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    贝加莱面向未来的智能型楼宇自动化系统(IBAS)
    肖维荣   周晓霞
    (贝加莱工业自动化(上海)有限公司,上海200233)
    摘要:随着高层建筑的大型化和多功能化趋势日益增强, 充分利用控制技术和通信技术对楼宇进行监控和管理已成为现代高层建筑必须具备的技术和物质条件。本文概述了贝加莱面向未来的智能型楼宇自控系统,介绍了该系统的构成、架构、主要功能和特点,着重对构成其主控系统的PCC及其通信网络的优势和配置进行了详细描述。该系统从设计思想到软硬件系统配置都采用了面向未来的全新理念, 充分体现了可靠、 智能、节能和舒适的基本原则。
    关键词:智能楼宇控制;空调及通风;锅炉监控;能源分配;温度湿度控制
    中图分类号:           文献标识码:B
    B&R’s Facing Future Intelligent Building Automation Sytem (IBAS)         
    XIAO Wei-rong, ZHOU Xiao-xia
    (B&R Industrial Automation (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200233)
    Abstract:  With the increasing large-scale and multifunctional trend of high-rise buildings, the monitoring and management for buildings by taking full advantage of control and communication technologies has become the technical and material conditions that the modern high-rise buildings must possess. This paper summarizes the B&R’s facing future Intelligent Building Automation Sytem (IBAS) , introduces the composition, architecture, main functions and characteristics of the system with emphasis on the detailed descriptions of the superiorities and configuration of the PCC and its communication networks, which constitutes the master control system of IBAS. It adopts a brand-new idea of facing future from the design philosophy to the software and hardware configurations in the system, fully embodies the fundamental principle of reliable, intelligent, energy-saving and cozy.
    Keywords: Intelligent Building Control; Air-conditioning & Ventilation; Boiler Monitoring; Distribution of Energy Temperature- humidity Control
     
    引言
    目前我国城市的楼宇空调系统的耗能已占城市能耗的30%左右,造成这个局面的主要原因是目前空调系统中的相当一部分既未实现智能化,也不节能。对于一座大楼的自动化系统的结构及其分类众说纷纭,3A、5A、或 xA,其实多少个A 并不十分重要,无非是一种系统归类划分的名称问题。重要的是, 楼宇自动化系统中的功能是否能得到完美的实现,楼宇自动化的根本目的是:使复杂的问题简单化、使楼宇功能多样化、 使物业运作安全可靠、使生活环境舒适化,并实现系统高度的智能化和节能。
     
    贝加莱智能型楼宇自控系统简介
    2.1 贝加莱楼宇自控系统的监控管理对象
    随着高层建筑的大型化和多功能化,其服务项目不断增加, 机电设备种类逐渐增多, 技术性能也日趋复杂,监控、管理工作已非人工所能完成。 因此,充分利用现代化的控制技术和数据通信技术对楼宇进行监控和管理,已成为现代高层建筑的技术基础。 楼宇自控系统的监控管理对象一般来说应包括以下几个方面:
    ● 空调及通风系统
    ● 冷/热水系统
    ● 给排水系统
    ● 变配电系统
    ● 照明系统
    ● 电梯系统
    ● 防盗系统
    ● 巡更对讲系统
    ● 停车场导引系统
    ● 消防系统
    ● 三表自动抄送计费系统

    在中国由于对消防有着特殊的规定和约束,消防系统既可以作为BA的一个特殊子系统,也可以单独列为消防自动化系统——FA。

    2.2 
    贝加莱智能型楼宇自控系统的基本构成
    贝加莱IBAS系统的基本构成包括以下三个部分:
    2.2.1 传感探测元件及控制执行元件
    传感探测元件包括:温度传感器、湿度传感器、流量传感器、 液压检测器、压差开关、流量开关, 以及电流互感器和电压互感器等。
    控制执行元件包括: 继电器、电动调节器、 电动阀门及其执行器等。
    2.2.2 基于 PCC的楼宇主控系统
    贝加莱智能型楼宇自控系统的主控系统以X20系列的PCC(可编程计算机 控制器——Programmable Computer Controller)为核心, 该系统体现了分布式的控制理念, 实现系统分布式控制的网络架构主要由实时工业以太网Ethernet POWERLINK及其它现场总线构成。
    2.2.3  楼宇自控的软件系统
    贝加莱智能型楼宇自控系统的软件系统主要由以下两个组成部分, 即主站监控软件和底层PCC控制软件PG2000系统构成。

