1 引言

   目前我國城市的樓宇空調系統的耗能已占城市能耗的30%左右，造成這個(gè)局面的主要原因是目前空調系統中的相當一部分既未實(shí)現智能化，也不節能。對于一座大樓的自動(dòng)化系統的結構及其分類(lèi)眾說(shuō)紛紜， 3A、5A、 或 xA，其實(shí)多少個(gè)A 并不十分重要，無(wú)非是一種系統歸類(lèi)劃分的名稱(chēng)問(wèn)題。重要的是， 樓宇自動(dòng)化系統中的功能是否能得到完美的實(shí)現，樓宇自動(dòng)化的根本目的是：使復雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化、使樓宇功能多樣化、 使物業(yè)運作安全可靠、使生活環(huán)境舒適化，并實(shí)現系統高度的智能化和節能。

   2 貝加萊智能型樓宇自控系統簡(jiǎn)介

  2.1 貝加萊樓宇自控系統的監控管理對象

   隨著(zhù)高層建筑的大型化和多功能化，其服務(wù)項目不斷增加，機電設備種類(lèi)逐漸增多， 技術(shù)性能也日趨復雜，監控、管理工作已非人工所能完成。 因此，充分利用現代化的控制技術(shù)和數據通信技術(shù)對樓宇進(jìn)行監控和管理，已成為現代高層建筑的技術(shù)基礎。 樓宇自控系統的監控管理對象一般來(lái)說(shuō)應包括以下幾個(gè)方面，如圖1所示。

    空調及通風(fēng)系統

    冷/熱水系統

    給排水系統

    變配電系統

    照明系統電梯系統

    防盜系統

    巡更對講系統

    停車(chē)場(chǎng)導引系統

    消防系統

    三表自動(dòng)抄送計費系統

   在中國由于對消防有著(zhù)特殊的規定和約束，消防系統既可以作為BA的一個(gè)特殊子系統，也可以單獨列為消防自動(dòng)化系統——FA。

  2.2 貝加萊智能型樓宇自控系統的基本構成

   貝加萊IBAS系統的基本構成包括以下三個(gè)部分：

   2.2.1 傳感探測元件及控制執行元件

   傳感探測元件包括：溫度傳感器、濕度傳感器、流量傳感器、 液壓檢測器、壓差開(kāi)關(guān)、流量開(kāi)關(guān)， 以及電流互感器和電壓互感器等。
   
                    
                           圖1 智能型樓宇監控系統的樹(shù)狀結構圖貝

   控制執行元件包括：繼電器、電動(dòng)調節器、電動(dòng)閥門(mén)及其執行器等。

   2.2.2 基于 PCC的樓宇主控系統

   貝加萊智能型樓宇自控系統的主控系統以X20系列的PCC(可編程計算機 控制器——Programmable Computer Controller)為核心， 該系統體現了分布式的控制理念， 實(shí)現系統分布式控制的網(wǎng)絡(luò )架構主要由實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK及其它現場(chǎng)總線(xiàn)構成。

  2.2.3 樓宇自控的軟件系統

  貝加萊智能型樓宇自控系統的軟件系統主要由以下兩個(gè)部分組成， 即主站監控軟件和底層PCC控制軟件PG2000系統構成。該智能型樓宇監控系統的樹(shù)狀結構圖如圖1所示。

   2.3 貝加萊樓宇自控系統的特點(diǎn)

   作為自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域的全球性領(lǐng)導廠(chǎng)商，貝加萊早在20世紀80年代中期就在歐洲推出了智能樓宇自動(dòng)化系統，并在大眾、奧迪和寶馬等公司的一些項目中得到了應用。 縱觀(guān)這些樓宇自動(dòng)化系統，可以總結出如下所述的一些共同特點(diǎn)：

   （1）B&R的這些樓宇自控系統都用于對可靠性要求很高的工業(yè)環(huán)境中；

   （2）B&R樓宇自控系統強調實(shí)用的特點(diǎn)，它包含了現代化樓宇必須配置的鍋爐監控管理系統、鍋爐能源分配系統、供配電綜合自動(dòng)化系統、給排水系統和溫度/濕度控制、三表自動(dòng)抄表與計費、消防、安全報警、電梯和停車(chē)場(chǎng)監控等主要子系統；

