任务二
计算机控制技术及楼宇设备监控系统

◆ 目标

1.认识计算机控制系统及集散控制。

2.楼宇设备自动化系统（BAS）的结构及组成。

3.楼宇常用传感器和执行器的工作原理及使用。

4.理解集散控制的层次，对比集散控制的结构图与BAS体系的结构图，把两者进行关联。

◆ 相关知识

一、计算机控制技术

计算机控制系统（Computer Control System,CCS）是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象相联系，以获得一定控制目的而构成的系统。这里的计算机通常指数字计算机，可以有各种规模，如从微型到大型的通用或专用计算机。

计算机控制系统由控制部分和被控对象组成，其控制部分包括硬件部分和软件部分，这不同于模拟控制器构成的系统只由硬件组成。计算机控制系统软件包括系统软件和应用软件。系统软件一般包括操作系统、语言处理程序和服务性程序等，它们通常由计算机制造厂为用户配套，有一定的通用性。应用软件是为实现特定控制目的而编制的专用程序，如数据采集程序、控制决策程序、输出处理程序和报警处理程序等。它们涉及被控对象的自身特征和控制策略等，由实施控制系统的专业人员自行编制。

按控制机参与控制方式来分类，可分成以下4种：

1.直接数字控制系统

由控制计算机取代常规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制，由于计算机发出的信号为数字量，故得名DDC控制。实际上受控的生产过程的控制部件，接受的控制信号可以通过控制机的过程输入/输出通道中的数/模（D/A）转换器将计算机输出的数字控制量中转换成模拟量；输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模/数（A/D）转换器转换成数字量进入计算机。

DDC控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来实现多个点的控制功能。实际上是属于用控制机离散采样，实现离散多点控制。这种DDC计算机控制系统已成为当前计算机控制系统中主要的控制形式之一。

DDC控制的优点是灵活性大、集中可靠性高和价格便宜。能用数字运算形式对若干个回路，甚至数十个回路的生产过程，进行比例—积分—微分（PID）控制，使工业受控对象的状态保持在给定值，偏差小且稳定。而且只要改变控制算法和应用程序，便可实现较复杂的控制。如前馈控制和最佳控制等。一般情况下，DDC级控制常作为更复杂的高级控制的执行级。

2.计算机监督控制系统

计算机监督控制系统是针对某一种生产过程，依据生产过程的各种状态，按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值，并将最佳值自动地或人工对DDC执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定控制的目标值。由DDC或调节仪表对生产过程各个点（运行设备）行使控制。

SCC系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情况下运行，因而获得最大效益。直接影响SCC效果优劣的首先是它的数学模型，为此要经常在运行过程中改进数学模型，并相应修改控制算法和应用控制程序。

3.多级控制系统

在现代生产企业中，不仅需要解决生产过程的在线控制问题，而且还要求解决生产管理问题，每日生产品种、数量的计划调度以及月季计划安排，制订长远规划、预报销售前景等，于是出现了多级控制系统。

DDC级主要用于直接控制生产过程，进行PID或前馈控制；SCC级主要用于进行最佳控制或自适应控制或自学习控制计算，并指挥DDC级控制同时向MIS级汇报情况。DDC级通常用微型计算机，SCC级一般用小型计算机或高档微型计算机。

车间管理的MIS主要功能是根据工厂级下达的生产品种、数量命令和搜集上来的生产过程的状态信息，随时进行合理调度，实现最优控制，指挥SCC级监督控制。

工厂管理级的MIS主要功能是接受公司下达的生产任务和本厂的实际情况，进行最优化计算，制订本厂生产计划和短期（旬或周或日）安排，然后给车间级下达生产任务。

公司管理级的MIS主要功能是对市场需求预测计算，制订战略上的长期发展规划，并对订货合同、原料供应情况和企业的生产状况，进行最优生产方案的比较选择计算，制订出整个公司企业较长时间（月或旬）的生产计划、销售计划，并向各工厂管理级下达任务。

MIS级主要功能是实现信息实时处理，为各级决策者提供有用的信息，作出关于生产计划/调度和管理方案，使计划协调和经营管理处于最优状态。这一级可根据企业的规模和管理范围的大小分成若干级。每级又依据要处理的信息量的大小确定采用的计算机的类型。一般情况下车间级MIS用小型计算机或高档微型计算机，工厂管理级的MIS用中型计算机，而公司管理级的MIS则用大型计算机，或者用超大型计算机。

4.分布式控制或分散控制系统

分散控制或分布控制，是将控制系统分成若干个独立的局部控制子系统，用以完成受控生产过程自动控制任务。由于微型计算机的出现与迅速发展，为实现分散控制提供了物质和技术基础，近年来分散控制得以异乎寻常的速度发展，且已成为计算机控制发展的重要趋势。自20世纪70年代起，又出现了集中分散式的控制系统，简称为集散系统（DCS）。它是采用分散局部控制的新型的计算机控制系统。集散系统DCS层次结构如图1-3所示。

