楼宇设备监控系统设计方案Word下载.docx
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第一章绪论
1.1楼宇设备监控系统的发展
从楼宇系统最开始的非智能化，到现在运用多种技术手段，包括现场总线技术，自动控制原理的应用等，到目前为止已经取得了非常显著的效果，在全面了解楼宇中各类系统的情况下，人们已经不仅仅满足于在现场对于各类设备的控制工作，而是希望能在一个或者几个控制室内对整个楼宇的各类系统进行全面的实时监控和管理，从而达到节约人力，节约各类资源的目的，也使得监控和管理更加的科学，可靠。
由此，楼宇设备监控系统就应运而生，在最近几年的发展更是非常的快速，各类现场总线技术的使用，给楼宇设备监控系统的设计提供了完善的技术保障，而现场DDC控制器的有效应用也使得整个系统更加安全，可靠，监控效果非常明显。
计算机网络是计算机技术与通信技术相结合也是近年来发展最为迅速、应用最为广泛并且最具有影响力的技术之一。
时代的步伐已昂然跨入辉煌的二十一世纪，楼宇设备监控系统这项技术正成为社会信息的奠基石，并已飞速的速度发展着，它已经渗入到社会信息网络的方方面面，为人们的工作和日常生活带来了极大的方便。
现代化的商务大厦是以高度的智能化为其主要功能目标的，而楼宇自动化系统是现代楼宇智能化的体现。
楼宇设备监控系统是基于现代控制理论中的分布控制理论而设计的一个集散型控制系统，它通过中央计算机将分布在各监控现场的智能单元连接在一起，构成一个先进而完善的综合监控系统，对整个大厦的机电设备实现集中监测与控制，保证设备在最佳状态下运行，为大厦提供一个舒适、高效、安全、节能的环境。
楼宇设备监控系统的发展，已经取得了非常显著的成果，但是我们的科学技术在进步，我们的研究成果在不断更新，在不久的将来，我们会实现集成度更加高的监控系统来使得这项工程得到更快，更好的发展。
1.2楼宇设备监控系统设计的目的和意义
随着科学技术的发展和人们对管理水平要求的提高，人们需要在控制室里对楼宇的分散的设备进行控制管理监视的功能，楼宇设备监控系统应运而生，其主要功能是对建筑物内的空调通风系统、给水排水系统、照明与动力系统等机电设备实现全面计算机监控管理。
通过对各个子系统（空调通系统、给排水系统、照明控制系统等）进行监测、控制、信息记录，实现分散节能控制和集中科学管理，为建筑物内的用户提供良好的工作环境，为建筑物的管理者提供方便的管理手段，为建筑物的经营者减少建筑物内的能耗并降低管理成本，为物业管理现代化提供物质基础，提高工作效率和服务质量，确保有一个舒适、清洁的生活与工作环境。
视频监控系统（VSCS）：
主要用于安全防范目的，是通过对监视区进行视频探测、视频监视、控制、图像显示、记录和回放的视频信息系统或网络。
对建筑物内重要部位的事态、人流等动态状况进行宏观监视、控制及同步录像，达到对各种异常情况进行实时的取证、复核，及及时处理的目的。
楼宇设备监控系统的研究，在很大程度上完美的解决了日常生活中的一些不便，在某些人们不能到达或者监控不到的现场，利用这一监控系统，可以很好的做到实时监控的全面和完整性，是对整个楼宇系统的有效控制和检测，从而达到监视和控制的目的。
第二章楼宇设备监控系统分析
2.1楼宇设备监控系统的组成及作用
楼宇设备监控系统是一个综合性的系统，在本次的设计中，主要包括一下四类系统，并对其进行有效的监控。
空调系统--中央空调系统：
在现代化的各种楼宇大厦中，中央空调都在被安装和使用中，中央空调系统不仅承担着调控楼宇大厦温度稳定性的作用，还担负着对空气湿度的有效调节作用，大型的楼宇中，无论是写字楼还是商场大厦中，一般都是人员相对密集的地方，而空气的湿度是会受到外界的影响和人员密集度影响的一个重要调控因素和指标，在本次的中央空调系统的监控设计中，综合考虑了温度和湿度的有效控制作用，并通过控制器和检测原件进行实时的检测和控制作用，给楼宇中工作和生活的人们提供了适宜的环境，更好的提高工作效率。
给排水系统：
水资源的有效利用和排水问题，是当今各类楼宇中都要涉及到的问题，这个系统的是否完善，很切实的关系到用户居民的日常生活是否方便，对水资源的需要能否得到很好的解决以及脏水和废水的有效排出是否及时等一系列问题的关键所在，因此，做好这一系统是非常必要的，通过现场总线技术和必要的检测原件，把现场的实时水位数据及时的反馈给监控室，从而可以在监控室内，对给排水现场进行有效的控制和监视作用。
照明控制系统：
