试析楼宇自动化系统工程实施的要点

　　内容提要：结合特大型商业广场智能化系统的建设和管理需求，依据相应的国家、行业、地方标准及规范，对特大型商业广场的建筑设备自动化系统设计进行了阐述。
　　
　　关键词：建筑设备自动化系统；BA
　　建筑设备自动化系统（BuildingAutomationSystem，BA系统）采用集散型控制技术对建筑设备进行全面、实时的监控，提高了建筑设备的运行质量，为建筑物的管理者提供集中的显示操作控制和强大的运行数据处理功能、减少管理的工作量，降低建筑设备的能源消耗，在建筑物中起着重要作用。
　　但是，长期来国内的BA系统工程质量不高，实际能正常投入运行的BA系统项目不多，这使智能建筑业界人士深感不安。在BA系统应用中通常遇到的问题及其主要原因有以下几方面：
　　1． 少数建筑专业、暖通专业和电气专业的设计人员在扩初设计时没有很好配合，以至空调机房空间过小，设备维护通道难以行走；新风口位置设置不合理，新风质量不理想；电气控制箱缺少与BA系统相配的电气输入/出端等。
　　2． 部分BA系统设计与工程实施人员对建筑设备不熟悉、对设备系统的整体了解不深入，致使传感器位置设置错误、电动调节阀关闭压力不够、甚至系统缺少应有的传感器与软件工具。
　　3． 部分BA系统设计与工程实施人员对空调系统的运行工况和工艺了解不全面，结果BA系统对空调系统的运行控制方式不合理，不能达到有效的节能目标。
　　4． 有些施工人员在设备安装过程中，没有按照规范操作，接线错误、传感器安装位置错误、执行机构与设备连接不牢固、DDC箱内布线乱、箱体进出线处不加保护橡皮垫圈、金属软管乱拉、接地系统混乱等，给系统的正常运行带来隐患。
　　5． 少数物业管理公司在BA系统投运后，未能进行必要的维护保养；BA系统操作管理人员缺乏专业技能训练，致使原本正常的系统频发故障。
　　6． BA系统的工程竣工文档不全，操作手册未汉化并缺少针对性，影响后续人员对系统的了解与掌握。
　　通过多年的工程实践和总结，笔者将楼宇自控系统在实施的要点可以归纳为以下四方面：1、技术的沟通和协调；2、设计的合理性；3、系统的联调；4、系统维护人员素质要求。下面就这几方面具体阐述。
　　1 技术的沟通和协调
　　由于楼宇自控系统主要的被控对象大多数属于其他系统承包商的工程范围，而其他系统承包商对楼宇自控系统的要求均不太了解，这要求我们在工程实施的过程中非常重视工程的沟通协调，它将直接影响到系统能否满意的投入使用，从项目管理的角度来说，它是对工作范围的具体落实和认定。通常，在项目的实施过程中，我们是按以下步骤逐一落实的，这里可以推荐给各位读者：
　　1.1 落实BA点表
　　首先按照标书对BA系统的要求，参照业主其他系统的设计图（重点是暖通、配电、照明、电梯），进行系统的深化设计。包括设备选型、DDC的现场布置、管线的走向、通讯接口实现的可行性、进度及成本的估算等。确定最后的实施方案，也就是落实BA的实施点表。
　　1.2 接口要求
　　在方案确定后，针对各子项分别列出接口要求，同时抄送相关协作单位，必要时业主需要在产品招标或合同草拟时技术确认。
　　下面是我们为某项目的BA系统提出的接口要求：
　　1) BAS系统对变配电系统各设备接口的要求
　　 高压进线柜
　　提供、并标明电压互感器A、B、C三相的端子给BA系统。
　　提供、并标明电流互感器A、B、C三相的端子给BA系统。
　　 提供高压进线柜母联开关的辅助干触点信号（一副）给BA系统。
　　 低压进线柜
　　提供、并标明低压进线柜A、B、C三相（380V）的端子给BA系统。
　　提供、并标明低压进线柜电流互感器A、B、C三相（5A）的端子给BA系统。