   （3）其系統架構貫徹分布式控制系統的理念，當主站或某一子站出現故障時(shí)，不會(huì )影響系統其它部分正常運行。

   2.4 貝加萊面向未來(lái)概念的樓宇自控系統的架構

   以鍋爐監控、能源分配、給排水和溫濕度控制等系統為例（如圖2、圖3所示），介紹了貝加萊樓宇自動(dòng)化系統的架構。
  
                      
                              圖2  能源分配、給排水與溫濕度控制   

                        

                                 圖3  鍋爐監控系統與溫濕度控制

   在總結了貝加萊在歐洲的樓宇自控系統的特點(diǎn)和經(jīng)驗，并分析了中國市場(chǎng)上各家系統長(cháng)、短處之后，貝加萊于1997年在中國推出了智能型樓宇自控系統。該系統從設計思想到軟硬件系統配置都采用了全新的面向未來(lái)的概念，充分體現了可靠、智能、節能以及舒適的基本特點(diǎn)。

   3 PCC主控系統

   3.1 可編程計算機控制器（PCC）的特點(diǎn)與優(yōu)勢來(lái)體現的。自從世界上第一臺PLC于1969年在美國DEC公司誕生以來(lái)， 隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PLC早已擺脫 了當年“邏輯控制器”的雛形，當今傳統的PLC已能完成邏輯順序控制、模擬量處理和回路調節的功能。PCC就是從這個(gè)家族里脫穎而出的最新一代的可編程控制器，它融合了傳統的PLC和IPC的優(yōu)點(diǎn)，既具有PLC的高可靠性和易擴展性，又有著(zhù)IPC的強大運算/處理能力和較高的實(shí)時(shí)性及開(kāi)放性。

   在硬件結構方面，它兼具了PC機采用高性能 CPU及大容量存儲單元和PLC采用模塊式結構的優(yōu)點(diǎn)。PCC具有全模塊式的插裝結構，在現場(chǎng)可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模塊結構緊湊，體積小巧，接線(xiàn)端子密集，而且在模塊供電及工作狀態(tài)顯示等諸多方面有著(zhù)完善、精巧的設計。

   3.1.1 強大的系統能力和極高的處理速度

   （1）高性能、全開(kāi)放、集成化的CPU

   貝加萊的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三個(gè)系列，貝加萊2007年推出的X20系列PCC當前已成為高精度機械自動(dòng)化和高可靠性過(guò)程自動(dòng)化等復雜、靈活自動(dòng)化任務(wù)的通用選擇。

   X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 處理器技術(shù)，采用Runtime實(shí)時(shí)操作系統，秉承了貝加萊PCC的定性分時(shí)多任務(wù)的控制特點(diǎn)，可采用符合IEC61131-3標準的多種工程編程語(yǔ)言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級語(yǔ)言編程。

  PCC為工業(yè)現場(chǎng)的各種信號和應用提供了多種專(zhuān)用模塊和功能模塊，用戶(hù)可根據需要對應用系統的I/O通道進(jìn)行數十點(diǎn)、數百點(diǎn)乃至數千點(diǎn)的擴展與聯(lián)網(wǎng)。

   X20 CPU的主板集成了多種通信接口，包括RS232、標準以太網(wǎng)接口TCP/IP、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)接口Ethernet POWERLINK、2個(gè)USB。采用可插卡式的CF卡作為存儲介質(zhì)，最大存儲容量可達8GB。HHHHX2 0 CPU具有極高的開(kāi)放性， 可配置的通信模塊包括了Ethernet POWERLINK、Profibus-DP、CAN、CANopen、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便擴展和兼容各種目前市場(chǎng)上主流的現場(chǎng)總線(xiàn)，體現其開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )架構。CP3486主板具有三個(gè)通信模塊接口。

    （2）CPU的多處理器結構和極高的系統響應速度

   系統的響應速度不僅由CPU決定，還與I/O數據的傳輸速率有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時(shí)還借用大型計算機的結構，采用I/O-處理器單獨處理I/O數據傳輸，采用DPR-Controller雙向口控制器負責網(wǎng)絡(luò )及系統的管理，它還含有一個(gè)獨立的時(shí)間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負荷的前提下能高速處理簡(jiǎn)單或復雜的定時(shí)任務(wù)。也就是說(shuō)，一個(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，它們既各自獨立而又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)系統的速度。