现代化的楼宇建筑中，照明系统担负着整个楼宇的照明任务，如何做到照明的合理、及时以及充分的节约用电等实际问题就摆在眼前，在本次的照明系统设计中所设计的系统，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，称为照明监控系统。
在本次照明系统的设计中，主要通过不同的检测原件，检测出不同楼层人员情况以及照明的需求情况，通过现场总线技术，反馈到控制室内，再进行照明的合理利用和分配。
视频监控系统：
随着数字信息时代的到来，数字化高新技术产品日益增加和完善。
各行业为了提高和完善生产、管理水平和增加竞争性，都争先采用完善的高新技术产品，视频监控系统就是信息时代的产物之一。
视频监控系统是管理人员高质量管理的理想工具；
也是公共安全、防盗防范必不可少的强有力的得力助手。
利用它可以大大减少不必要的人力，实时监视可视区域，做到控制现场实际工作现状，实时快速的反映所发生的一切事物，便于管理者及时应付处理突发事件等。
为了适应信息化的需要，按照视频监控系统的技术规范，并结合现代化需求的特点，本文采取先进合理的设计思想和较为完善的设备对视频监控系统进行了设计与实现，力争做到电子监控系统的可靠性和先进性完美结合。
2.2系统的网络结构
楼宇设备监控系统是一个综合性的系统，在本次的设计中，主要包括：
空调系统--中央空调系统，给排水系统，照明控制系统，视频监控系统。
系统的网络结构，结构图如图2-1所示：
图2-1系统结构图
2.3现场总线的特点及优点
2.3.1现场总线的特点：
（1）开放性：
开放性包括几个方面：
一是指系统通信协议和标准的一致性和公开性，这样可以保证不同厂家的设备之间的互连和替换，现场总线技术的开发者所做的第一件事就是致力于建立一个统一的工厂底层的开放系统；
二是系统集成的透明度和开放性，用户可自主进行系统设计、集成和重构；
三是产品竞争的公开性和公正性，用户可以按照自己的需要，选择不同厂家的质量最好，而价格又合适的任何符合系统要求的设备来组成自己的控制系统。
（2）交互性：
指互操作性和互换性，也包括指上层网络与现场设备之间具有相互沟通的能力；
设备之间具有互相沟通的能力，即具有互操作性；
不同厂家的同类产品可以互相替换，即具有互换性。
（3）自治性：
即现场设备能够随时诊断自身的运行状态，预测潜在的故障，实现高度的自治性。
（4）适应性：
工业现场总线是专为在工业现场使用而设计的，所以具有较强的抗干扰能力和极高的可靠性。
在特定条件下，它还可以满足安全防爆的要求。
2.3.2现场总线的优点：
（1）节约硬件数量与投资由于现场总线系统中的智能设备能直接执行传感、控制、报警和计算等功能，因此可减少变送器的数量，不再需要单独的调节器和计算单元，也不再需要传统控制系统中的信号处理等单元和复杂的接线，同时也大量减少了电缆的使用，从而大大节省了投资。
（2）节省安装费用：
由于省去了大量的电缆使用，同时当现场需要增加控制设备时，无需增加新的电缆，只需把它们就近挂接在总线电缆上即可，因此也大大节省了安装的费用。
（3）节省维护费用：
由于现场总线控制系统结构简单，信号电缆极少，从而大大地减少了系统维护工作量。
又由于现场设备具有自诊断和简单故障处理能力，并能自动将诊断信息和设备的运行信息送往控制室，从而缩短了系统停机维护的时间。
（4）提高了系统的控制精度和可靠性：
由于现场总线设备的智能化、数字化，和模拟信号相比，它从根本上减少了传输错误，提高了检测和控制精度。
同时由于系统的结构简化，设备与接线大量减少，现场仪表及设备的功能加强，减少了信号的往返传输，从而系统工作的可靠性也大大提高。
（5）提高了用户的自主选择权：
由于现场总线的开放性，用户可以任意选择不同设备厂商的产品来组成系统，而不必考虑系统或设备是否兼容等问题，从而使用户完全掌握了系统集成的主动权。
2.4常用的现场总线类型与比较
（1）LonWorks总线：
LonWorks总线是一种基于嵌入式神经元芯片的现场总线技术。
LonWorks控制网络是以对等方式工作、监控传感器、控制执行器、可靠的通信、管理网络操作和提供对网络数据全面接入的任何装置的集合，它使用LonTalk协议来完成这些任务。
LON总线的特征是网络系统能扩展到数据组网技术无能为力的一类应用中。
控制系统和装置的制造商能通过在他们产品中组合LonWorks的设计而浓缩开发和设计的时间，其结果是低成本的开发和多个制造商的装置能协调的相互通信。
LonWorks采用了OSI参考模型的全部七层通信协议，这在工业控制网络中是非常少见的，所以它被称为通用的控制网络系统，其各层的功能和所提供的服务如表2-1所示：
表2-1LON总线各层的功能
OSI模型分层
