软件的集成、应用软件的集成、人员的集成、管理机构的集成和管理方法的集成等方面。可以认为，系统集成是对软件、硬件及多元化信息综合和统一的过程。实质上，系统集成就是系统平台的集成。所谓“系统平台”就是应用系统的开发和运用环境。系统集成应该是各类设备、子系统及系统平台达到完整统一，它支持智能建筑中功能和环境的各方面，并且功能齐全，在用户界面上一致。

系统集成的实现，关键在于解决系统之间的互连性和互操作性问题。这是一个多厂家、多协议和面向各种应用体系的结构。这需要解决各类设备、子系统之间的接口、协议、系统平台、应用软件和其它相关子系统、建筑环境、施工管理及人员配备等问题，涉及多学科、多领域的复杂的系统工程，贯穿于智能建筑的规划、设计、施工和管理的全过程。

2.2楼宇自动化系统（BAS）概述

2.2.1BAS系统的基本概念

楼宇自动化系统是将建筑物内的电力、照明、空调、电梯、消防、保安、广播等设备以集中监测、控制和管理为目的而构成的一个综合性系统。其目的是使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活环境和高效的工作环境。并能够保证系统运行的经济性和智能化的管理。通过对建筑物内的空调、供配电、给排水等系统实时监测与控制。实现楼宇的机电设备管理自动化、能源管理自动化。达到优化楼宇环境、节约能源、降低成本的目的。通过空调系统的自动监测与控制，使建筑物内冬暖夏凉，给人们提供一种舒适的生活、工作环境。先进的计算机管理系统对建筑物内各种设备进行实时监测，存储各种信息和数据，进行分析处理。

2.2.2BAS系统的基本功能

（1）自动监视并控制各种机电设备的起、停，显示或打印当前运转状态。

（2）自动检测、显示、打印各种机电设备的运行参数及其变化趋势或历史数据。

（3）根据外界条件、环境因素、负载变化情况自动调节各种设备，使之始终运行

于最佳状态。

（4）监测并及时处理各种意外、突发事件。

（5）实现对大楼内各种机电设备的统一管理、协调控制。

（6）能源管理：水、电、气等的计量收费、实现能源管理自动化。

（7）设备管理：包括设备档案、设备运行报表和设备维修管理等。

2.2.3BAS系统的基本构成

根据我国行业标准，BAS又可分为设备运行管理与监控子系统和消防与安全防范子系统。其基本构成包括：变配电系统、给排水系统、照明系统、空调系统、电梯系统、消防系统、安全防范系统等。其基本构成如图2.1所示：

图2.1BAS的基本构成

（1）变配电系统

变配电系统是智能建筑的动力系统，主要是检测大厦供配电设备和备用发电机组的工作状态及供配电质量，该系统检测对象一般分为以下几个部分：

①高低压进线、出线与中间联络断路器状态监测和故障报警；电压、电流、功率、功率因素的自动测量、自动显示及报警。

②变压器二次侧电压、电流、功率、温升的自动测量、显示和报警。

③直流操作柜中交流电源主进线开关状态监视，直流输出电压、电流等参数的自动测量、显示和报警。

④备用电源系统，包括发电机启动及供电断路器的状态的监视与故障报警。

⑤对建筑中所有的用电设备的用电量进行统计与电费计算和管理。

（2）照明系统

楼宇自动化系统中的照明系统主要包括公共区域智能照明控制系统、办公照明系统、应急照明系统、建筑物里面照明监控系统。在建筑物中，不同用途的区域对照明有不同的要求。因此设计者应该根据使用的性质及特点，对照明设施进行不同的控制。在系统中应该包含一个智能分站，对整个大厦的照明设备进行集中的管理控制，称为照明与动力监控系统。

（3）给排水系统

给排水系统是智能建筑中一个重要的系统。它的主要功能是通过计算机对水位，水压等指标进行监测，及时地调整系统中水泵的运行台数，以达到供水量和需水量、来水量和排水量之间的平衡，实现泵房的最佳运行，实现高效率、低能耗的最优化控制。在楼宇自动化系统中，给排水系统监控的对象主要是水池、水箱的水位和各类水泵的工作状态。将这些信号可以用文字及图形在显示屏上显示并通过打印机把其记录打印出来。

