任务 1.2
建筑设备监控系统的结构

【任务描述】

结合案例，说出本工程建筑设备监控系统的结构是属于集散式控制系统（DCS）结构，还是现场总线式控制系统（FCS）结构，每个层级又有哪些设备及接口。

【知识点】

1.2.1 集散式控制系统

建筑设备监控系统包括多个子系统的控制，为实现统一监视及管理，需将各个子控制、子系统集成为一个综合系统，如图 1.6 所示。

建筑设备监控系统的监制对象多且控制功能复杂，由于目前BAS所面临的监控对象的复杂性，至今全球范围内还没有一个厂商能够提供所有的软硬件产品，事实上形成各自为政、占山为王、相互争夺地盘的竞争状态，最终导致BAS产品没有一个统一标准：信息不能共享，也不能互联互通（图 1.7）。解决这个问题的方法就是系统集成技术。

通过系统集成，最终将不同厂家、不同协议标准的产品组织在一个大系统中，实现信息互联互通，达到控制联动、信息共享的目的。建筑设备监控系统将各个控制子系统集成为一个综合系统，目前工程应用中以集散控制系统为主。

集散控制系统（Distributed Control System，DCS）是采用集中管理、分散控制策略的计算机控制系统，它以分布在现场的数字化控制器或计算机装置完成对被控设备的实时控制、监测和保护任务，已具有强大的数据处理、显示、记录及显示报警等功能。集散控制系统的结构如图1.8 所示，是一个横向分散、纵向分层的体系结构，按功能分为现场层、控制层、中央管理层，级与级之间通过网络互联。

1）管理层（信息层）

实现集中显示与操作、进行信息综合，硬件构成包括计算机、网络接口和网络设备（网卡、集线器、交换机）等。管理层能够以用户容易理解的方式显示系统数据，生成综合报表，实现信息系统共享数据，与互联网建立联系，允许远程访问等。

中央管理级是以中央控制室操作站为中心，辅以打印机、报警装置等外部设备组成。主要功能为实时数据记录、存储、显示和输出，优化控制和优化整个集散控制系统的管理调度，实时故障报警、事件处理和诊断，实现数据通信。

中央管理计算机与监控分站计算机的组成基本相同，但其作用是对整个系统的集中监视和控制。需要指出的是，并不是所有的集散式控制系统都具有三层功能，大多数中小规模系统只有一二层，只有大规模系统才有第三层。

在建筑物中，需要实时监测和控制的设备具有品种多、数量大和分布范围广的特点。几十层的大型建筑物，建筑面积多达十多万平方米，有数千台（套）设备分布在建筑物的内外。对于这样一个规模庞大、功能综合、因素众多的大系统来说，要解决的不只是各子系统的局部优化问题，而是一个整体综合优化问题。若采用集中式计算机控制，所有现场信号都要集中在同一个地方，由一台计算机进行集中控制。这种控制方式虽然结构简单，但功能有限且可靠性不高，不能适应现代建筑物管理的需要。集散式控制以分布在现场被控设备附近的多台计算机控制装置完成被控设备的实时监测、保护与控制任务，克服了集中式计算机带来的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性。集散式控制充分体现了集中操作管理、分散控制的理念，在建筑设备自动化系统中得到了广泛应用。

2）控制层（自动化层）

实现控制策略，硬件构成包括现场控制器和网络接口。现场控制器适用于各种机电设备的控制；能以用户容易理解的方式显示数据，生成报告，与其他控制器共享数据等。网络接口有两类，分别把控制层信息向上连接到管理层或向下连接到现场层进行交互。

控制层由一台或多台通过局域网相连的计算机构成，作为现场控制器的上位机，监控计算机可分为以监控为目的的监控计算机和以改进系统功能为目的的操作计算机。

（1）监控计算机

面向运行监控管理人员，主要功能是为管理人员提供人机界面，使操作员及时了解现场运行状态、各种运行参数的当前值、是否有异常情况发生等，并可通过输出设备（键盘或鼠标器）对运行过程进行控制和调节；另一功能是对历史数据进行处理，调用历史数据生成运行报表、历史趋势曲线等。