功能
标准服务
处理器
应用层
网络应用程序
标准网络变量类型
应用处理器
表示层
数据表示
网络变量、外部帧传送
网络处理器
会话层
远程传送控制
请求/响应、确认
传输层
端端的可靠传输
应答、非应答、点对点、广播、认证等
网络层
报文传送
单路/多路寻址，路径
数据链路层
媒体访问与成帧
成帧、数据编码、CRC、冲突仲裁、优先级
MAC处理器
物理层
电气连接
媒体特殊细节（如调制）、收发种类、物理连接
（2）CAN总线：
CAN总线是现场总线的一种，成为控制器局域网现场总线，它使用架构开放、广播式的新一代网络通信协议。
CAN总线是20世纪80年代初德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。
CAN总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。
CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。
CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同级别的实时要求。
CAN总线遵从ISO/OSI网络标准模型，但只采用了OSI参考模型全部七层中的两层，即物理层和数据链路层。
（3）FF总线：
即基金会现场总线是仪表和过程控制向数字化通信方向发展而形成的技术，是一种专为工业过程控制应用而设计，并得到了世界上主要自控设备供应商支持的现场总线技术。
FF现场总线最根本的特点是针对工业过程自动化而开发的，它在满足要求苛刻的使用环境、本质安全、危险场合、多变量过程以及总线供电方面都有完善的措施，它采用标准功能块及设备描述语言的设备描述技术，确保不同厂家的产品有很好的互操作性和互换性。
FF的通信活动分为周期性通信和非周期性通信两种。
由LAS按照预定调度时间表周期性一次发起的通信活动成为预定的周期性通信；
在预定的调度时间表之外的时间，通过获得令牌的机会发送报文的通信成为非周期性通信。
典型FF网络组成如图2-2所示：
图2-2FF总线网络组成
在以上3种现场总线当中，CAN总线只采用了七层中的两层，即物理层和链路层，且采用多主竞争式总线结构，在楼宇设备监控系统中，以上两点不满足控制的要求；
而对于FF总线来说，其主要针对的是工业过程自动化的需求而设计，强调过程中的同步数据传输与控制，而对于楼宇设备监控系统来说，不存在这个的要求；
总体来看，采用LonWorks总线比较适合。
2.5选取LonWorks总线的原因及分析
在楼宇设备监控系统中，使用LonWorks，是充分利用LonWorks网络技术对所有楼宇系统采用共同的基础结构，这使得设计人员能消除过多的竖向集成，不需要过多的交叉集成，从而方便了控制系统的设计和维护，大大的节省了维护的费用。
同时，LonWorks采用了OSI参考模式的全部七层通信协议，这在工业控制网络中是非常少见的，所以它被称为通用的控制网络系统，LonWorks总线采用LonTalk通信协议作为技术核心，该协议提供一套通信服务，使装置中的应用程序能在网上对其他装置发送和接收报文，而无需知道网络拓扑、名称、地址或其他装置的功能，从而大大的减轻了控制人员的工作量，以及减少了网络工程的费用。
LonWorks总线采用LonTalk协议被封装在称之为Neuron的神经元芯片中而得以实现。
它的集成芯片有3个8位CPU，一个用于完成开放系统互联参考模型中第1层和第2层的功能，解决了网络过载的冲突以及响应问题；
第二个完成3到6层的功能，称为网络处理器；
第三个是应用处理器，可以完成执行操作系统服务与用户代码。
综合以上的几点因素，最终选择LonWorks总线来完成本次的楼宇设备监控系统的设计。
2.6楼宇设备监控系统的控制器件
在本次的设计中，主要采用DDC控制器进行本次的楼宇设备监控系统的设计中。
DDC控制器，即直接数字控制器，实际上就是分散设置在被控设备附近的调控设备，故又叫现场控制器，DDC实际上就是一个小型的计算机。
具有独立的程控能力，独立监控有关现场设备的能力，用于收集现场设备的信息，再通过联网的方式直接传达给控制室。
DDC控制器具有通信接口、输入接口和输出接口。
其中，输入接口包括模拟量输入AI和数字量输入DI，分别用于温度、湿度、压力、流量和水流、风速、压差开关的输入量进行输入；
输出接口包括模拟量输出AI和数字量输出DI，分别用于阀位控制和控制开关、交流接触器的输出量进行输出。
DDC控制器的结构图如图2-3所示：
图2-3DDC控制器的结构图