　　 提供低压进线柜断路器的开关干触点信号给BA系统（若有开关干触点信号）,否则应提供断路器的开关辅助触点（一副）给BA系统。
　　 变压器
　　提供超温报警干触点信号给BA系统。
　　
　　 柴油发电机组
　　提供与BA系统相配套的智能化系统对设备的监测接口（RS232，或RS485通讯接口），并提供标准通讯协议及相关的软件。
　　提供一个BA系统控制柴油发电机组启停接口。
　　在双路电源供电的情况下，当二路高压进线不能正常工作时，柴油发电机组能自动启动进行应急供电。
　　 对各功能区或标准层的低压配电柜
　　提供低压配电柜开关状态开关干触点给BA系统，否则应提供断路器的开关辅助触点（一副）给BA系统。
　　2) BAS系统对给排水泵电控箱接口的要求
　　 提供、并标明电控箱手/自动转换开关的辅助干触点（一副）给BA系统。详见附图中15，16端子。
　　 提供、并标明电控箱启停回路的开关干触点或辅助触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测水泵启停状态。详见附图中13，14端子。
　　 提供、并标明电控箱过热继电器的辅助干触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测水泵的故障状态。详见附图中17，18端子。
　　 提供、并标明电控箱启停控制回路的启停触点（一副）给BA系统，BA系统用以启停水泵（自动状态下）。详见附图中19，20端子。
　　3) BAS系统对空调系统各设备电控箱接口的要求
　　 提供、并标明电控箱手/自动转换开关的辅助干触点（一副）给BA系统。详见附图中15，16端子。
　　 提供、并标明电控箱启停回路的开关干触点或辅助触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测机组启停状态。详见附图中13，14端子。
　　 提供、并标明电控箱过热继电器的辅助干触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测机组的故障状态。详见附图中17，18端子。
　　 提供、并标明电控箱启停控制回路的启停触点（一副）给BA系统，BA系统用以启停机组（自动状态下）。详见附图中19，20端子。
　　4) BAS系统对冷热源系统各设备电控箱接口的要求
　　 提供、并标明电控箱手/自动转换开关的辅助干触点（一副）给BA系统。详见附图中15，16端子。
　　 提供、并标明电控箱启停回路的开关干触点或辅助触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测设备启停状态。详见附图中13，14端子。
　　 提供、并标明电控箱过热继电器的辅助干触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测设备的故障状态。详见附图中17，18端子。
　　 提供、并标明电控箱启停控制回路的启停触点（一副）给BA系统，BA系统用以启停设备（自动状态下）。详见附图中19，20端子。
　　5) BAS系统对送排风系统各设备电控箱接口的要求
　　 提供、并标明电控箱手/自动转换开关的辅助干触点（一副）给BA系统。详见附图中15，16端子。
　　 提供、并标明电控箱启停回路的开关干触点或辅助触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测机组启停状态。详见附图中13，14端子。
　　 提供、并标明电控箱过热继电器的辅助干触点（一副）给BA系统，BA系统用以监测机组的故障状态。详见附图中17，18端子。
