1 Introducción
El sistema de automatización de edificios, también conocido como sistema de automatización de edificios (BAS), es una parte integral de los edificios inteligentes. Su misión es monitorear y controlar el uso de energía, el medio ambiente, el tráfico y las instalaciones de seguridad dentro de los edificios para proporcionar un ambiente de trabajo o de vida seguro, confiable, cómodo y que ahorre energía.
2 La composición y funciones básicas de los sistemas de automatización de edificios
Los sistemas de automatización de equipos de edificios suelen incluir calefacción, ventilación, suministro y drenaje de agua, suministro y distribución de energía, iluminación, ascensores, protección contra incendios. , seguridad y otros subsistemas. Según los estándares de la industria de mi país, BAS se puede dividir en subsistemas de monitoreo y gestión de operación de equipos y subsistemas de prevención de seguridad y protección contra incendios, como se muestra en la figura. En términos generales, un BAS debería considerar ambos subsistemas. Si el subsistema de prevención de seguridad contra incendios se configura de forma independiente, también se debe establecer comunicación con el centro de monitoreo de BAS para que cuando ocurra un desastre, se puedan transferir los derechos de operación de acuerdo con el acuerdo y se pueda llevar a cabo una coordinación y control integral.
Las funciones básicas del sistema de automatización de equipos de edificios se pueden resumir de la siguiente manera:
(1) Supervisar y controlar automáticamente el inicio y la parada de diversos equipos electromecánicos, y mostrar o imprimir el estado operativo actual.
(2) Detecta, muestra e imprime automáticamente los parámetros operativos de varios equipos electromecánicos y sus tendencias cambiantes o datos históricos.
(3) Ajusta automáticamente varios equipos según las condiciones externas, factores ambientales y cambios de carga, para que siempre funcionen en las mejores condiciones.
(4) Monitorear y manejar diversos accidentes y emergencias de manera oportuna.
(5) Realizar una gestión unificada y control coordinado de diversos equipos electromecánicos del edificio.
(6) Gestión de la energía: medición y carga de agua, electricidad y gas para realizar la automatización de la gestión de la energía.
(7) Gestión de equipos: incluye archivos de equipos, informes de operación de equipos y gestión de mantenimiento de equipos.
3 Principios de los sistemas de control de automatización de edificios
El sistema de control de edificios es un sistema de control informático distribuido basado en la teoría de control moderna, también llamado sistema de control distribuido (DCS para abreviar). Se caracteriza por "gestión centralizada, control descentralizado", es decir, el dispositivo de control por microcomputadora (DDC) distribuido en el sitio del equipo controlado completa las tareas de detección y control en tiempo real del equipo controlado, superando los peligros de alta concentración. Control centralizado por computadora. Inadecuación y limitaciones de las funciones de control de instrumentos convencionales. La computadora de administración central instalada en la sala de control central tiene pantalla CRT, impresión, administración de software enriquecido y potentes funciones de comunicación digital. Puede completar tareas como operación centralizada, visualización, alarma, impresión y control optimizado, evitando la necesidad de control de instrumentos convencionales. para ser dispersado Las deficiencias de la dificultad en el contacto persona-máquina y la gestión unificada garantizan que el equipo funcione de la mejor manera.
A continuación se presentan varios conceptos relacionados con los sistemas de control distribuido.
3.l Sistema de control digital directo (DDC)
El sistema de control digital directo (DDC para abreviar) se muestra en la Figura 2. La computadora recopila datos en tiempo real a través del canal de entrada analógica (AI) y el canal de entrada de conmutación (DI), luego realiza cálculos de acuerdo con ciertas reglas y finalmente envía una señal de control, que se controla directamente a través del canal de salida analógica (AO ) y cambio de canal de salida (DO). Por tanto, el sistema DDC es un sistema de control de circuito cerrado y la aplicación más común de las computadoras en la producción industrial.