在设计给排水系统时，为了保证消防安全，设置两级消防水箱，除了低位水箱，还必须有楼顶消防水箱，且消防水箱和用户水箱必须分开。

（4）空调系统

空调系统的主要功能是营造一个温度适宜、湿度恰当、空气清洁的生活和工作环境。通过对大楼环境温湿度的监测，对冷冻机组、空调机组及水泵等设备状态的监控，实现对空调系统所需冷热源的湿度、流量等自动调节。在建筑物中，空调系统能耗最大，因此在保证环境舒适前提下，因采取以下优化节能控制的措施，最大限度地降低能耗。因此需要考虑以下问题：

①设备最佳期停控制。

②空调及制冷机的节能优化控制。

③设备运行周期控制。

④电力负荷控制。

⑤蓄冷系统优化控制。

同时，空调系统包括以下子系统：新风、回风机组的监控；空调机组监控；变风量系统的监控（包括锅炉燃烧系统的监控和锅炉水系统的监控）；冷热源及其水系统的监

控。

（5）电梯系统

电梯控制是大厦交通管理的重要环节。电梯一般都带有完备的的控制装置，但需要将这些控制装置与楼宇自动化系统相连并实现它们之间的数据通讯，使管理职工心能够随时掌握各个电梯的工作状况，有多部电梯时进行群控优化，并在火灾、非法入侵等特殊场合对电梯的运行进行直接的管理控制。为了减少浪费，必须根据电梯的台数和高峰客流量对电梯的运行进行综合调配和管理，即通常所说的的电梯群控技术。

智能建筑中电梯监控的内容：

①电梯所处的位置，电梯运行状况，运行方向，电梯的启动和停止；动态显示电梯的实时状态。

②故障检测和报警，出现故障电梯是否有人，故障电梯的大概故障点。收集交通信息，对电梯实时群控。

③配合消防系统，发生火灾时，普通电梯下到一楼，切断电梯电源，启动消防后备电源，消防电梯一楼待命。

（6）消防系统

智能建筑往往是高层建筑，内部人员、物资高度集中，一旦发生火灾，后果不堪设想。因此消防系统对于预防和消除火灾隐患，具有十分难重要的意义。

由于智能建筑大厦建筑的特殊性，发生火灾时，人员疏散困难，消防工作难度大，已造成重大伤亡事故。所以必须综合应用现代自动化检测、控制技术以及计算机技术，对火灾进行快速准确的定位，自动发出报警，自动启动消防设施，并将信息发回主控计算机，由主控计算机进行联动控制，对空调、照明、配电、公共广播、电梯发出相应的指令，使人员能够快速撤离，并最大限度减少财产损失。

（7）安全防范系统

安防系统在传统的设计中已经使用了相当一段时间了，随着科学技术的发展，通过信息技术可以将它们与楼宇自动化系统充分的融为一体，成为BAS中的一员。对智能建筑自动安防系统可描述如下：安防系统通过监测与之先练的安防传感器可提供三种形式的保护：周边保护、区域保护、物体保护。这些设施的设置使得被授权人得以通过受控制的建筑或限制区域的入口。这些人可以通过使用指纹、感应卡或其它身份鉴别设备被确认。系统可基于这一点开启适当的门，允许人们进出被限制的区域。同时，系统自动记录下名称和时间，以备后查。对于“非法侵入”，系统不仅可以提供打印报告和可视的侵入显示，而且还可启动整个建筑的彩色图像监视器系统的监控程序。

安防系统从其基本功能的要求来划分，通常可以分成几大部分：①机械安全措施。

②安全对讲系统。③防盗报警系统。④安全报警系统。⑤电视监控系统。通过用到的防止盗窃和抢劫的办法有机械的电器的两类，它们同时使用相互补充。

2.2.4BAS系统的集成与协调管理

楼宇自动化系统的各子系统并非完全独立运行，各子系统间是相互协调的。例如，消防系统发生火灾后，除消防系统本身的报警与联动等控制等要求外，还必须及时通知空调系统、给排水系统转入火灾运行模式，照明、电梯也要改变运行模式以利于人员疏散。电力系统则需要启、停有关的供电回路，以保证安全。保安系统在发现警报时也要求照明系统、交通系统进行相应的控制动作。这些协调时在消防控制中和楼宇自控中心实现的。