    2.3 
    贝加莱楼宇自控系统的特点
    作为自动化技术领域的全球性领导厂商,贝加莱早在20世纪80年代中期就在欧洲推出了智能楼宇自动化系统,并在大众、奥迪和宝马等公司的一些项目中得到了应用。 纵观这些楼宇自动化系统,可以总结出如下所述的一些共同特点:
    (1)B&R的这些楼宇自控系统都用于对可靠性要求很高的工业环境中;
    (2)B&R楼宇自控系统强调实用的特点,它包含了现代化楼宇必须配置的锅炉监控管理系统、锅炉能源分配系统、供配电综合自动化系统、给排水系统和温度/湿度控制、三表自动抄表与计费、消防、安全报警、电梯和停车场监控等主要 子系统;
    (3)其系统架构贯彻分布式控制系统的理念,当主站或某一子站出现故障时,不会影响系统其它部分正常运行。

    2.4 贝加莱面向未来概念的楼宇自控系统的架构
    以锅炉监控、能源分配、给排水和温湿度控制等系统为例(如图1、图2所示),介绍了贝加莱楼宇自动化系统的架构。

                                                       图1   能源分配、给排水与温湿度控制

    图2    锅炉监控系统与温湿度控制

    在总结了贝加莱在欧洲的楼宇自控系统的特点和经验,并分析了中国市场上各家系统长、短处之后,贝加莱于97年在中国推出了智能型楼宇自控系统。该系统从设计思想到软硬件系统配置都采用了全新的面向未来的概念,充分体现了可靠、智能、节能以及舒适的基本特点。
     
    3  PCC主控系统
    3.1 可编程计算机控制器(PCC)的特点与优势
    贝加莱新型智能楼宇自控系统的优势主要是由PCC主控系统来体现的。自从世界上第一台PLC于1969年在美国DEC公司诞生以来, 随着计算机技术的飞速发展,PLC早已摆脱 了当年“逻辑控制器”的雏形,当今传统的PLC已能完成逻辑顺序控制、模拟量处理和回 路调节的功能。PCC就是从这个家族里脱颖而出的最新一代的可编程控制器,它融合了传统的PLC和IPC的优点,既具有PLC的高可靠性和易扩展性,又有着IPC的强大运算/处理能力和较高的实时性及开放性。

    在硬件结构方面,它兼具了PC机采用高性能 CPU及大容量存储单元和PLC采用模块式结构的优点。PCC具有全模块式的插装结构,在现场可以安全、方便地带电插拔;PCC的CPU和I/O模块结构紧凑,体积小巧,接线端子密集,而且在模块供电及工作状态显示等诸多方面有着完善、精巧的设计。

    3.1.1  强大的系统能力和极高的处理速度
    1)高性能、全开放、集成化的CPU
    贝加莱的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三个系列,贝加莱2007年推出的X20系列PCC当前已成为高精度机械自动化和高可靠性过程自动化等复杂、灵活自动化任务的通用选择。

    X20 CPU——新一代PCC的CPU,基于Intel X86 处理器技术,采用Runtime实时操作系统,秉承了贝加莱PCC的定性分时多任务的控制特点,可采用符合IEC61131-3标准的多种工程编程语言以及Automation Basic、ANSI C两种高级语言编程。

    PCC为工业现场的各种信号和应用提供了多种专用模块和功能模块,用户可根据需要对应用系统的I/O通道进行数十点、数百点乃至数千点的扩展与联网。

    X20 CPU的主板集成了多种通信接口,包括RS232、标准以太网接口TCP/IP、实时工业以太网接口Ethernet POWERLINK、2个USB。采用可插卡式的CF卡作为存储介质,最大存储容量可达8GB。

    X20 CPU具有极高的开放性,可配置的通信模块包括了Ethernet POWERLINK、Profibus-DP、CAN、CANopen、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等,方便扩展和兼容各种目前市场上主流的现场总线,体现其开放式的网络架构。CP3486主板具有三个通信模块接口。

    2CPU的多处理器结构和极高的系统响应速度
    系统的响应速度不仅由CPU决定,还与I/O数据的传输速率有关。PCC的主CPU本身速度极快,同时还借用大型计算机的结构,采用I/O-处理器单独处理I/O数据传输,采用DPR-Controller双向口控制器负责网络及系统的管理,它还含有一个独立的时间处理单元TPU (Time Processing Unit ),在不增加CPU负荷的前提下能高速处理简单或复杂的定时任务。也就是说,一个PCC模块上有三个处理器,它们既各自独立而又相互关联,最大限度地提高了整个系统的速度。

    CP3486是X20 CPU系列中性能最高的产品,采用了Intel Celeron 650 处理器及附加的I/O 处理器和浮点处理器FPU。系统的单步指令处理周期最快可达到0.01μs,单个工作任务循环周期可达200μs。