   CP3486是X20 CPU系列中性能最高的產(chǎn)品，采用了IntelCeleron 650 處理器及附加的I/O 處理器和浮點(diǎn)處理器FPU。系統的單步指令處理周期最快可達到0.01μs，單個(gè)工作任務(wù)循環(huán)周期可達200μs。

   （3）強大的數據通訊功能

   PCC在遠程通信方面的靈活性，是區別于常規PLC的另一顯著(zhù)標志，貝加萊為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除已提到的各種開(kāi)放式現場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )方案之外，PCC還提供了多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，用戶(hù)不僅可以采用貝加萊的獨有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，也可以方便地與其他廠(chǎng)家的PLC或其他工控設備聯(lián)網(wǎng)通信(如SIEMENS、羅克韋爾 AB、施耐德Modicon等)，在一些特殊情況下，PCC還為用戶(hù)提供了創(chuàng )建自定義協(xié)議的幀驅動(dòng)（Frame drive）工具。特別值得一提的是Ethernet POWERLINK網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，這是2001年貝加萊公司當競爭對手還在討論實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)概念的時(shí)候，便在全球第一次推出實(shí)用化的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò )，這也是全球第一個(gè)開(kāi)放的安全級（SIL3）實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。2007年初該公司又發(fā)布了千兆級實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢，PCC常常能輕松地實(shí)現與各種不同產(chǎn)品，不同通信協(xié)議的高效互聯(lián)。
   
                  
                圖4 實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK構成的多用途通信網(wǎng)絡(luò )

   3.1.2 分時(shí)多任務(wù)操作系統理念和多樣化的應用程序設計手段常規PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監控程序（某些高檔的PLC除外）來(lái)處理程序本身的邏輯運算指令及對外部I/O通道的狀態(tài)采集與刷新，整個(gè)應用程序被包含在一個(gè)循環(huán)周期內。但在一個(gè)控制系統中，雖然有一些工藝量對實(shí)時(shí)性的要求很高，但同時(shí)卻有更多的工藝量對實(shí)時(shí)性沒(méi)有特殊的要求，如果采用同樣的刷新速度來(lái)處理它們其實(shí)是對系統資源的浪費，而且循環(huán)掃描的運行機制也導致了系統的處理周期主要取決于應用程序的大小。而PCC系統最大的特點(diǎn)就在于其引入了Runtime定性分時(shí)多任務(wù)操作系統理念，并輔之以多樣化的應用軟件設計手段。應用程序可以按照工藝功能和優(yōu)先級的不同分別設置成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級別，并可根據要求自行設定任務(wù)的循環(huán)時(shí)間，使得應用任務(wù)的循環(huán)周期與程序長(cháng)短無(wú)關(guān)，滿(mǎn)足了真正實(shí)時(shí)控制的要求?；诜謺r(shí)多任務(wù)操作系統，PCC的應用程序可分為多個(gè)獨立的任務(wù)模塊分別進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這種模塊化程序設計思想，帶來(lái)了項目開(kāi)發(fā)效率的提高。

   3.1.3 軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及靈活的軟件開(kāi)發(fā)方式

   （1）集成化軟件開(kāi)發(fā)工具Automation Studio

   PCC的編程組態(tài)軟件采用Automation Studio集成化軟件工具，基于同一個(gè)軟件平臺，全部解決整個(gè)自動(dòng)化項目的集成。在該軟件平臺中同時(shí)集成了觸摸屏畫(huà)面組態(tài)、PCC編程調試、伺服驅動(dòng)器編程、離線(xiàn)與在線(xiàn)仿真測試等豐富的軟件開(kāi)發(fā)功能，從而可以大大地提高項目的開(kāi)發(fā)效率。