　　 提供、并标明电控箱启停控制回路的启停触点（一副）给BA系统，BA系统用以启停机组（自动状态下）。详见附图中19，20端子。
　　
　　6) 对公共照明/泛光照明配电箱设备接口的要求
　　 配电箱的手/自动状态.提供并标明手/自动转换开关的辅助干触点信号(一副)给BA系统。详见附图中15，16端子。
　　 配电箱的各回路状态.提供并标明配电箱各回路(共41回路)的开关干触点信号(若有)给BA系统,否则应提供断路器的开关辅助触点(各一副)给BA系统.详见附图13,14端子。
　　 配电箱的自动控制.提供并标明各控制回路的启停触点(各一副)给BA系统。详见附图19,20端子。
　　                            
　　
　　
　　7） 附图解读
　　上述附图为设备二次控制回路图，其中，QC为主交流接触器，用于控制一次回路中设备的供停电；一般按设备的功耗情况其后需配置相应的过热保护继电器，在本图中简称RJ；J1为中间继电器，用于执行BA系统对设备的启停,注意线圈工作电压为AC24V，这样选择的原因主要是在BA系统中DDC常用的供电方式为AC24V,所以DDC箱中通常配有AC24V电源,可以很方便的提供,此外,AC24V电源信号可以与其他弱电信号线缆同管敷设,施工方便。J2为中间继电器，用于向BA系统提供手／自动信号状态，其线圈工作电压为AC220V；J3为中间继电器，用于向BA系统提供过热保护继电器动作状态，也就是BA系统需要的故障状态，其线圈工作电压为AC220V；此外，RD为二次控制回路的保护熔断管；HK为手／自动转换开关，在处于自动状态时6／7端子闭合，J2继电器工作，使得15／16接线端子由开路转为闭合，BA系统在检测到此种状态后，可以通过编程显示实际的开关状态。在器件选择时，首先应考虑开关的触点过流容量，其次应有足够的触头数量；TA为手动停止按钮，为常闭触发型，不带自锁；QA手动启动按钮，为常开触发型，不带自锁；HR为启动指示灯；HG为待机指示灯。
　　在手动状态，即HK处于4／5端子闭合接通、2／3和6／7端子开路状态；此时，按下启动按钮（QA）控制回路电流经2、4、5、10、11对交流接触器（QC）的线圈供电，QC主触头接通，设备开始运行，同时，QC的辅助触头QC1闭合，使得QA按钮旁路，QC自锁保证了QC的持续工作，这时，HR运行灯点亮，HG待机灯熄灭；若此后按下停止按钮（TA），QC线圈的电源瞬间失电，主触头断开，设备停止运行，同时，辅助触头QC1打开，QC自锁被打开，即使触发按钮TA再次闭合，QC的线圈仍然无法得电工作，从而达到停止设备的目的；同时，HR运行灯熄灭，HG待机灯点亮。
　　在自动状态，即HK处于2／3和6／7端子闭合接通、4／5端子开路状态；此时，BA系统发出启动信号，即对J1继电器线圈供电，此时，控制回路电流经2、3、5、11对交流接触器（QC）的线圈供电，QC主触头接通，设备开始运行；这时，HR运行灯点亮，HG待机灯熄灭；若此后BA系统发出停止信号，即切断对J1继电器线圈供电，QC线圈的失电，主触头断开，设备停止运行；同时，HR运行灯熄灭，HG待机灯点亮。
　　1.3 图纸会审
　　完成设计施工图后，邀请各相关系统集成商和设计单位进行图纸会审。其目的是介绍系统、落实各接口要求、明确工程的交接面（或称接口界面）、确认被控设备位置及管线布设的可行性。会议结束后应形成会议纪要并下发各参加单位。
　　1.4 沟通协调
　　施工过程中要积极主动的与各协作单位沟通，了解设备到货情况，参加设备进场验收，索要必要的技术资料，如：系统参数、设备接线图、协议表等。
　　1.5 参加对设备安装完毕后的最终验收，重点是接口完成情况。
　　
　　2 设计的合理性
