樓宇自控基礎
發布時間：2008-04-22 點擊次數：2250次
集散控制系統
圖 2.1
又稱分布式控制系統(DCS—Distributed Control System)，它的特征是“集中管理，分散控制”，即以分布在現場被控設備處的各種功能性微機(下位機)完成被控設備的實時監測、保護與控制。該系統克服了計算機集中控制帶來的危險性高度集中和常規儀表控制功能單一的局限性；以安裝于中央監控室并具有很強的數字通信、CRT顯示、打印輸出與豐富的控制管理軟件功能的中央管理計算機(上位機)完成集中操作、顯示與優化控制功能，避免了因常規儀表分散控制而造成的人機聯系困難，且便于統一管理。
傳感器/控制器群針對水、電、氣、報警、消防等終端設施進行檢測與控制，一般根據監控需求按類或按組控制。對大型DCS，中間還有區域控制中心。
分布式系統將許多臺計算機聯合起來，共同承擔監測與控制管理的工作，所連接的每臺計算機既可以獨立進行監測和控制工作，又可以在中央控制機指導下工作，還可以與其他計算機協調交換信息，共同完成某項控制任務。其靈活性、可靠性要遠高于單臺控制器。
圖 2.2
如圖2.2所示，集散型計算機控制系統主要由四部分構成。
1．中央管理計算機(或稱上位機、中央監控計算機)
中央管理計算機設置在中央監控室內，它將來自現場設備的所有信息數據集中提供給監控人員，并接至室內的顯示設備、記錄設備和報警裝置等。由于中央管理計算機是整個BAS的核心，相當于人的大腦，其重要性是不言而喻的。普通商用個人計算機用作中央控制機顯然是不合理的。一般為了提高計算機的可靠性通常采用兩種方法：
一種是直接采用工業控制 計算機；另一種就是采用容錯計算機。工業控制計算機(也稱IPC)由于采用了特殊的生產工藝和手段,其穩定性是普通商用PC所無法比擬的。而所謂容錯計算機就是采用兩臺普通PC通過互為冗余備份的方法來充當中央控制主機，一旦其中一臺PC出現故障，作為備份的另一臺主機可立刻被專用的總線控制電路啟動，從而不會導致系統癱瘓。
2．DDC(直接數字控制器，亦稱下位機)
DDC作為系統與現場設備的接口，它通過分散設置在被控設備的附近收集來自現場設備的信息，并能獨立監控有關現場設備。它通過數據傳輸線路與中央監控室的中央管理監控計算機保持通信聯系，接受其統一控制與優化管理。
3．通信網絡
中央管理計算機與DDC之間的信息傳送，由數據傳輸線路(通信網絡)實現，較小規模的BAS系統可以簡單地使用屏蔽雙絞線作為傳輸介質。
4．傳感器與執行器
BAS系統的末端為傳感器和執行器，它被裝置在被控設備的傳感(檢測)元件和執行元件上。這些傳感元件如溫度傳感器、相對濕度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器、電流電壓轉換器、液位檢測器、壓差器和水流開關等，將現場檢測到的模擬量信號或數字量信號輸入至DDC，DDC則輸出控制信號傳送給繼電器、調節器等執行元件，對現場被控設備進行控制。
2.1.5 現場總線技術
集散型控制系統還沒有從根本上解決系統內部的通信問題和分布式問題，只是自成封閉系統，以固定集散模式和通信約定構成。因此，這種控制系統還很難適應智能大廈種類繁多的設備檢測和控制要求。近年來，專門為實時控制而設計的、能在控制層提供互操作的現場總線技術逐漸成熟，如著名的LonWorks技術。
現場總線網絡是局域網絡技術在控制領域的延伸和應用，它是將控制系統按局域網絡(LAN)的方式進行構造，用網絡節點代替LAN中的工作站，并將其安裝于監控現場，直接與各種監控傳感器和控制器相連。現場總線網中每個節點間可以實現點到點的信息傳送，具有極其良好的互操作性，這樣便使整個網絡實現了無中心的真正的分布式控制模式。這種網絡集數據采集、分析、控制和網絡通信為一體，十分適合于智能建筑進行分布式網絡管理和控制。近年來，樓宇自動化正