La computadora del sistema DDC realiza directamente la tarea de control, por lo que requiere un buen rendimiento en tiempo real, alta confiabilidad y gran adaptabilidad.
3.1.1 Composición del sistema de control digital directo
El sistema de control digital directo consta principalmente de tres partes: canal de entrada del proceso, computadora de control del proceso y canal de salida del proceso.
El canal de entrada de proceso consta de entrada analógica y entrada digital. El canal de entrada analógica consta de un transmisor, un interruptor de muestreo, un amplificador, un convertidor A/D y un circuito de interfaz. Entre ellos, la función del transmisor es convertir señales no eléctricas en señales eléctricas estándar. Puede convertir la temperatura, la presión y el flujo en señales de CC de 0-10 mA o 4-20 mA, lo cual se realiza a través de un convertidor A/D.
El canal de entrada digital consta de contactos de interruptor, fotoacopladores y circuitos de interfaz. La señal de contacto que refleja el estado de encendido/apagado del proceso de producción se convierte en una señal digital a través del acoplador fotoeléctrico y el circuito de interfaz y se envía a la computadora.
El ordenador de control de procesos realiza directamente las tareas de operación y control. Primero recopila varias señales de parámetros del objeto controlado a través del canal de entrada del proceso, luego realiza cálculos de acuerdo con reglas de control predeterminadas (como PID), luego envía señales de control al objeto controlado y luego controla directamente actuadores como válvulas reguladoras a través del canal de salida.
El canal de salida de proceso consta de salida analógica y salida digital. El primero convierte la señal de control digital emitida por la computadora en una señal analógica de voltaje o corriente, y luego acciona actuadores como válvulas reguladoras a través de un amplificador para controlar el proceso de producción. Esta parte consta de un circuito de interfaz, un convertidor D/A, un amplificador y un actuador. Este último es controlado por la computadora a través de la señal de conmutación emitida por el amplificador, que acciona la válvula solenoide y el actuador de relé. El amplificador se compone de dispositivos de interfaz, acopladores fotoeléctricos, amplificadores y actuadores.
3.1.2 Algoritmo básico del sistema de control digital directo
El control basado en la proporción (P), integral (I) y diferencial (D) de la desviación es una tecnología madura en Sistemas continuos, la ley básica más utilizada. Al discretizar la ley de control PID e implementarla en una computadora, la tecnología madura acumulada se puede utilizar fácilmente cuando el modelo matemático o los parámetros del objeto controlado no están claros, se pueden lograr resultados satisfactorios mediante el ajuste en línea. Por lo tanto, el algoritmo PID digital que discretiza la ley de regulación analógica ha sido ampliamente adoptado por los sistemas de control informático de procesos industriales y se ha convertido en el algoritmo básico de los sistemas DDC.
Algoritmo de control PID digital, la fórmula PID ideal del regulador analógico es
donde e(t)-desviación (la diferencia entre el valor establecido y el valor de salida real)
p>
u(t)-Cantidad de control
KP-Coeficiente de amplificación proporcional
Constante de tiempo integral Ti
TD-Diferencial constante de tiempo
Escrita en forma de función de transferencia
Para poder implementarse en una computadora, la forma continua de ecuaciones diferenciales debe convertirse en una forma discreta de ecuaciones en diferencias. Sea el período de muestreo (T es lo suficientemente pequeño en comparación con la constante de tiempo del sistema), K es el número de muestreo (k = 0, 1, 2,...), y el producto se puede calcular usando el método rectangular, usando diferencial en lugar de diferencial.
Donde e(k) es el valor de desviación obtenido del k-ésimo muestreo.
e(k-1): el valor de desviación obtenido del muestreo (k-1).
u(k)-La cantidad de control en el momento k.
Cuanto menor sea el período de muestreo t en la fórmula anterior (en comparación con la constante de tiempo del sistema), más cerca estará el proceso controlado de un proceso de control continuo, también conocido como "control cuasi continuo".