随着计算机技术、网络技术、控制技术和通讯技术的发展，智能建筑的系统集成长在走向网络化、信息化。早起单一子系统的功能完成或几个子系统的设备联动已经不能满足智能建筑的智能化功能和网络拓展的需求。智能建筑的系统集成应该是建立在控制网络与信息网络的有机结合的基础上的综合信息化网络。

在智能建筑中，原来的控制系统是一种封闭的、集中式、不灵活的体系结构，楼宇自动化系统、保安监控系统、消防自动化系统等子系统多有不同厂家的产品组成，他们独立承担职责，即使进行集成，但是由于通讯协议的限制，智能达到简单的设备联动，缺少专家系统等智能化的支持决策。

现场总线（Fieldbus）技术的兴起，改变了控制系统的结构。在基于现场总线的控制系统FCS中，把具有通信能力的测控仪表作为网络节点，通过现场总线网络连成开放式、数字化、多点通信的底层控制网络，统称之为Infranet。具有开放的通信协议，担负着测量控制的任务，是它作为网络系统的最显著的特征。

在楼宇自动化领域，应用较广泛的现场总线技术有以下几种：欧洲安装总线（European Installing Bus，EIB），KNX总线，Lonworks总线（Local Operating Networks），HART(Highway Adressable remote Transducer)总线技术以及CAN（Controller Area Networks）。

在智能建筑的楼宇自动化系统控制的各个子系统中，采用了现场总线，用简单连接的双绞线等作为传输介质，把具有数字计算和数字通信能力的测控仪表按照规范的通信协议连接成控制网络。由于位于现场的设备与仪表就能够与微机控制间的工作站以及远程监控计算机进行数据传输与信息交换，实现基本控制、补偿运算、参数修改、报警、显示、监控、及控管一体化的综合自动化功能。并且工作站和现场设备仪表都是系统中的节点，不同的节点完成不同的功能，即使某一节点发生故障，也不会造成系统的瘫痪，

同时还会提供系统的故障诊断信息，所以它是完整可靠而且真正分散的。另外，工作站和智能仪表之间通过控制网络进行数字化通信，不但能够完成组态和管理，还能够运用优化的策略和高等控制算法（如神经网络算法等）得到高精度、高效率的控制结果。它比在几个PLC系统的罗列中寻找兼容性要优越得多。

在智能建筑中，各个子系统在功能上差别很大，同一系统中不同公司的产品有不同的性能，它们在一定程度上能够独立的完成一定的功能，实现分散控制，这样可以减少中央控制计算机的负荷。中央计算机主要完成各子系统的协调，对数据的运算和决策，从而实现集中管理。各个子系统采用Fieldbus技术，通讯协议与局域网的协议相兼容，可以相互通信。这样在物理上控制网和信息网可以集成，利用信息网成熟的技术，实现对各个子系统的控制功能[3]。

集散式控制，控制系统共用信息网，通过信息网和中央控制计算机通信，这样用户可以根据不同的权限，通过自己的工作站登陆中央控制计算机，相对应的现场设备进行控制。

采用控制网络与信息网络的智能建筑信息系统集成方案，有以下优点：

（1）现场监控信息与运营管理系统实时通信，通过BACnet-LAN，有关人员在授予安全权限之下就可以快速的通过友好的、统一形式的图形界面（如HTML页）浏览了解所需内容，如对控制网络的监控状态进行远程监视与控制。

（2）实现控制网络与信息网络的信息集成，建立分布式的综合实时数据库，保证了数据的一致、完整性和互操作能力。

（3）只有实现控制网络与信息网络的信息集成，才能充分利用各种信息并结合专家系统等智能控制高级算法提供辅助决策，达到设备优化运行、提高物业管理效率、增强建筑物的利用与服务功能。

（4）在Intranet内部或通过Intranet，可以达到控制网络的远程诊断和维护，以及进行新版软件的升级等等。

（5）这样的集成具有开放性和可扩展性，随着服务功能的增加或改变，系统的调整只是模块级的。并且所用的开发工具都必定会被以后的产品兼容。

3空调机组监控系统

3.1空调系统的概述

3.1.1空调系统的基本概念

楼宇自动化系统的是智能建筑集成系统的重要组成部分，而智能建筑空调自控设备又是楼宇自动化系统的核心设备。

空调系统的主要功能是营造一个温度适宜、湿度恰当、空气清洁的生活和工作环境。楼宇空气环境是一个极复杂的系统，其中有来自于人、设备散热和气候等原因的干扰，调解过程和执行器固有的非线性和滞后，各参数和调解过程的动态性，楼宇内人员活动的随机性等诸多原因的影响。对这样一个复杂的系统，为了节能和高效，必须进行全面管理和实时监控。