　　BA系统要能实现改善大楼的环境效率，而且也使大楼能源消耗在量化控制之下，确保大楼能源成本降低成为可能必须具有两个要素：
　　其一：系统应用稳定可靠，发生故障概率降到最低可能限度。这一点通常通过系统选型来得以保证，此外，系统集成商对产品的了解深度也是成败的关键。
　　其二：系统能提供精确的、量化的控制模式，为大楼能源控制提供可靠保证。这一点通常由系统集成商对相关系统（如暖通、供配电等系统）的了解深度和自身对系统的调试能力来决定的。
　　大楼营运成本的降低就是要求BA系统整个控制过程尽可能精确，以下几个条件（因素）直接影响到BA系统精确控制程度：
　　系统前端所测信号尤其是类似温度这样的模拟信号必须尽可能准确。为保证系统前端信号准确，我们采取以下措施：
　　①合理配置前端传感器数量：探测点数设置过少，则无法取得精确的前端信号；而前端传感器数量（点数表）过多的话易造成信号之间耦合，也使系统成本增大。
　　②正确选择传感器的安装位置：举例来说，安装于送风管道内的温度传感器如果安装在靠近机组送风口处，则传感器检测得到温度值可能偏低；如果安装在离送风口较远，则传感器测得温度值可能要高一些。这就必须根据风管的实际情况合理选择传感器安装位置。
　　③系统控制环节少、能提供丰富的控制积算软件。目前各BA厂商提供DDC（直接数位控制器），采用的是计算机数字输出信号去直接控制电动水阀阀门的开度，而无须中间调节器；另外，DDC内含有丰富的积算控制程序，有比例（P）算法、比例积分（PI）算法、比例积分微分（PID）算法。由于不同的PID系数，被控对象生成不同的反应特性曲线，PID系数较高，则对象反应特性曲线较陡，也就是反应过渡过程较短；PID系数较低，则对象反应特性曲线较为平缓，也就是反应过渡过程相对较长。理论上说，过渡过程较短的话，则系统响应快，换句话说，也就是系统控制精度较高，但这并不说系统控制精度越高就越好：由于空调系统本身惯性较大，如BA系统控制精度越高，系统越容易引起振荡，系统也就越不稳定。
　　这就要求在工程设计和调试的过程中正确进行软件组态，选择恰当的采样周期和控制函数，保证系统响应输出最优化，在系统控制精度和系统稳定度之间找到最佳平衡点。
　　④在国内许多工程中发现设计者在调节阀门的选择中，特别是选择阀门口径时存在随意性现象较为严重。有些设计者直接选择调节阀门口径与管径一致，有些简单地相对管径缩小一号。这些随意性的设计不仅造成投资浪费，同时降低了系统的调节品质，影响系统的寿命，应引起设计者高度重视。就阀门的选择而言，过小的阀门一方面达不到系统的容量要求，另一方面阀门将需要通过系统提供较大的压差以维持足够的流量，加重泵的负荷，阀门易受损害；阀门口径过大会使控制性能变差，易使系统受冲击和振荡，而且投资也会增加。阀门过大过小都会带来控制阀寿命缩短和维护不便的后果。因此，选择适当的控制阀口径，对系统的正常运转是非常重要的。
　　选择正确流量特性和合适口径的电动水阀是BA系统成功的重要保证。电动调节水阀的流量特性是指空调水流过阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的函数关系，目前工程上常用的主要有直线流量特性、等百分比流量特性的电动水阀。
　　单位行程变化所引起的相对流量变化成正比关系的是等百分比流量特性水阀。该类型水阀可调范围相对较宽，比较适合具有自平衡能力的空调水系统，因此BA系统中大量应用的是等百分比流量特性的电动水阀。
　　工程上我们常用的是通过计算电动阀门的流量系数（Kv/Cv）值来推导电动水阀口径，因为流量系数和水阀口径是成对应关系的，换句话说，流量系数定了，水阀口径大小也就相对确定了。
　　水阀流量系数（Kv/Cv）采用以下公式计算：
　　Cv=3.6Q/（ΔP/100）1/2或