3.2 Arquitectura del sistema de control distribuido
El sistema de control distribuido (DCS) apareció a mediados de la década de 1970 y se desarrolló rápidamente. Integra tecnología informática, tecnología de control, tecnología de visualización gráfica y tecnología de comunicación, y puede controlar equipos dispersos en el sitio para facilitar la gestión y operación centralizadas. En comparación con los sistemas de control anteriores, no sólo evita las deficiencias del control centralizado mediante una sola computadora, sino que también supera las deficiencias de la difícil interacción persona-computadora con instrumentos convencionales.
Muchas microcomputadoras en el sistema de control descentralizado reemplazan una sola computadora en el sistema de control centralizado, lo que dispersa estructuralmente los riesgos y mejora la confiabilidad. Su estructura y funciones básicas se muestran en la Figura 3, en la que la estación de control en sitio, la estación de adquisición de datos, la estación de ingeniero, la estación de operador, la computadora de monitoreo y la computadora de administración se combinan orgánicamente a través de la red de comunicación de datos para formar un sistema de control distribuido jerárquico. .
3.2.1 Red de comunicación de datos del sistema de control distribuido
La red de comunicación de datos es la columna vertebral del sistema de control distribuido. La estructura de todo el sistema de control distribuido es esencialmente una estructura de red. La estación de control en sitio, la estación de adquisición de datos, la estación de ingeniero, la estación de operador y la computadora de monitoreo son todos "nodos" en esta red, incluidas la CPU y las interfaces de red. Todos tienen su propia dirección de red específica (número de nodo) y pueden enviar y recibir datos a través de la red. Todos los nodos de la red tienen el mismo estatus, comparten recursos y son independientes entre sí, formando un comando unificado.
También hace que la estructura funcional de riesgo disperso y el área de arquitectura de red sean altamente flexibles y escalables, lo que puede satisfacer las necesidades de expansión y actualización del sistema de control distribuido y es muy flexible y conveniente.
(1) Características de la red de control La red de comunicación del sistema de control distribuido es diferente de la red informática general. En comparación con las redes de comunicación generales, tiene los siguientes requisitos especiales: ① Alta confiabilidad y seguridad, y la información transmitida es absolutamente precisa y confiable. Por ello, a menudo se utilizan técnicas de redundancia, medidas de respaldo y funciones de autodiagnóstico. Por ejemplo, la estación de control utiliza placas de CPU duales y placas de E/S duales. ②Buen rendimiento en tiempo real. ③Fuerte adaptabilidad al medio ambiente.
(2) Topología de red: la red de bus y la red en anillo son redes de uso común en sistemas de automatización de maquinaria de ingeniería. En ambas estructuras, dos nodos cualesquiera pueden comunicarse directamente a través de la red y todos los nodos están en igualdad de condiciones.
(3) El protocolo de comunicación de red constituye el sistema de automatización de equipos de construcción. Debe haber un lenguaje de trabajo que todos puedan aceptar y cumplir para realizar el diálogo entre ellos.
El protocolo BACnet de la red de control de automatización de edificios consta de la capa física, la capa de enlace de datos, la capa de red y la capa de aplicación, o es equivalente a los protocolos de primera, segunda, tercera y séptima capa de OSI.
Entre ellos, ARCnet es una red de bus de token con una velocidad de transmisión de datos de 2,5 a 20 bits/s y un buen rendimiento en tiempo real. Ms/TP es un token maestro/esclavo que pasa tecnología de capa de enlace de datos que permite el uso de hardware EIA-485. BACnet implementa la tecnología de comunicación entre sistemas de control automático de diferentes fabricantes, es decir, la tecnología de interconexión de una "isla aislada" a otra "isla aislada".
