DCS楼宇课程设计.docx
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DCS楼宇课程设计
目录
第一章绪论2
1.1DCS与现场总线技术2
1.1.1集散控制系统（DCS）及其应用2
1.1.2现场总线控制系统（FCS）及其应用3
1.2介绍现场总线在楼宇自控系统中的应用案例。
4
第二章5
现场总线楼宇自控系统中的应用案例分析5
2.1方案的总体设计分析5
2.2案例的系统结构和硬件配置分析5
2.2.1案例的系统结构5
2.2.2现场控制站设备配置7
2.3案例的控制策略或控制逻辑分析8
2.4案例的组态设计分析10
2.4.1软件实现10
第三章总结12
3.1对案例中的系统从技术经济角度给予评价12
3.2心得体会14
参考文献16
第一章绪论
1.1DCS与现场总线技术
1.1.1集散控制系统（DCS）及其应用
一、集散控制系统
（一）集散控制系统的基本概念
集散控制系统是以微处理为基础的集中分散控制系统，它的主要特征是集中管理和分散控制。
基本思路：
1）把集中的计算机控制系统分解为分散的控制系统，有专门的过程分散控制装置，在过程控制级各自完成过程中的部分控制和操作。
2）从模拟电动仪表的操作习惯出发，开发人—机间良好的操作界面，用于操作人员的监视操作。
3）为了使操作站与过程控制装置之间建立数据的联系，建立数据的通信系统，使数据能在操作人员和生产过程间相互传递。
（二）集散控制系统的基本结构
1、分散过程控制装置 2、操作管理装置 3、通信系统
（三）DCS的基本组成部分
1、面向被控制现场的现场I/O控制站。
2、面向操作人员的操作员站。
3、面向DCS监督管理的工程师站。
DCS操作员站主要功能是为系统的运行操作提供人机界面，使操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、各种运行参数、是否有异常情况发生。
（四）DCS的特点
1、分级阶梯结构 2、分散控制 3、自治和协调性
（五）DCS功能设计
1、现场的数据采集功能
2、监视报警功能
3、日志管理服务器功能
4、事故追忆功能
5、时间顺序记录功能（SOE）
6、二次高级计算功能
7、DCS的人机界面
二、DCS在工业过程控制中的应用
现代工业对控制系统的要求己不仅仅局限于能实现自动数据采集和控制功能，还要求工业过程能长期在最佳状态下运行，这就要求解决工程整体的总目标函数最优化问题。
为了实现最优化控制，大系统控制理论中引入分解和协调的设计原则，分解就是在设计过程中将系统细分，分解成若干个底价的相关小系统，这些小系统之间相互问的耦合关系减至最小，以便于分别控制各个小系统目标对象达到小系统控制的最优化，进而达到整个系统的相对最优化控制。
协调就是在局部最优化的基础上考虑各小系统之间的相互影响和相互耦合作用，设计协调控制器，使各局部控制器协调起来，达到整个系统最优化。
这种具有分散控制，信息集中管理特点的分布式控制系统，又称为集散控制系统．简称DCS系统（DistributedControlSystem）。
DCS系统是一种成熟的综合技术，包括现场总线技术、仪表技术和计算机技术等，适合应用于连接过程控制和复杂控制系统。
目前应用比较广泛的DCS系统有日本横河公司的CENn『M—CS、美国罗斯蒙特公司的DeltaV等系统，目前已经广泛应用于核电站、电力系统、轻工业、锅炉、热电系统等等，都取得了良好的经济效益和社会效益。
1.1.2现场总线控制系统（FCS）及其应用
1、现场总线控制系统
现场总线作为一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统，近年来得到了迅猛的发展和应用。
用于过程自动化、制造自动化、电力自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通信网络。
它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。
为此本文阐述了现场总线的发展和现场总线技术在各个代表性领域的
现场总线主要特点：
1）系统可靠性高；
2）实现开放式互连网络；
3）安装与接线费用低；
4）调节性能提高；
5）系统组态简单；
2、FCS在工业过程控制中的应用
现场总线带来了观念的变化，我们以往开发新产品，往往只注意产品本身的性能指标，对于新产品与其它相关产品的关联就考虑比较少一点。
这样对于电工行业这样一个比较保守的行业来说，新产品就不那么容易地被用户接收。
而现场总线产品却恰恰相反，它是一个由用户利益驱动的市场，用户对新产品应用的积极性比生产商更高。
然而，现场总线新产品的开发也与传统产品不同；它是从系统构成的技术角度来看问题，它注重的是系统整体性能的提高，不强求局部最优，而是整体的配合。
这种配合在主控计算机软件运行下能使控制系统应用新的理论来发挥最大的效能；这一点是传统产品很难做到的。
现场总线的“负跨越（指在技术水平提高的同时，掌握和应用这项新技术的难度却降低了）”的特性使它的推广更加容易。
1.2介绍现场总线在楼宇自控系统中的应用案例。
随着计算机、控制与通信技术的飞速发展，特别是近年来房地产业的持续升温楼宇自动化系统（BAS）技术也在不断改善、更新。
楼宇自动化管理着建筑物内大量分散的机电设备，使大楼变得更加安全、经济与舒适。
一般而言，楼宇自动化系统由暖通空调、变配电、给排水、照明、保安及消防等子系统组成；对其它独立子系统，如电梯、广播、电缆电视等系统，则可根据需要将工作状态监视及紧急状态下越级控制权赋予BAS的监控中心。
我国现有的智能建筑中，楼宇自动化程度普遍不高。
国内绝大多数楼宇自动化系统一般由世界著名公司成套提供，包括传感器、阀门、执行器、控制器、上位机、监控软件等。
5.2楼宇自动化中应用的主要现场总线技术
智能建筑中广泛使用的主要有两种：
BACnet和LonWorks。
1）BACnet：