2.7楼宇设备监控原理
通过在不同的控制系统现场，安置DDC控制器，进行有效的信息采集并及时的通过LonWorks总线技术将采集到的信息传达到控制室内，经过合理的分析和计算，控制人员在控制室内对楼宇内各个系统实行全方位的控制作用，从而确保整个楼宇系统中的子设备系统，能够正常的运行和工作，保证整个楼宇的稳定状态。
第三章空调通风控制系统设计
3.1空调通风控制系统的组成
空调通风系统主要由以下几部分组成：
（1）新风机组：
放置在户外，用来接受外界的新鲜空气，并吸入到空调的空调机组中。
（2）空调机组：
接受新风机组给来的新鲜空气，并进行加热或冷却以及过滤等处理。
（3）冷热源系统：
对空气进行加热或者降温处理。
（4）空调的风系统。
（5）空调的水系统
3.2空调的分类和选择
空调的分类:
一体式空调:
一体式空调又称为整体式空调，空调按设计形式分有整体式和分体式两种：
1.整体式空调：
就是整个冷媒系统都处于同一台产品结构内，在一个管路系统中包含了压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程的空调（常见的有家用的窗式空调和商用的风冷热泵中央空调）2.分体式空调：
就是整个冷媒系统不处于同一台产品结构内，将制冷的四个过程拆分为室内和室外两部分机器内，管道靠铜管连接（常见的有家用挂壁空调和柜式空调）
分体式空调:
分体式空调器就是把空调器分成室内机组和室外机组两部分，把噪声比较大的轴流风扇、压缩机以及冷凝器等安装在室外机组内。
把蒸发器、毛细管、控制电器和风机等室内可缺少的部分安装在室内机组中。
我们称这种由室内机组和室外机组构成的空调器为分体式空调器。
中央空调（空调机组）:
是指由一个室外机产生冷（热）源，进而向各个房间供冷（热）的空调系统，它是属于商用空调的一种。
变频空调:
变频空调是在普通空调的基础上选用了变频专用压缩机，增加了变频控制系统。
无氟空调:
用无氟环保冷媒R410A代替原先的传统冷媒且其在节能上优势更为明显的空调就称为“无氟”的空调。
在本次的设计中，我选择采用楼宇内中央空调系统，因为在现代的楼宇中，大都采用这样的空调方式给整栋大楼进行全面的温度和湿度的调节。
中央空调具有分布广，不占用太多空间的优点，是一台主机，控制各个楼层的通风换气情况，也更加的易于管理。
空调调节系统的示意图如图3-1所示：
图3-1空调调节系统的示意图
3.3空调监控系统的检测与控制
本次设计的系统主要采用LonWorks现场总线来完成设备现场与主控室之间的通信任务，在现场设备的监控，选取DDC控制器，在DDC控制器中，主要包括温度和湿度传感器两部分来完成现场温度和湿度的测定情况，之后再通过网络总线进行实时的数据传输作用，将现场的实时情况传达到主控室，再经过主控室的认真测算和评估通过总线技术将具体的控制信息传达到被控现场，从而得到现场空调设备的响应，完成监控工作。
具体的空调机组监控点如表3-1所示：
表3-1空调机组监控点
监控点
类型
器件
AI
DI
AO
DO
回风温度
1
温度传感器
房间温度
房间湿度
湿度传感器
新风风门控制
风门执行器
冷水阀门控制
阀门执行器
热水阀门控制
回风风门控制
2
电机控制
电机控制器
空调机组的调控方式主要是接受现场控制器DDC的调控；
DDC接收检测元件的信号，经过数据处理、逻辑判断，由执行元件实现调控。
对于本系统的控制部分，采用PID控制，因为PID控制能够较为准确的控制实际的温度值与设定的温度值之间的偏差度，通过事先确定的关系，利用模糊推理的方法，修改PID控制器的参数，使得PID的参数可以自整定，从而达到温度和湿度调控的作用。
空调监控系统结构如图3-2所示：
图3-2空调监控系统
具体的控制量与控制过程及原理：
在实际控制中,许多被控对象的数学模型是无法准确获得的.有些系统虽然可以求取数学模型,但当输入方式改变或环境的变化使之干扰的形式发生变化时,数学模型又可能变为未知的.建筑物空调的温度参数正是属于这类被控对象,并且其调节过程属于连续系统，此时PID调节便成为最合适的一种调节方式.它的实质是根据系统的偏差,按比例、积分、微分的函数关系进行运算,并将其运算结果用以输出控制.
PID控制器各校正环节的作用如下:
（1）比例环节:
成比例地反映控制系统的偏差信号error（t）,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差.
（2）积分环节:
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