　　Kv=Cv/1.17
　　其中Cv--流量因子，它是指：一个全开启的阀门两侧加有1psi压力时流过温度为600F水时的USGPM流量（美国加仑/每分种）
　　Q--设备（空调/新风机组）的水流量,单位:l/s或kg/s
　　ΔP--为调节阀前后压差比,单位:Kpa
　　例如，我们计算流量系数Kv或Cv值：
　　Cv=3.6Q/（ΔP/100）1/2=3.6*11.123/（40/100）1/2=63.3
　　Kv=Cv/1.17=63.3/1.17=54.1
　　然后计算出来的流量系数Kv/Cv选用与其相适应口径的调节水阀。如下表，可见Kv值54.1介于40和63之间，故选用DN65的电动调节阀。
　　3 系统的联调
　　在设计和施工协调后，系统保证开通的主要保障就来自于高质量的调试工作，下面就工程联调的步骤和主要设置要求进行描述：
　　3.1 新风机（2管式）
　　 启动新风机，新风阀应自动开启。
　　 冷/热水二通阀开度应根据送风温度及送风温度设定值的误差来做调整(PI)。
　　 模拟新风温度在冬天(热水)模式，二通阀应根据送风温度下降而增加二通阀的开度，直至到达送风温度的要求。
　　 模拟新风温度在夏天(冷冻水)模式，二通阀应根据送风温度上升而增加二通阀的开度，直至到达送风温度的要求。
　　 停止新风机，新风阀、二通阀应回到全关位置。
　　3.2 空调机（2管式变风量）
　　 启动空调机，二通阀应根据实际送风温度及送风温度设定值的误差来做程序控制。
　　 模拟送风温度大于送风温度设定值，二通阀应增加开度使送风温度下降至要求。
　　 模拟送风温度小于回风温度设定值，二通阀应减少开度使送风温度上升至要求。
　　 变频控制根据该空调机所带的末端VAVBOX的风门开度状况自动调节，使VAVBOX开度尽可能大，这样舒适性和节能都会达到最佳效果。初始设定的要求跟踪的开度为75%~85%。为确保变频器正常工作，启动变频控制后其最小的频率在30Hz。
　　 停止空调机，二通阀应回到全关位置。
　　注：在过渡季节应尽可能利用新风，即开启排风机。
　　3.3 VAVBOX
　　 调整温度设定值使其低于室内温度，风阀开度应不断增加，即用增加风量（冷负荷）来达到此温度设定值。风量最大不会超过设计的需求风量最大值。
　　 调整温度设定值使其高于室内温度，风阀开度应不断减少，即用减少风量（冷负荷）来达到此温度设定值。风量最小不会超过设计的需求风量最小值。
　　注：较长时间离开所在的空调区域（办公室），为节约能源可将现场的温度设定值调高，根据上述原理其风门开度减小，风量将降低到需求风量最小值。
　　3.4 冷源系统
　　设备台数选择：所谓机组台数控制的序列策略，就是解决在启动下一台机组时，决定哪一台先开出；在停止一台运行的机组时，决定哪一台先停止。这种序列策略，目的是和设备管理、维修计划更好地配合，充分利用设备的无故障周期，使设备的运行和维修周期合拍。例如：
　　在需要启动下一台机组时可按：
　　当前停运时间最长的优先；
　　累计运行时间最少的优先；
　　轮流排队；
　　人工干预；等等
　　在需要停运一台机组时可按：
　　当前运行时间最长的优先；
　　累计运行时间最长的优先；
　　轮流排队；
　　人工干预；等等
　　选择哪一种序列策略，和物业管理方式及设备维护计划等密切相关。系统方案能够提供灵活的序列策略模式，以菜单方式列于操作员屏幕上，以便于物业管理部门按需选择。
　　系统采用按照每台设备等时间运行的规则。
　　 开机预计：在未运行且无故障（未检修）的设备中选取运行时间最短的那一台作为下次启动的预计台号。
　　 关机预计：在已运行的设备中选取运行时间最长的那一台作为下次关机的预计台号。
