基于LabVIEW的楼宇自动化系统设计.docx

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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

Inrecentyears,intelligentbuildingtechnologyhasalwaysbeendevelopingrapidlyinChina.IntelligentBuildingconsistsofBuildingAutomationSystems（BAS）,CommunicationAutomationSystems（CAS）andOfficeAutomationSystems（OAS）.BuildingAutomationSystemsisthemostimportantandbasicallypartintheintelligentbuilding.Andthemake-upoftheBuildingAutomationSystemsincludesthepowersupplysystems,lightingsystems,watersupplyanddrainagesystems,air-conditioningsystems,elevatorsystems,firesystemsandsecuritysystems.Ontheotherhand,virtualinstrumentstechnologyhasbeenwidelyadoptedinthemodernautomatedmonitoringandcontrolsystems.CombiningwithvirtualinstrumentstechnologytobuildBuildingAutomationSystemsisnotonlytoimproveandenhancethemanagementofthemodernbuildingseffectivelybutalsotohaveareal-timemonitorandmanagementofthenumberofmechanicalandelectricalequipmentswithintheBuildingAutomationSystemsinamoreeffectiveandscientificway.

ThispaperrepresentsadesignoftheVAVair-conditioningmonitor&controlsystembasedonthevirtualinstruments:

LabVIEW.Threesub-systemsconstitutethedesignedmonitor&controlsystems,whichincludescollectingtemperaturecontrolsystems,humiditycontrolsystemsacquisition,andcrewandoutofstateregulationandcontrolofairintakesystems.Astheexperimentalconditions,onlyfromatheoreticallevelsystembasedontheLabVIEWdataacquisitionandcontrol.Althoughthereisagapwiththeactualapplication,butIhopethatthroughthedesignandapplicationofthinking,from"point"oftheresearchtothe"face"isbeingpromoted.

Keywords：

LabVIEW，VAVair-conditioningmonitor&controlsystem，BuildingAutomationSystems（BAS）

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（BuildingAutomationSystem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CityPlace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NILabVIEW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。

NILabVIEW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NILabVIEW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LawrenceLivermore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WindowsNT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：

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。

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。

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。

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。

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”（cityplacebuilding），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；

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