   （2）靈活的軟件開(kāi)發(fā)方式

    除編制和組態(tài)應用程序以外，它還能提供源程序級的單步、斷點(diǎn)、單周期及PCC在線(xiàn)錯誤自診斷等多種形式的調試手段，使應用程序的開(kāi)發(fā)十分靈活便捷。另外，通過(guò)開(kāi)發(fā)軟件包所提供的多種函數，用戶(hù)可在短時(shí)間內編制出高效而復雜的控制程序。Automation Studio適用所有符合IEC 61131-3標準的編程語(yǔ)言，包括梯形圖（LAD）、指令表（IL）、結構文本（ST）、順序功能圖（SFC），具有數據模塊編輯器和數據類(lèi)型編輯器。同時(shí)也可采用B&R Automation Basic™ 和ANSI-C高級語(yǔ)言編程，實(shí)現混合編程模式。此外，它還擁有一個(gè)豐富的函數庫，無(wú)論是簡(jiǎn)單的邏輯和數學(xué)運算，還是通訊協(xié)議的編寫(xiě)和復雜的控制算法，都可作為標準的功能塊集成在A(yíng)utomation Studio中，還可創(chuàng )建和管理自定義的功能塊， 從而較易實(shí)現復雜的數學(xué)運算功能和過(guò)程控制算法。

    3.2 系統分層及其配置模式

   樓宇自動(dòng)化系統基本可分為三個(gè)層面：管理層、控制層和現場(chǎng)層。 一般來(lái)說(shuō)，控制層和現場(chǎng)層可以合并為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )層面。

   3.2.1 管理層

    該樓宇自動(dòng)化系統的管理層主要由1臺管理系統服務(wù)器、（若干臺）監控管理操作站（PC機）、1臺工程師站（PC機）、（若干臺）X20 CPU的CP3486主板上集成的標準以太網(wǎng)接口TCP/IP、以太網(wǎng)交換機以及以太網(wǎng)（Ethernet TCP/IP）構成， 如圖5所示。

   為了保證整個(gè)系統是開(kāi)放和模塊式的，對主站監控軟件也提出了開(kāi)方式的要求。筆者推薦的軟件有B&R的WISIWIN、澳大利亞CIT公司的CITEC以及美國 GENSYM 的G2。
         
                      
                                    圖5  管理層架構

   3.2.2 控制與現場(chǎng)層

   控制與現場(chǎng)層由當今最流行的X20 PCC的CPU（含本地I/O）及其通信接口（或總線(xiàn)通信模塊）、遠程分布式I/O模塊以及支持它們通信的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )構成。該層的網(wǎng)絡(luò )配置主要有以下三種模式， 即貝加萊通常采用的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)EthernetPOWERLINK、Profi bus-DP和 CANopen總線(xiàn)。

   X20分布式控制的設計理念，不僅是一整套完整的控制系統，而且還可以使用CANopen、Ethernet POWERLINK 、X2X、Profibus-DP等現場(chǎng)總線(xiàn)把遠程分布式I/O模塊方便地連接起來(lái)；使傳統的控制技術(shù)和分布式I/O技術(shù)完美地實(shí)現了結合。每個(gè)分布式底板之間，在不需任何中繼轉換器的情況下，采用X2X通信總線(xiàn)，其傳輸距離最大可達到100m，速率可達12MHz，并支持253個(gè)I/O站。采用銅制雙絞線(xiàn)作為站間X2X link的通信介質(zhì)，可實(shí)現最大限度的抗干擾。圖6、圖7和圖8分別示出了這幾種現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的配置方式。
             
                      
                          圖6  Ethernet POWERLINK 網(wǎng)絡(luò )   

                    
                              圖7  Profibus-DP  

           
                     

                             圖8 CANopen網(wǎng)絡(luò )
 
   需要指出的是，貝加萊的PCC 產(chǎn)品無(wú)論在硬件還是軟件上都是兼容的，硬件的模塊化理念也從根本上保證了這種系統配置的靈活性。只有靈活的結構才能適應分期擴展以及系統更新的要求。系統的響應速度不僅由CPU決定，還與I/O數據的傳輸速率有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時(shí)還借用大型計算機的結構，采用I/O-處理器單獨處理I/O數據傳輸，采用DPR-Controller雙向口控制器負責網(wǎng)絡(luò )及系統的管理，它還含有一個(gè)獨立的時(shí)間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負荷的前提下能高速處理簡(jiǎn)單或復雜的定時(shí)任務(wù)。也就是說(shuō)，一個(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，它們既各自獨立而又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)系統的速度。