（2）操作计算机

面向工程师管理人员，也可称为工程师站。其主要功能是对分散控制系统进行离线配置和组态，对组态的在线修改功能，如上下限设定值的改变、控制参数的调节、对某个检测点或若干个检测点甚至是对某个现场控制器的离线直接操作等；另一功能是对分散控制系统本身的运行状态进行监视，包括各个现场控制器的运行状态、各监控站的运行情况、网络通信状态等。

3）现场层（仪表层）

完成仪表信号传送，硬件构成包括网络接口、末端控制器、分布式输入输出模块和传感器（变送器）、执行器等，也称为仪表层或设备层。

（1）现场控制级的主要组成

①现场控制器。

现场控制器在体系结构中又被称为下位机，是以功能相对简单的工业控制计算机、微处理器或微控制器为核心，具有多个数字输出、数字输入、模拟输入和模拟输出通道，可与各种低压控制电器、检测装置（如传感器）、执行调节装置（如电动阀门）等直接相连的一体化装置，用来直接控制被控设备对象（如给水排水、空调、照明等），并且能与中央控制管理计算机通信。

现场控制器本身具有较强的运算能力和较复杂的控制功能，其内部有监控软件，即使在上位机（监控计算机）发生故障时，仍可单独执行监控任务。

②检测执行装置。

楼宇设备通常包括给水排水设备、暖通空调设备、供电照明设备、电梯设备等，这些设备称为现场被控设备。现场被控设备与现场控制器之间的信息传递通过安装在现场设备系统上大量的检测执行装置来完成。检测执行装置包括：

a.检测装置，主要指各种传感器，如温度、湿度、压力、压力差、液位等传感器。

b.调节执行装置，如电动风门执行器、电动阀门执行器等。

c.触点开关，如继电器、接触器、断路器等。

（2）现场控制级的主要任务

①对设备进行实时检测和诊断。

对被控对象的各个过程变量和状态信息进行实时数据采集，以获得数字控制、设备监测和状态报告等所需的现场数据；分析并确定是否对被控装置实施调节；判断现场被控设备的状态和性能，在必要时进行报警或提供诊断报告。

②执行控制输出。

根据控制组态数据库、控制算法模块来实施连续控制、顺序控制和批量控制。

工程中常用的网络结构示意图如图 1.9 所示。

1.2.2 集散式控制系统的特点

集散式控制系统是采用标准化、模块化和系列化设计，由现场控制级、监视控制级和管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理，控制相对分散，具有灵活配置、组态方便的多级计算机网络系统。由上述介绍可见集散控制系统具有以下特点：

1）分级递阶控制

集散控制系统是分级递阶控制系统。在垂直方向或水平方向都是分级的。最简单的集散控制系统至少在垂直方向分为两级，即操作管理级和过程控制级。在水平方向上各个过程控制级之间是相互协调的分级，它们把数据向上送达操作管理级，同时接收操作管理级的指令，各水平分级间相互也进行数据交换，这样的系统是分级的递阶系统。集散控制系统的规模越大，系统的垂直和水平分级的范围也越广。

分级递阶系统的优点是各分级有各自的功能，完成各自的操作。它们之间既有分工又有联系，在运行中完成各自的任务，同时它们相互协调、相互制约，使整个系统在优化的操作条件下运行。

在不分级的计算机直接数字控制系统中，各个组成部分具有相同等级，数据由同一个CPU进行处理。虽然可以进行优先级别的分配，但是系统的调整不方便。由于没有分级，故组成系统的某些部件的故障将造成整个系统瘫痪，降低系统的可靠性。

2）分散控制

在计算机控制系统的应用初期，控制系统是集中式的，即一个计算机完成全部的操作监督和过程控制。由于在一台计算机上把所有的过程信息的显示、记录、运算、转换等功能集中在一起，也产生了一系列的问题。一旦计算机发生故障，将造成过程操作的全线瘫痪，由此产生了危险分散与冗余的概念。但是，如果以同样的计算机控制系统作为原系统的后备，无论从经济上还是从技术上仍存在缺陷，只有在过程控制级进行分散，把过程控制与操作管理进行分散才是可能和可行的。

