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案例頻道 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，造成這個局面的主要原因是目前空調系統中的相當一部分既未實現智能化，也不節能。對于一座大樓的自動化系統的結構及其分類眾說紛紜， 3A、5A、 或 xA，其實多少個A 并不十分重要，無非是一種系統歸類劃分的名稱問題。重要的是， 樓宇自動化系統中的功能是否能得到完美的實現，樓宇自動化的根本目的是：使復雜的問題簡單化、使樓宇功能多樣化、 使物業運作安全可靠、使生活環境舒適化，并實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介
2.1 貝加萊樓宇自控系統的監控管理對象
隨著高層建筑的大型化和多功能化，其服務項目不斷增加，機電設備種類逐漸增多， 技術性能也日趨復雜，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和數據通信技術對樓宇進行監控和管理，已成為現代高層建筑的技術基礎。 樓宇自控系統的監控管理對象一般來說應包括以下幾個方面，如圖1所示。
空調及通風系統
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
停車場導引系統
消防系統
三表自動抄送計費系統
在中國由于對消防有著特殊的規定和約束，消防系統既可以作為BA的一個特殊子系統，也可以單獨列為消防自動化系統——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、壓差開關、流量開關， 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狀結構圖貝
控制執行元件包括：繼電器、電動調節器、電動閥門及其執行器等。
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， 實現系統分布式控制的網絡架構主要由實時工業以太網Ethernet POWERLINK及其它現場總線構成。
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狀結構圖如圖1所示。
2.3 貝加萊樓宇自控系統的特點
作為自動化技術領域的全球性領導廠商，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。 縱觀這些樓宇自動化系統，可以總結出如下所述的一些共同特點：
（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環境中；
（2）B&R樓宇自控系統強調實用的特點，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、供配電綜合自動化系統、給排水系統和溫度/濕度控制、三表自動抄表與計費、消防、安全報警、電梯和停車場監控等主要子系統；
（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，不會影響系統其它部分正常運行。
2.4 貝加萊面向未來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和經驗，并分析了中國市場上各家系統長、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的概念，充分體現了可靠、智能、節能以及舒適的基本特點。
3 PCC主控系統
3.1 可編程計算機控制器（PCC）的特點與優勢來體現的。自從世界上第一臺PLC于1969年在美國DEC公司誕生以來， 隨著計算機技術的飛速發展，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的優點，既具有PLC的高可靠性和易擴展性，又有著IPC的強大運算/處理能力和較高的實時性及開放性。
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點。PCC具有全模塊式的插裝結構，在現場可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模塊結構緊湊，體積小巧，接線端子密集，而且在模塊供電及工作狀態顯示等諸多方面有著完善、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、全開放、集成化的CPU
貝加萊的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三個系列，貝加萊2007年推出的X20系列PCC當前已成為高精度機械自動化和高可靠性過程自動化等復雜、靈活自動化任務的通用選擇。
X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 處理器技術，采用Runtime實時操作系統，秉承了貝加萊PCC的定性分時多任務的控制特點，可采用符合IEC61131-3標準的多種工程編程語言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級語言編程。
PCC為工業現場的各種信號和應用提供了多種專用模塊和功能模塊，用戶可根據需要對應用系統的I/O通道進行數十點、數百點乃至數千點的擴展與聯網。
X20 CPU的主板集成了多種通信接口，包括RS232、標準以太網接口TCP/IP、實時工業以太網接口Ethernet POWERLINK、2個USB。采用可插卡式的CF卡作為存儲介質，最大存儲容量可達8GB。HHHHX2 0 CPU具有極高的開放性， 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上主流的現場總線，體現其開放式的網絡架構。CP3486主板具有三個通信模塊接口。
（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。PCC的主CPU本身速度極快，同時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絡及系統的管理，它還含有一個獨立的時間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負荷的前提下能高速處理簡單或復雜的定時任務。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，它們既各自獨立而又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。
CP3486是X20 CPU系列中性能最高的產品，采用了IntelCeleron 650 處理器及附加的I/O 處理器和浮點處理器FPU。系統的單步指令處理周期最快可達到0.01μs，單個工作任務循環周期可達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。除已提到的各種開放式現場總線的網絡方案之外，PCC還提供了多種網絡協議，用戶不僅可以采用貝加萊的獨有網絡協議，也可以方便地與其他廠家的PLC或其他工控設備聯網通信(如SIEMENS、羅克韋爾 AB、施耐德Modicon等)，在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創建自定義協議的幀驅動（Frame drive）工具。特別值得一提的是Ethernet POWERLINK網絡協議，這是2001年貝加萊公司當競爭對手還在討論實時工業以太網概念的時候，便在全球第一次推出實用化的實時工業以太網絡，這也是全球第一個開放的安全級（SIL3）實時工業以太網。2007年初該公司又發布了千兆級實時工業以太網Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由于具備這樣的技術優勢，PCC常常能輕松地實現與各種不同產品，不同通信協議的高效互聯。