3.1.2空气调节

空气调节，又称空气调理简称空调，就是把经过一定处理之后的空气，以一定方式送入室内，使室内空气的温度、相对湿度、气流速度和洁净度等控制在适当范围内的专门技术。

（1）温度调节：按照人们的生理特征和生活习惯，常要求居住环境和工作环境与外界的温差不宜过大。对于大多数人来说，夏季室温应保持在25℃～27℃。而冬天应保持在16℃～20℃比较适宜。作为工艺性空调则根据生产工艺或者科学研究的需要，把环境温度调到相应的范围。

（2）湿度调节：按照人们的日常行为习惯，空气过于潮湿或过于干燥都将使人感到不适，通常来说，相对湿度在冬天在40%～50%之间，而夏天在50%～60%之间合适，这样人体会感觉比较良好。如果温度适当，相对湿度即便在40%～70%之间变化，人体都能基本适应。

（3）空调房间的冷、热负荷。冷负荷是指为了维持房间的温度稳定，而在某一瞬间时必须从室内排出的热量。或者说冷负荷是系统为了维持室温必须向室内空气输送的冷量；得热是指室内、外热源，通过各种途径散发到室内的热量；得湿量是指室内的潮源，如人、散湿设备、水槽等，不断的向室内空气散发出的水蒸气量，而这些散发到空气中的湿量构成了房间的湿负荷。

作为用于调节建筑物内部空气质量的设备：空调，根据使用目的的不同具有不同的功能，一般由以下几部分构成：

（1）进风：根据人对空气新鲜度的生理要求，空调系统必须有一部分空气取自室

外。

（2）空气过滤：由进风部分引入新风，必须经过过滤处理。

（3）空气的热湿处理：将空气加热、冷却、加湿和除湿等不同的处理过程组合在一起称为空调系统的湿热处理部分。

（4）空气的输送和分配：将调节好的空气均匀的输入和分配到空调房内，以保证其合适的温湿度和速度厂。这是空调系统空气的输送和分配部分的任务它又风机和不同形式的管道处理。

（5）回风：将空调房间内的空气反馈回空调设备的风道系统。

3.2空调监控子系统

3.2.1新风、回风机组监控

新风机组中空气的／水换热器，夏天通入冷水对新风降温除湿，冬天通入热水对空气加热，水蒸气加湿器用于冬季对新风加湿。回风是为了充分利用资源，冬天利用剩余热量，夏天利用剩余冷气。对新风、回风机组的监控有如下要求：

（1）检测功能：监视风机电机的运行／停止状态；监视风机出口空气温湿度参数；监视过滤器两侧压差，以了解过滤器是否需要更换；监视风机阀门打开／关闭状态。

（2）控制功能：控制风机启动／停止；控制空气／水换热器两侧调节阀，是风机出口湿度达到设定值；控制水蒸气加湿阀门，是冬天风机出口湿度达到设定值。

（3）保护功能：冬天由于某种原因造成热水温度降低或者热水停止供应时，应停止风机，并关闭风机阀门，以防机组内温度过低冻裂空气／水换热器；当热水恢复正常供热时，应能启动风机，打开风机阀门，恢复机组正常工作。

（4）集中管理功能：智能建筑各机组附近的DDC控制装置通过现在总线与相应的中央管理机相连，可以显示各机组启／停状态，送风温度、湿度，各阀门状态值；发出任一机组的启／停控制信号，修改送风参数设定值；任一风机机组工作出现异常时，发出警报信号。

3.2.2空调机组的监控

空调机组的调节对象是相应区域的温度、湿度，因此送入装置的输入信号还包括被调区域内的温湿度信号。当被调区域较大时，应安装机组温湿度检测点，以各点测量信号的平均值或重要位置的测量值作为反馈信号；如被调区域与空调机组DDC装置安装现场距离较远时，可专门设一台智能化的采集装置，装于被调区域，将测量信息处理后通过现场总线将测量信号传至DDC装置。在控制方式上一般采用串级调节形式，以防