3.2.2 Aplicación de la tecnología de bus de campo: mayor descentralización de los sistemas de control descentralizados
Descripción general del bus de campo (1) Fieldbus es una transmisión digital bidireccional que conecta dispositivos de campo inteligentes y sistemas de automatización y redes de comunicación multirama. Los diferentes buses de campo siguen diferentes protocolos y estándares de interfaz y tienen sus propias características. La tecnología Fieldbus tiene las siguientes características: ① Reemplazar señales analógicas de 4-20 mA con señales digitales mejora en gran medida la precisión y confiabilidad de la conversión de señales, por lo que el bus de campo tiene un rendimiento de alto costo. ② Fieldbus conecta instrumentos inteligentes (sensores inteligentes y actuadores inteligentes) en el sitio del equipo en una red, dispersando las funciones de control, alarma y análisis de tendencias a los instrumentos de campo, descentralizando aún más la estructura de control y generando cambios en la arquitectura del sistema de control. (3) Los instrumentos y equipos de diferentes fabricantes que cumplen con el mismo estándar de bus de campo se pueden conectar a Internet para lograr la interoperabilidad, y también se pueden interconectar diferentes estándares a través de puertas de enlace o enrutadores. El sistema de control Fieldbus es un sistema abierto.
(2)Tecnología LonWorks
LonWorks es una tecnología de red de operación local (LON) completamente distribuida. Los nodos de red LonWorks están compuestos por chips neuronales, transceptores, firmware y circuitos de interfaz de E/S. El nodo inteligente toma Neuronchip como núcleo y consta de un procesador de control de acceso a medios, un procesador de red y un procesador de aplicaciones, lo que permite al nodo no solo gestionar las comunicaciones de red, sino también tener funciones de control. Diagrama de bloques del chip neuronal.
El firmware está conectado al chip e implementa el protocolo de comunicación LonTalk y la programación de todas las tareas. El protocolo LonTalk sigue el modelo de referencia de interconexión abierta OSI propuesto por ISO y tiene un protocolo completo de siete capas, que gestiona la comunicación de los nodos de la red, asigna direcciones de nodos, ejecuta algoritmos integrados para evitar conflictos/detección y controla las conexiones físicas/eléctricas.
El chip neuronal no solo tiene funciones de control, sino que también tiene un procesador de control de acceso a medios y un procesador de red. El protocolo LonTalk está solidificado en la ROM del chip, lo que convierte al micronodo LonWorks en un modo de control totalmente distribuido que no requiere una estructura central, y las funciones de control se distribuyen a instrumentos a nivel de campo.
La red LonWorks puede utilizar par trenzado, línea eléctrica, cable coaxial, cable óptico, radio, infrarrojos y otros medios de comunicación, y proporciona transceptores adecuados para los medios anteriores, de modo que se puedan transmitir señales en la misma red. en diferentes transmisiones entre medios, por lo que se pueden organizar redes según demanda y se pueden conectar diferentes medios a través de enrutadores.
LonMark es un estándar de la industria para evitar que muchos fabricantes interpreten la tecnología LonWorks con significados diferentes y para garantizar que diferentes productos se puedan integrar fácilmente para formar un sistema verdaderamente abierto.
(3) Mayor descentralización de los sistemas de control distribuido
El sistema de control distribuido tradicional sigue siendo una estructura centralizada a nivel de estación de control de campo, mientras que el sistema de control distribuido actual se basa en la original Un nuevo sistema desarrollado sobre la base de sistemas de control distribuido y sistemas de automatización de equipos de construcción que utilizan el bus de campo LonWorks. La LAN estándar es un sistema de control distribuido original que utiliza el protocolo BACnet para facilitar el intercambio de información de comunicación entre diferentes subsistemas de múltiples proveedores y conectar islas aisladas con funciones de control en un todo. El bus de campo LonWorks recientemente agregado utiliza el protocolo LonTalk para distribuir aún más las funciones de control a los instrumentos de nivel de campo, y el enrutador entre la LAN estándar y el bus de campo está conectado. De esta manera, BACnet y LonMark se complementan y dependen uno del otro para formar un sistema de automatización de equipos de construcción completamente descentralizado y verdaderamente abierto.