圖4 實時工業以太網Ethernet POWERLINK構成的多用途通信網絡
3.1.2 分時多任務操作系統理念和多樣化的應用程序設計手段常規PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序（某些高檔的PLC除外）來處理程序本身的邏輯運算指令及對外部I/O通道的狀態采集與刷新，整個應用程序被包含在一個循環周期內。但在一個控制系統中，雖然有一些工藝量對實時性的要求很高，但同時卻有更多的工藝量對實時性沒有特殊的要求，如果采用同樣的刷新速度來處理它們其實是對系統資源的浪費，而且循環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系統最大的特點就在于其引入了Runtime定性分時多任務操作系統理念，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先級的不同分別設置成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環時間，使得應用任務的循環周期與程序長短無關，滿足了真正實時控制的要求。基于分時多任務操作系統，PCC的應用程序可分為多個獨立的任務模塊分別進行開發，這種模塊化程序設計思想，帶來了項目開發效率的提高。
3.1.3 軟件的集成開發環境及靈活的軟件開發方式
（1）集成化軟件開發工具Automation Studio
PCC的編程組態軟件采用Automation Studio集成化軟件工具，基于同一個軟件平臺，全部解決整個自動化項目的集成。在該軟件平臺中同時集成了觸摸屏畫面組態、PCC編程調試、伺服驅動器編程、離線與在線仿真測試等豐富的軟件開發功能，從而可以大大地提高項目的開發效率。
（2）靈活的軟件開發方式
除編制和組態應用程序以外，它還能提供源程序級的單步、斷點、單周期及PCC在線錯誤自診斷等多種形式的調試手段，使應用程序的開發十分靈活便捷。另外，通過開發軟件包所提供的多種函數，用戶可在短時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型編輯器。同時也可采用B&R Automation Basic™ 和ANSI-C高級語言編程，實現混合編程模式。此外，它還擁有一個豐富的函數庫，無論是簡單的邏輯和數學運算，還是通訊協議的編寫和復雜的控制算法，都可作為標準的功能塊集成在Automation Studio中，還可創建和管理自定義的功能塊， 從而較易實現復雜的數學運算功能和過程控制算法。
3.2 系統分層及其配置模式
樓宇自動化系統基本可分為三個層面：管理層、控制層和現場層。 一般來說，控制層和現場層可以合并為一個網絡層面。
3.2.1 管理層
該樓宇自動化系統的管理層主要由1臺管理系統服務器、（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接口TCP/IP、以太網交換機以及以太網（Ethernet TCP/IP）構成， 如圖5所示。
為了保證整個系統是開放和模塊式的，對主站監控軟件也提出了開方式的要求。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 控制與現場層
控制與現場層由當今最流行的X20 PCC的CPU（含本地I/O）及其通信接口（或總線通信模塊）、遠程分布式I/O模塊以及支持它們通信的現場總線網絡構成。該層的網絡配置主要有以下三種模式， 即貝加萊通常采用的實時工業以太網EthernetPOWERLINK、Profi bus-DP和 CANopen總線。
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等現場總線把遠程分布式I/O模塊方便地連接起來；使傳統的控制技術和分布式I/O技術完美地實現了結合。每個分布式底板之間，在不需任何中繼轉換器的情況下，采用X2X通信總線，其傳輸距離最大可達到100m，速率可達12MHz，并支持253個I/O站。采用銅制雙絞線作為站間X2X link的通信介質，可實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總線網絡的配置方式。
圖6 Ethernet POWERLINK 網絡
圖7 Profibus-DP
圖8 CANopen網絡
需要指出的是，貝加萊的PCC 產品無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。PCC的主CPU本身速度極快，同時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絡及系統的管理，它還含有一個獨立的時間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負荷的前提下能高速處理簡單或復雜的定時任務。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，它們既各自獨立而又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。
4 貝加萊新型樓宇自控系統分析
4.1 簡潔性與可靠性
貝加萊新型的樓宇自控系統從以下三個方面保證了系統的簡潔性：
（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CT/PT環送到系統同等采用模塊。該采樣速度基本為32點-200點/周期，電量的測量精度達到0.5級以上。
（2）現場總線的拓撲結構
現場總線的應用使得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量。
（3）多用途的匯線端子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用，又可作為I/O模塊的供電用，由此專用的端子排便可省略。系統的簡潔不僅提高了其可靠性， 而且還節省了系統的造價。
4.2 樓宇自動化與消防子系統的結合
在中國可以找到多家消防產品供應商，其先進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用接口問題，無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題。
4.3 智能性表現
縱觀國內眾多智能大廈，常常會發現如下的問題：
（1）中標廠家從系統的配置上不能保證自動化管理的完美實現；
（2）一個好的方案往往通過多級承包商的層層盤剝，最后因費用大大縮水只好因陋就簡；
（3）底層控制思想的實現或者說控制軟件的二次開發做得不夠。
一個大廈系統的智能性正好應該表現在上述的三個方面。
如果系統配置從結構上不能保證控制和管理的思想的實現，那么其它的就無從談起。但假如硬件條件本身已具備，卻不去做深層的二次開發工作，僅在主站上配置那些漂亮的畫面，智能性的體現也屬枉然。
貝加萊的系統由于提供了多任務分時的集成開發環境，二次開發的工作實施起來易如反掌。同時該系統的開放性結構也是智能性保證的前提。
5 結語
一座大廈往往既是工作環境又是生活環境， 因此BA系統必須從可靠實用的角度出發，踏踏實實地在項目實施過程中做好二次開發，諸如通過窗戶上的微動開關控制空調系統的關閉，此類細節都需要二次開發做工作。當然，工程的操作方式也是十分重要的，質量監督應當是一個重要的手段。
何為面向未來的系統? 這樣一個系統須具備如下特點：
（1）硬件要具備先進性，未來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， 以保證將來軟件的升級；
（3）系統須具備良好的開放性；
（4）系統須具備好的擴展性。
貝加萊的智能型樓宇自動化系統在開發之初便對這些問題做了細致的研究并將計劃付諸于實施。總之，一個好的BA系統的操作和管理實際上不單純是一個技術問題， 同時還是一個社會問題。
摘自《自動化博覽》2011年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號