　　设备故障定义：以下几种情况均由程序(3除外)将设备标志为故障或检修状态。设备故障/检修后需由操作人员复位，确保设备可靠。
　　 DDC接收到故障信号(DI);
　　 设备启动指令发出后经延时未收到运行状态(DI)反馈信号，程序自动设定故障标志，避免现场采集数据的局限和片面;
　　 操作人员根据现场需要（如定期检修，维护保养设备等）将此信号在操作站上设定为检修或故障，这样将大大增加程序的灵活性，不至于个别设备故障而影响整个程序的运行。
　　需求台数的计算：采用直接通过通讯方式获取冷冻机当前工况参数(如：主机实时满载电流和设定电流；主机实时出水温度和设定温度)来判定和计算冷冻机赢余状况，以决定在下一个周期是否增加或减少主机台数，这同传统测量负荷的做法是一个大的进步。后者是将计算出的负荷和冷冻机额定冷量进行比较而决定主机台数的增减，我们知道冷冻机的额定冷量只是一个客观的标定，当主机因为某种情况达不到这种额定要求时(如：当前电力不足，而有意识降低主机满载电流时或人为改变出水温度设定或主机性能降低而达不到)，显然此时最大冷量远远偏离额定值，台数计算的结果将毫无意义，而实际中这种情况确实比较普遍。目前BAS和主要品牌的冷冻机实现双向通讯已有成功案例，所以实现如上描述的控制方式是可行的。
　　启动顺序：开启相关水路的电动蝶阀→启动冷却泵→启动冷冻泵→启动冷冻机
　　关机顺序：停止冷冻机→停止冷冻泵→停止冷却泵→停止相关水路的电动蝶阀
　　
　　开机间隔的定义：为避免频繁地启停主机，已在程序中定义计算需求台数等的间隔（如45分钟等）。
　　冷源系统的旁通控制：
　　 当DDC检测的实际压差>系统设定值时(0.2Mpa),旁通阀逐渐开大以维持系统所需的压差。
　　 当DDC检测的实际压差<系统设定值时(0.2Mpa),旁通阀逐渐开小以维持系统所需的压差。
　　冷冻水系统的其它监控功能
　　（1）根据室外温度测量值、近期气候情况和历史相同季节负荷水平记录对启动负荷进行评估和预设定；
　　（2）累计设备的运行时间、运行次数；产生统计表格，供维护保养和物业管理系统作为原始数据；
　　（3）以曲线趋势图显示各种工艺参数的变化情况，以一定的时间间隔记录这种变化数据，储存为数据文件。
　　（4）可编制节假日和上、下班等时间调度运行程序，合理地启停设备；
　　（5）按设备维护计划，以某种规律去启动或者停止某台设备。
　　4 系统维护人员的素质要求
　　由于BA系统通常业主通过招标都可以委托一些有丰富经验的专业工程公司来实施，但在BA系统通过调试和试运行后，由于少数物业管理公司未能进行必要的维护保养或BA系统操作管理人员缺乏专业技能训练，致使原本正常的系统频发故障。为了长期稳定的运行，使用单位应该建立一支稳定的有一定专业素质的维护队伍，从而担负起系统的保养工作。
　　针对BA系统的特点，新接手的维修人员应该具备以下基本素质：
　　1、 掌握基本的电气知识、网络概念和电脑操作知识；
　　2、 由于BA系统多用于对暖通空调系统的控制，还应了解暖通空调系统的基本工作原理；
　　3、 由于大多数楼控系统的软件界面是英文（即使汉化也是表面汉化），所以应有相当于大学英语4级的外语水平；
　　在符合上述基本条件的情况下，通过专业培训，基本上可以胜任BA系统的维修工作。具体的讲BA系统的培训包括：
　　1、 系统的构架介绍、工作原理、控制范围描述；
　　2、 竣工资料的清点和介绍；
　　3、 硬件设备的安装和维护讲解、现场模拟；
　　4、 简单故障的分析和排除；
　　5、 软件操作要点及故障排除。
　　建筑物设置BA系统的目的是提供舒适、卫生、安全、快捷的优质服务，节约能源和人工成本，建立科学的管理模式。要实现这一的目标，我们认为需要工程设计人员、施工人员和管理人员的共同的努力。