4 Historia del desarrollo de los equipos del sistema de automatización de edificios e introducción de productos relacionados
El sistema de automatización de equipos de edificios ha experimentado hasta ahora cuatro generaciones de productos:
La primera generación : Sistema de monitoreo central CCMS (producto de la década de 1970)
BAS ha evolucionado de un sistema de instrumentos a un sistema informático. La estación central consta de un teclado de computadora y un CRT, y el instrumento de registro se reemplaza por una impresora. Las estaciones de recopilación de información DGP (conectadas a sensores y actuadores) repartidas por el edificio están conectadas a la estación central a través del bus para formar un sistema de automatización de monitoreo central. La función de la subestación DGP es únicamente cargar información del dispositivo de campo y emitir comandos de control desde la estación central. Un ordenador central controla todo el sistema. La estación central recopila información de cada subestación, toma decisiones y completa el control de todos los equipos. La estación central completa el control y ajuste del ahorro de energía basándose en la información recopilada y los datos de medición de energía.
Segunda generación: sistema de control distribuido DCS (producto de la década de 1980)
Con el desarrollo de la tecnología de microprocesadores y la reducción de costos, las subestaciones DGP instalaron CPU y se desarrollaron en controladores digitales directosDDC. La subestación DDC está equipada con un chip de microprocesador que puede completar de forma independiente todo el trabajo de control. Tiene funciones completas de control y visualización, gestión de ahorro de energía, se puede conectar a una impresora y puede instalar una interfaz hombre-máquina. BAS consta de cuatro niveles: sitio, subestación, estación central y sistema de gestión. La característica principal del sistema distribuido es que solo hay dos formas de contacto. La estación central completa el monitoreo y las subestaciones son completamente autónomas y no tienen nada que ver con la estación central, lo que garantiza la confiabilidad del sistema.
Tercera generación: sistema distribuido abierto (producto de la década de 1990)
Con el desarrollo de la tecnología de bus de campo, las subestaciones DDC se conectan a los módulos de entrada y salida de sensores y actuadores El LON. El bus de campo se utiliza para formar una capa de red de campo de entrada y salida distribuida desde el interior hasta el sitio del equipo, lo que hace que la configuración del sistema sea más flexible. Debido a la apertura de la tecnología LonWorks, la subestación tiene un cierto grado de apertura. La red de control BAS forma una estructura de tres capas, a saber, la capa de gestión (estación central), la capa de automatización (subestación DDC) y la capa de red de campo (LON).
Cuarta generación: sistema integrado de red (producto del siglo XXI)
Con el establecimiento de la Intranet, los sistemas de automatización de equipos de construcción inevitablemente adoptarán la tecnología web y se esforzarán por ocupar una posición de liderazgo en las redes empresariales. posición importante. La estación central BAS está integrada en un servidor web, integra funciones web y utiliza páginas web como modo de trabajo, lo que convierte a BAS e Intranet en un sistema integrado.
El sistema de integración de red (EDI) es un sistema de automatización de equipos de edificios que utiliza tecnología web. Dispone de un conjunto de software de gestión, que incluye sistemas de seguridad, sistemas de equipos electromecánicos y sistemas de protección contra incendios.
El sistema EBI proporciona una variedad de tecnologías abiertas completas para satisfacer las necesidades de diferentes niveles, logrando la integración en todos los niveles, desde el nivel de campo, el nivel de automatización hasta el nivel de gestión. El sistema EBI completa la integración del sistema de gestión y del sistema de control. El diagrama de estructura del sistema de integración de red se muestra en la Figura 7.
En la actualidad, las empresas proveedoras de equipos de construcción de gran escala y gran influencia incluyen Honeywell, Johnson Company, KMC y Siemens de Alemania.
5 Conclusión
La tecnología de control de automatización de edificios sigue siendo un campo técnico nuevo en China. Con la aparición de edificios más inteligentes, se irán añadiendo tecnologías más avanzadas a este campo, haciendo que esta tecnología sea más madura y perfecta.
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