   4 貝加萊新型樓宇自控系統分析

   4.1 簡(jiǎn)潔性與可靠性

   貝加萊新型的樓宇自控系統從以下三個(gè)方面保證了系統的簡(jiǎn)潔性：

    （1）變配電監控子系統使用交流采樣手段貝加萊的智能型I/O模塊使得I/O模塊不但具備高速采樣能力，而且還具備分析運算能力。 這一技術(shù)的應用可以省掉大量的電量變送器，使得電流電壓信號直接通過(guò)CT/PT環(huán)送到系統同等采用模塊。該采樣速度基本為32點(diǎn)-200點(diǎn)/周期，電量的測量精度達到0.5級以上。

   （2）現場(chǎng)總線(xiàn)的拓撲結構

   現場(chǎng)總線(xiàn)的應用使得I/O子站可以緊靠傳感器與執行機構，大大減少了控制系統的布線(xiàn)量。

    （3）多用途的匯線(xiàn)端子B&R2003系統小巧靈活，非常適合于用作遠程I/O子站。其端子板既能作為匯線(xiàn)用，又可作為I/O模塊的供電用，由此專(zhuān)用的端子排便可省略。系統的簡(jiǎn)潔不僅提高了其可靠性， 而且還節省了系統的造價(jià)。

    4.2 樓宇自動(dòng)化與消防子系統的結合

    在中國可以找到多家消防產(chǎn)品供應商，其先進(jìn)性和可靠性主要表現在報警方面，但控制方式不完全符合中國消防規范。貝加萊系統成功地解決了與消防監控的專(zhuān)用接口問(wèn)題，無(wú)論從軟件還是硬件角度而言，都能使樓宇自控和消防設備實(shí)現了統一設計、統一施工、 統一編程，真正解決了樓宇自控管理安全和消防問(wèn)題。

    4.3 智能性表現

    縱觀(guān)國內眾多智能大廈，常常會(huì )發(fā)現如下的問(wèn)題：

    （1）中標廠(chǎng)家從系統的配置上不能保證自動(dòng)化管理的完美實(shí)現；

   （2）一個(gè)好的方案往往通過(guò)多級承包商的層層盤(pán)剝，最后因費用大大縮水只好因陋就簡(jiǎn)；

   （3）底層控制思想的實(shí)現或者說(shuō)控制軟件的二次開(kāi)發(fā)做得不夠。

    一個(gè)大廈系統的智能性正好應該表現在上述的三個(gè)方面。

    如果系統配置從結構上不能保證控制和管理的思想的實(shí)現，那么其它的就無(wú)從談起。但假如硬件條件本身已具備，卻不去做深層的二次開(kāi)發(fā)工作，僅在主站上配置那些漂亮的畫(huà)面，智能性的體現也屬枉然。

   貝加萊的系統由于提供了多任務(wù)分時(shí)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，二次開(kāi)發(fā)的工作實(shí)施起來(lái)易如反掌。同時(shí)該系統的開(kāi)放性結構也是智能性保證的前提。

    5 結語(yǔ)

    一座大廈往往既是工作環(huán)境又是生活環(huán)境， 因此BA系統必須從可靠實(shí)用的角度出發(fā)，踏踏實(shí)實(shí)地在項目實(shí)施過(guò)程中做好二次開(kāi)發(fā)，諸如通過(guò)窗戶(hù)上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)控制空調系統的關(guān)閉，此類(lèi)細節都需要二次開(kāi)發(fā)做工作。當然，工程的操作方式也是十分重要的，質(zhì)量監督應當是一個(gè)重要的手段。

    何為面向未來(lái)的系統? 這樣一個(gè)系統須具備如下特點(diǎn)：

    （1）硬件要具備先進(jìn)性，未來(lái)的新系統必須與現系統兼容；

    （2）軟件平臺要采用具有生命力的系統， 以保證將來(lái)軟件的升級；

    （3）系統須具備良好的開(kāi)放性；

    （4）系統須具備好的擴展性。

    貝加萊的智能型樓宇自動(dòng)化系統在開(kāi)發(fā)之初便對這些問(wèn)題做了細致的研究并將計劃付諸于實(shí)施?？傊?，一個(gè)好的BA系統的操作和管理實(shí)際上不單純是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題， 同時(shí)還是一個(gè)社會(huì )問(wèn)題。 

    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第十二期