随着生产过程规模的扩大，设备的安装位置越来越分散，把大范围内的各种过程参数的监控汇集在一个中央控制室是不经济的，而且操作与管理也不方便。因而，提出了地域的分散和人员的分散要求。人员的分散还与大规模生产过程的管理有着密切的关系。在集中控制的计算机系统中，为操作方便，需要有几个供操作用的显示屏，每个操作人员在各自的操作屏前进行操作。由于在同一台计算机系统内运行多项任务，对系统中断优先级、分时操作等的要求也较高，系统可能会出现由多个用户的中断冲突而造成计算机的死机。于是提出了操作的分散、多用户多进程的计算机操作系统的要求。

在集散控制系统中，分散的内涵十分广泛并不断扩展。分散控制功能、分散数据显示、分散通信、分散供电、分散负荷等，而且这些分散是相互协调的分散。同时，由于分散的特征，DCS的数据库形成分布式特点，但分布式数据库在系统运行中仍应保证数据的一致性。因此，在分散中有集中的数据管理、集中的控制目标、集中的显示屏幕、集中的通信管理等，为分散作协调和管理。各个分散的子系统是在统一集中操作管理和协调下各自分散工作的。

3）自治性

系统中的工作站通过网络连接，各工作站是独立自主地完成分配给自己的规定任务，如数据采集、处理、计算、监视、操作和控制等。工作站采用微型计算机，存储容量大，配套软件功能齐全，是一个能够独立运行的高可靠子系统。其控制功能齐全，控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批量控制于一体，还可实现串级、前馈、解耦和自适应等控制，具有很强的控制性能。

4）协调性

各工作站间通过通信网络传送各种信息协调工作，各子系统在统一集中操作管理和协调下各自分散工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。采用实时性的、安全的、可靠的工业控制局部网络，使整个系统信息共享。采用MAP/ TOP标准通信网络协议，将集散控制系统与信息管理系统连接起来，扩展成综合自动化系统。

5）友好性

集散控制系统软件是面向工业控制技术人员、工艺技术人员和生产操作人员而设计的，操作界面采用实用而简捷的人机对话系统，彩色高分辨率交互图形显示，复合窗口技术，画面丰富；有综观、控制、调整、趋势、流程图、回路一览、报警一览、批量控制、计量报表、操作指导等画面，菜单功能具有实时性。平面密封式薄膜操作键盘、触摸式屏幕、鼠标器、跟踪球操作器等便于操作。话音输入/输出使操作员与系统对话更方便。

集散控制系统的系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态是十分重要的，这些工作可由组态软件完成，用户的方案及显示方式可由它解释生成DCS内部可理解的目标数据，生成的实用系统便于灵活扩充新的控制系统。

6）可扩充性

硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统的积木式结构，可适应不同用户的需要而灵活配置。可根据生产要求，修改系统配置，在改变生产工艺、生产流程时，只需要使用组态软件，填写一些表格修改某些配置和控制方案即可，而不需要修改或重新开发软件。

7）开放性

开放系统是以标准化与业界实际存在的接口协议为基础建立的计算机系统、网络通信系统，这些标准与协议为各种应用系统的基本平台提供了软件的可移植性、系统的互操作性、信息资源管理的灵活性和产品的可选择性。开放系统已成为第三代集散控制系统的标志。

为了实现系统的开放，DCS通信系统应符合统一的通信协议。国际标准化组织对开放系统互联提出了OSI参考模型。在此基础上，各有关组织已提供了多个符合标准模型的通信协议与标准，例如，制造自动化协议MAP、IEEE802 通信协议、BACNet等，在集散控制系统中都得到了充分应用。

8）可靠性

高可靠性是集散控制系统的生命力所在，制造厂商对系统结构、软件系统进行可靠性设计，在设备制造过程中采用可靠性保证技术。

集散控制系统也存在一些缺点，例如，采用一台仪表、一对传输线的接线方式，导致接线庞杂、工程周期长、安装费用高、维护困难；模拟信号传输精度低，而且抗干扰性差；各厂家的产品自成系统，且系统封闭、不开放，难以实现产品的互换、互操作以及组成更大范围的网络系统。

1.2.3 现场总线控制系统

由于DCS系统的上述缺点，新一代集散控制系统的体系结构——现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）应运而生。将仪表层的现场设备数字化（即自带微处理芯片）、智能化，变革传统的单一功能的模拟仪表，将其改为综合功能的数字仪表；变革传统的计算机控制系统（DDC和DCS），将输入、输出、运算和控制功能分散分布到现场总线仪表中；将现场设备层单向传输的模拟信号变成全数字双向多站的数字通信，实现现场设备层的全网络化，如图 1.10 所示。