    3)强大的数据通讯功能
    PCC在远程通信方面的灵活性,是区别于常规PLC的另一显著标志,贝加莱为此提供了十分灵活多样的解决方案。除已提到的各种开放式现场总线的网络方案之外,PCC还提供了多种网络协议,用户不仅可以采用贝加莱的独有网络协议,也可以方便地与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信(如SIEMENS、罗克韦尔 AB、施耐德Modicon等),在一些特殊情况下,PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动(Frame drive)工具。特别值得一提的是Ethernet POWERLINK网络协议,这是2001年贝加莱公司当竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候,便在全球第一次推出实用化的实时工业以太网络,这也是全球第一个开放的安全级(SIL3)实时工业以太网。2007年初该公司又发布了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERLINK(如图3所示)。由于具备这样的技术优势,PCC常常能轻松地实现与各种不同产品,不同通信协议的高效互联。
     

    图3  实时工业以太网Ethernet POWERLINK构成的多用途通信网络

    3.1.2   分时多任务操作系统理念和多样化的应用程序设计手段
    常规PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序(某些高档的PLC除外)来处理程序本身的逻辑运算指令及对外部I/O通道的状态采集与刷新,整个应用程序被包含在一个循环周期内。但在一个控制系统中,虽然有一些工艺量对实时性的要求很高,但同时却有更多的工艺量对实时性没有特殊的要求,如果采用同样的刷新速度来处理它们其实是对系统资源的浪费,而且循环扫描的运行机制也导致了系统的处理周期主要取决于应用程序的大小。      而PCC系统最大的特点就在于其引入了Runtime定性分时多任务操作系统理念,并辅之以多样化的应用软件设计手段。应用程序可以按照工艺功能和优先级的不同分别设置成不同的任务和不同的任务级别,并可根据要求自行设定任务的循环时间,使得应用任务的循环周期与程序长短无关,满足了真正实时控制的要求。基于分时多任务操作系统,PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块分别进行开发,这种模块化程序设计思想,带来了项目开发效率的提高。
    3.1.3  软件的集成开发环境及灵活的软件开发方式
    1)集成化软件开发工具Automation Studio
    PCC的编程组态软件采用Automation Studio集成化软件工具,基于同一个软件平台,全部解决整个自动化项目的集成。在该软件平台中同时集成了触摸屏画面组态、PCC编程调试、伺服驱动器编程、离线与在线仿真测试等丰富的软件开发功能,从而可以大大地提高项目的开发效率。
    2)灵活的软件开发方式
    除编制和组态应用程序以外,它还能提供源程序级的单步、断点、单周期及PCC在线错误自诊断等多种形式的调试手段,使应用程序的开发十分灵活便捷。另外,通过开发软件包所提供的多种函数,用户可在短时间内编制出高效而复杂的控制程序。Automation Studio适用所有符合IEC 61131-3标准的编程语言,包括梯形图(LAD)、指令    表(IL)、结构文本(ST)、顺序功能图(SFC),具有数据模块编辑器和数据类型编辑器。同时也可采用B&R Automation Basic™ 和ANSI-C高级语言编程,实现混合编程模式。此外,它还拥有一个丰富的函数库,无论是简单的逻辑和数学运算,还是通讯协议的编写和复杂的控制算法,都可作为标准的功能块集成在Automation Studio中,还可创建和管理自定义的功能块, 从而较易实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。

    3.2
    系统分层及其配置模式
    楼宇自动化系统基本可分为三个层面:管理层、控制层和现场层。 一般来说,控制层和现场层可以合并为一个网络层面.
    3.2.1 管理层
    该楼宇自动化系统的管理层主要由1台管理系统服务器、(若干台)监控管理操作站(PC机)、1台工程师站(PC机)、(若干台)X20  CPU的CP3486主板上集成的标准以太网接口TCP/IP、以太网交换机以及以太网(Ethernet TCP/IP)构成, 如图4所示。

    图4    管理层架构
     
    为了保证整个系统是开放和模块式的,对主站监控软件也提出了开方式的要求。笔者推荐的软件有B&R的WISIWIN、澳大利亚CIT公司的CITEC以及美国 GENSYM 的G2。