二、楼宇设备监控系统

楼宇机电设备监控系统，即智能大厦楼宇自动化系统（Building Automation System,BAS），担负着对整座大厦内机电设备的集中监测与控制，保证所有设备的正常运行，并达到最佳状态。这些设备包括建筑物或建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、保安等众多分散设备。同时，在计算机软件的支持下进行信息处理、数据计算、数据分析、逻辑判断、图形识别等，从而提高了智能大厦的高水平的现代化管理和服务。

BAS是建立在计算机技术基础上的采用网络通信技术的分布式集散控制系统，它允许实现对各子系统进行自动监控和管理。

1.BAS系统的监控范围和参数内容

①空调机组：新风空调机组、新/回风空调机组、变风量空调机。

②冷/热源系统：冷冻机组、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔、热交换器、热水一次水泵、热泵机组。

③给排水系统：各类水泵、各类水箱。

④电力系统：照明控制、高/低压信号测量、备用发电机组。

⑤电梯的运行状况。

⑥保安门锁、巡更等。

2.BAS系统所能够产生的实际效果

①室内恒温控制。

②便于大楼内所有设备的保养和维修。

③便于大楼管理人员对设备进行操作并监视设备运行情况，提高整体管理水平。

④良好的管理将延长大楼设备的使用寿命，使设备更换的周期延长，节省大楼的设备开支。

⑤及时发出设备故障及各类报警信号，便于将损失降到最低点，便于操作人员处理故障。

⑥节省运行费用，节省能量。

3.BAS系统的组成

（1）BAS系统的组成

BAS系统的组成如图1-4所示。

中央控制室（数据中心）：包括中央处理机（一台微型计算机、存储器、磁带机和接口装置）、外围设备（显示终端、键盘、打印机）和不间断电源3个部分。

传感器及执行调节机构：传感器是指装设在各监视现场的各种敏感元件、变送器、触点和限位开关、用来检测现场设备的各种参数（如温度、湿度、压差、液位等），并发出信号送到调节控制器（分站、数据中心等），如铂电阻温度检测器、复合湿度检测器、风道静压变送器、差压变送器。

执行调节机构：是指装设在各监控现场接受分站调节控制器的输出指令信号，并调节控制现场运行设备的机构，如电动阀、电磁阀、调节阀等，包括执行机构（如电动阀上的电机）和调节机构（电动阀的阀门）。

分站控制器：是以微处理机为基础的可编程直接数字控制器（DDC），它接收传感器输出的信号，进行数字运算，逻辑分析判断处理后自动输出控制信号，进行动作执行及调节机构。

分站控制器：是整个控制系统的核心，采用直接数字控制器（DDC），它具有AI,AO,DI,DO 4种输入/输出接口。方便灵活地与现场的传感器、执行调节机构直接相连接，对各种物理量进行测量，以及实现对被控系统的调节与控制。其中：

AI为模拟量输入接口，可用作仪表的检测输入，如温度、压力等，一般为1~10 V或4~20mA的直流信号。

AO为模拟量输出接口，用于操作控制阀、执行器等，如电动阀、三通阀、风门执行器等，不需要外部电源，输出为0~10 V的直流信号。

DI为数字量输入接口，即触点、液位开关、限位开关的闭合与断开，一般用作检测设备状态、报警接点、脉冲计数等。

DO为数字量输出接口，用于控制风机、水泵等运行，也可作为输出信号与动作增减量型执行机构。

数据传输线路：是联系系统各部分的纽带，从各个监控点到分站控制器的线路是逐点连接（放射式），数据中心与各分站通过总线型或环形网络结构进行组网，各分站直接用一回路双芯导线连接到总线上就可以实现分站与分站之间、分站与中央站之间的通信。

（2）建筑设备监控系统的结构

建筑设备监控系统的结构图如图1-5所示，其中现场控制层实现的是单个设备的自动化；监督控制层实现的是各个子系统的各种设备的协调控制和集中操作管理，即分系统的自动化；管理层协助管理子系统，实现全局优化控制和管理，从而实现综合自动化的目的。

系统的通信网络分两层。分布在现场DDC与子系统管理计算机之间构成第一层网络，用于在上位机与DDC之间上传大量的检测与控制数据以及各DDC之间相互通信协调，该层网络一般通过EIA标准总线RS-485或RS-422进行互连，为保证信息的实时性，通信速率一般不低于9 600 bit/s；各子系统管理计算机及由中央管理计算机之间构成第二层网络。由于该级上传的主要为管理信息，数据量大，故采用高速通信网络。BAS系统层次结构如图1-5所示。

◆ 任务实施过程

1.请同学列举建筑内的机电设备。

2.计算机控制主要是采集现场设备信息，展示温度传感器、湿度传感器等常用传感器及风机、风阀等执行器等。

3.讲解清楚集散控制结构与BAD体系结构图的关系。

◆ 问题

1.说出BAS体系的作用及包括的机电设备。

2.说明BAS体系与DCS间的关系。

3.区别设备运行监控与视频监控的区别。 xRiNKWpI8CVW5ZfSaius6GDrWkxVwkutx3+qcpEVoBVC4f31I6OCf718R0PYmrdZ