IEC对现场总线（Fieldbus）一词的定义为：现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行、多节点数字通信的技术。现场总线被誉为自动化领域的计算机局域网。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式的控制系统。

现场总线技术是以智能传感器、控制、计算机、数据通信为主要内容的综合技术，这些智能传感器、执行器等不仅可以简化布线，减少模拟量在长距离输送过程中的干扰和衰减的影响，而且便于共享数据以及在线自检。因此，现场总线是适应智能仪表发展的一种计算机网络，它的每个节点均是智能仪表或设备，网络上传输的是双向数字信号。

现场总线技术已受到世界范围的关注而成为自动化技术发展的热点，必将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。其网络结构趋于扁平化，整个系统只是一层结构，形成全数字的、彻底的分散控制系统。这种发展已成为一种趋势，目前已有部分全以太网的控制产品上市了。

DCS与FCS的系统构成对比如图 1.11 所示。

目前，基于集散控制系统的楼宇自动化系统的品牌和厂商有很多，国外有美国的霍尼韦尔、江森自控，德国的西门子，中国有同方泰德、美控智慧等。楼宇自控行业品牌榜，见表 1.2。

资料来源：千家 2021 年 11 月品牌指数。

1.2.4 现场总线控制系统的特点

现场总线控制系统除了具有现场总线全数字化、开放性、互换性、适应性等优点外，还具有下列特点：

（1）互操作性与互用性

不同的厂家遵循相同标准的设备可相互连接构成一个系统，不仅可以相互通信，而且可以统一组态，构成所需的控制回路，共同实现控制策略。性能相同的设备可相互替换，实现“即接即用”。

（2）智能化与功能自治性

由于现场总线设备内置有高性能的微处理器，很多基本算法被集成到现场设备中，使其不但可以完成系统的基本控制功能，而且还具备数据通信、自诊断、目标等非控制功能。

（3）分散性

现场总线将控制功能彻底下放到现场设备中，通过现场设备就可以构成控制回路，从根本上改变了DCS集中、分散相结合的集散控制系统结构，减轻了主机负担和风险，提高了控制系统的可靠性和灵活性。

（4）增强过程数据性能

依靠现场总线，可将来自每个设备的多个变量引入工厂控制系统中，实现数据的存储及检索、趋势分析、过程优化研究和制表。由于现场总线改用数字信号传输，减少了信号传输误差，大大提高了系统精度，从而改善调节性能。并且可提供高精度、高分辨率的数据，使工艺过程得以精确监视和控制，从而减少工厂设备故障时间，获得更高的效率、更高的生产性能和最佳的收益。

（5）扩展过程视野

现代化的现场总线设备以微处理器为基础，功能强大，通信能力强。使过程偏差识别更快、精确度更高。因此，可使工厂运行人员很快注意到异常工况，并告知是否需要预防性维修，便于运行人员对当前情况作出最佳判断，从而更迅速地消除运行中的故障，增加产量，同时降低原材料成本，减少经常性的故障。

（6）实现预测性维修

增强设备诊断能力，使得对诸如现场阀门磨损和变送器结污等的监视和记录成为可能。工厂运行人员不必等待计划性停机就可对设备进行预测性维修，从而避免或减少停机时间。

（7）编程组态简易

采用内置在现场总线设备内的软件控制块即可实现控制和逻辑功能的编程。

【任务实施】

区别是DCS系统还是FCS系统，由任务知识点描述知，其主要区别在于现场层设备的连接方式以及设备种类，传统的DCS系统连接方式为控制器与传感器、执行器一对一连接，而FCS系统连接方式为控制器、传感器、执行器均通过总线连接，且现场传感器、执行器为智能仪表。可参考表 1.3 列出工程实例中相关设备及类型，以此判断其控制系统所属的结构类型。作为拓展，还可查找出本案例中不同通信线缆的通信距离以及所接设备的数量，为项目 2 实施奠定基础。

【任务知识导图】

任务 1.2 知识导图，如图 1.12 所示。