    3.2.2 制与现场层
    控制与现场层由当今最流行的X20  PCC的CPU(含本地I/O)及其通信接口(或总线通信模块)、远程分布式I/O模块以及支持它们通信的现场总线网络构成。该层的网络配置主要有以下三种模式, 即贝加莱通常采用的实时工业以太网Ethernet POWERLINK、Profibus-DP和 CANopen总线。
    X20分布式控制的设计理念,不仅是一整套完整的控制系统,而且还可以使用CANopen、Ethernet POWERLINK 、X2X、Profibus-DP等现场总线把远程分布式I/O模块方便地连接起来;使传统的控制技术和分布式I/O技术完美地实现了结合。每个分布式底板之间,在不需任何中继转换器的情况下,采用X2X通信总线,其传输距离最大可达到100m,速率可达12MHz,并支持253个I/O站。采用铜制双绞线作为站间X2X link的通信介质,可实现最大限度的抗干扰。图5、图6和图7分别示出了这几种现场总线网络的配置方式。

    图5   Ethernet POWERLINK网络

    图6   Profibus-DP网络

    图7   CANopen网络

    需要指出的是,贝加莱的PCC  产品无论在硬件还是软件上都是兼容的,硬件的模块化理念也从根本上保证了这种系统配置的灵活 性。只有灵活的结构才能适应分期扩展 以及系统更新的要求。
     
    4   贝加莱新型楼宇自控系统分析
    4.1  简洁性与可靠性
    贝加莱新型的楼宇自控系统从以下三个方面保证了系统的简洁性:
    (1)  变配电监控子系统使用交流采样手段
    贝加莱的智能型I/O模块使得I/O模块不但具备高速采样能力,而且还具备分析运算能力。 这
    一技术的应用可以省掉大量的电量变送器,使得电流电压信号直接通过CT/PT环送到系统同等采
    用模块。该采样速度基本为32点-200点/周期,电量的测量精度达到0.5级以上。
    (2)  现场总线的拓扑结构
    现场总线的应用使得I/O子站可以紧靠传感器与执行机构,大大减少了控制系统的布线量。
    (3)  多用途的汇 线端子
    B&R2003系统小巧灵活,非常适合于用作远程I/O子站。其端子板既能作为汇线用,又可作
    为I/O模块的供电用,由此专用的端子排便可省略。系统的简洁不仅提高了其可靠性, 而且还节省了系统的造价。

    4.2  楼宇自动化与消防子系统的结合
    在中国可以找到多家消防产品供应商,其先进性和可靠性主要表现在报警方面,但控制方式不完全符合中国消防规范。贝加莱系统成功地解决了与消防监控的专用接口问题,无论从软件还是硬件角度而言,都能使楼宇自控和消防设备达到了统一设计、统一施工、 统一编程,真正解决了楼宇自控管理安全和消防问题。

    4.3  智能性表现
    纵观国内众多智能大厦,常常会 发现如下的问题:
    (1)中标厂家从系统的配置上不能保证自动化管理的完美实现;
    (2)一个好的方案往往通过多级承包商的层层盘剥,最后因费用大大缩水只好因陋就简;
    (3)底层控制思想的实现或者说控制软件的二次开发做得不够。
     
    一个大厦系统的智能性正好应该表现在上述的三个方面。
     
    如果系统配置从结构上不能保证控制和管理的思想的实现,那么其它的就无从谈起。 但假如硬件条件本身已具备,却不去做深层的二次开发工作,仅在主站上配置那些漂亮的画 面, 智能性的体现也属枉然。

    贝加莱的系统由于提供了多任务分时的集成开发环境,二次开发的工作实施起来易如反掌。同时该系统的开放性结构也是智能性保证的前提。
     
    5   结束语
    一座大厦往往既是工作环境又是生活环境, 因此BA系统必须从可靠实用的角度出发,踏踏实实地在项目实施过程中做好二次开发,诸如通过窗户上的微动开关控制空调系统的关闭,此类细节都需要二次开发做工作。当然,工程的操作方式也是十分重要的,质量监督应当是一个重要的手段。
    何为面向未来的系统? 这样一个系统须具备如下特点:
    (1)硬件要具备先进性,未来的新系统必须与现系统兼容;
    (2)软件平台要采用具有生命力的系统, 以保证将来软件的升级;
    (3)系统须具备良好的开放性;
    (4)系统须具备好的扩展性。

    贝加莱的智能型楼宇自动化系统在开发之初便对这些问题做了细致的研究并将计划付诸于实施。总之,一个好的BA系统的操作和管理实际上不单纯是一个技术问题, 同时还是一个社会问题。
     
    参考文献
    [1] 齐蓉,肖维荣。可编程计算机控制器技术。北京:电子工业出版社[M].2005
    [2] 李林著。智能建筑系统工程。第一版.北京:电子工业出版社,1998
    [3] POWERLINK Basics。
    作者简介
    肖维荣,男,德国工学博士,贝加莱工业自动化(上海)有限公司总经理。
    周晓霞,女,贝加莱工业自动化(上海)有限公司市场部负责市场支持工作。


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