在向著開放系統迅速發展。在實時控制方面，實現可互相操作的現場總線技術的通信協議如LonTalk等也應運而生，為樓宇自動化中的傳感器、執行器和控制器之間的網絡化操作奠定了基礎。
圖 2.3
圖2.3為一典型現場總線系統結構圖。其中，NCU是網絡控制器，NCU與中央管理計算機間以N1總線連接，而NCU與下位機(DDC)之間則以N2總線(現場總線網)相連接。
2.1.6 直接數字控制器
直接數字控制器(DDC—Direct Digital Controller)，又稱下位機，從某種意義上講，它是整個樓宇自控系統的關鍵。“控制器”指完成被控設備特征參數與過程參數的測量并達到控制目標的控制裝置。“數字”的含義是指該控制器利用數字電子計算機來實現其功能要求。 “直接”意味著該裝置在被控設備的附近，無需再
通過其他裝置即可實現上述全部測控功能。因此,DDC實際上也是一個計算機，它應具有可靠性高、控制功能強、可編寫程序等特點，既能獨立監控有關設備，又可通過通信網絡接受來自中央管理計算機的統一控制與優化管理。
1．DDC支持的監控點
DDC能夠支持以下不同性質的監控點：
(1) 模擬量輸入(AI)；
(2) 開關量輸入(DI)；
(3) 模擬量輸出(AO)；
(4) 開關量輸出(DO)。
2．DDC的主要功能
DDC的主要功能包括以下幾個方面：
(1) 對第三層的數據采樣設備進行周期性的數據采集。
(2) 對采集的數據進行調整和處理(濾波、放大、轉換)。
(3) 對現場采集的數據進行分析，確定現場設備的運行狀態。
(4) 對現場設備運行狀況進行檢查對比，并對異常狀態進行報警處理。
(5) 根據現場采集的數據執行預定的控制算法(連續調節和順序邏輯控制的運算)而獲得控制數據。
(6) 通過預定控制程序完成各種控制功能，包括比例控制、比例加積分控制、比例加積分加微分控制、開關控制、平均值控制、最大/最小值控制、焓值計算控制、邏輯運算控制和連鎖控制。
(7) 向第三層的數據控制和執行設備輸出控制和執行命令(執行時間、事件響應程序、優化控制程序等)。
(8) 通過數據網關(DG)或網絡控制器(NCU)連接第一層的設備，與各上級管理計算機進行數據交換，向上傳送各項采集數據和設備運行狀態信息，同時接收各上級計算機下達的實時控制指令或參數的設定與修改指令。
DDC擁有BAS所要求的幾乎所有功能，基本上已經可以完成所有運作，只是在監控的范圍和信息存儲及處理能力上有一定限制。因此，直接式數字控制器可以看作是小型的、封閉的、模塊化的中央控制計算機。在很小規模、功能單一的BAS中可以僅僅使用一到多臺控制器完成控制任務；在一定規模、功能復雜的系統中可以根據不同區域、不同應用的要求采用一組控制器完成控制任務，并依靠中央管理系統隨時監視控制和調整控制器運行狀態，完成復雜周密的控制操作。
3．常見的專用控制器類型
常見的專用控制器主要包括下述幾類：
(1) 空氣處理機組控制器；
(2) 空調控制器；
(3) 照明控制器；
(4) 變風量控制器；
(5) 消防報警控制器。
更常用的是模塊化控制器。模塊化控制器是可編程的、以計算機模塊為基礎的直接數字式控制器。其基本結構包括一個可內插多個模塊的機架，一個計算機模塊和一個電源供應模塊。根據不同的具體應用，還可以內插各種不同用途的通信模塊、輔助控制模塊和輸入/輸出(Analogy/Digital)模塊。
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