1987年，美国暖通空调工程师协会（ASHRAE）组织成立SPC135开发；目前已成为美国和欧洲标准，并有20多家公司推出了60余种不同类型的BACnet；旧金山的金门大厦改造工程被认为是BACnet的标准应用范例。
2）LonWorks:
1991年，美国Echelon公司推出的技术，该协议完全支持国际标准化组织ISO定义的OSI七层模型。
由于其具有高可靠性、开放性和低成本的优点，全世界数以千记的制造厂商在其控制网络方案中纷纷采用。
LonWorks技术的核心是同时具有通信和控制功能的神经元（Neuron）芯片中有3个8位的CPU，其中2个中央处理器用于执行通信协议，而另一个处理器用于执行节点的监控功能。
第二章
现场总线楼宇自控系统中的应用案例分析
2.1方案的总体设计分析
某智能大厦系统总监控点为1240个，其中数字量控制点：
DI有625个，DO有358个；模拟量控制点：
AI有254个，A0有3个。
系统采用美国埃施朗（Echelon）和先导公司（Ad—vancedTechInc．）以LonWorks技术为核心的EU—BAS楼宇自控系统作为大楼的楼宇监控系统，而所有的传感器和执行机构则选定美国江森（Johnsoncon—tro1）公司的进口产品，上层监控软件采用美国Wonder—ware公司的Intouch7．O组态软件开发。
2.2案例的系统结构和硬件配置分析
2.2.1案例的系统结构
EU—BAS楼宇自动化系统是一种通过中央计算机系统的网络将分布在各监测现场的区域智能节点连接起来的集散型控制系统，具有集中操作、管理和分散控制的功能。
按照分布式控制理论，系统采用分层分布式控制结构，由中央控制中心的操作站和各监控现场的区域智能节点组成，系统内的节点之间连接采用现场总线技术来实现。
系统的结构如图1所示。
监控系统由三部分组成：
信号转换子系统、LonWorks采集控制网络、上位监控PC子系统。
系统中LonWorks现场网络由三类节点组成：
（1）模拟量采集节点
主要由Neuron芯片、TP—FTl0自由拓扑收发器、程序存储器、串行A／D芯片等组成。
可完成24路模拟量信号的数一模转换，采样分辨率为10位。
（2）开关量采集节点
主要由Neuron芯片、TP—FTlO自由拓扑收发器、程序存储器、移位寄存器等组成。
可接24路开关量输入，信号全部采用光电隔离。
（3）通信协议转换节点
通过RS232C串口LonTalk接口模块LON—EU／SLTA，支持LonTalk协议，可以对LonWorks网络进行安装、配置、网络管理；LON—EU／SLTA通过连接Modem的RS232C接口，各类主机可以实现对LonWorks网络远程遥控及进行现场维护；L0nWorks网络的工作节点通过Modem也可以向远程主机报警、传递信息等。
LON—EU／SLTA还能实现LonWorks网络向其他RS232C测控网络的路由功能。
主干网为总线型结构，通信速度达到1．25MB／s；各子网为星型结构，通信速度为78．5KB／s。
主干网与子网通过LonWorks专用路由器进行连接，子网的局部网络故障不会影响主干网和其他子网的正常通过Lon—Works网络为对等网络结构，监控主机的故障不会影响整个监控网络各个节点的正常工作。
在上位PC机部分，采用LON—EU／SLTA作为LonWorks网络接口，将LonTalk协议转换为串行通信，与上位监控机相联。
这样通过监控机将LonWorks网络集成到计算机局域网（LAN），在LAN上则采用TCP/IP网络协议进行更高一级的系统集成。
2.2.2现场控制站设备配置
Honeywell分布式I/O控制器组成的楼宇自控系
统结构图如图2所示。
其特点:
（1）所有I/O点采用统一的组态软件（CARE软
件）进行组态:
包括点的属性、控制策略和开关策略等。
（2）控制器I/O模块和现场总线节点的I/O模块
可以任意组合,总的模块数量为16个。
（3）控制器I/O模块和现场总线节点的I/O模块
采用统一编址,避免总线之间出现访问冲突。
（4）每个Lon节点可以连接10个I/O模块。
（5）网络连接采用自由拓扑结构,施工方便。
在图2中,XL5010C是DDC控制器的CPU模
块,可以与其它常规的I/O模块通过内部总线相连。
同时,通过CPU模块引出一条现场总线,在该总线可连接Lon节点,并由节点直接连接分布式的I/O模块。
图2 分布I/O控制器结构图
在智能大厦中,整个大楼的层数较多。
一般地下层、中间层和顶层为设备层,在设备层放置需要控制的集中设备,如:
冷水机组、空调机组,变配电系统等,因测量和控制点集中且控制的实时性要求较高,故放置多个DDC控制器较为合理。
而每个房间中的VAV控制箱、紧急呼救、三表计量等,虽然点数较多,但控制和测量的实时性要求不高,若在每个房间或几个房间共用放一个DDC控制器,则无论从价格和施工上都不合理。
故可以只在每个楼层放一个或几个Lon节点和一些I/O模块,通过现场总线连接到DDC控制器。
2.3案例的控制策略或控制逻辑分析
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。
通过Kp，Ki和Kd三个参数的设定。
PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。
PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。
这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。
和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。
可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。
它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
现在一般采用的是临界比例法。
利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：
（1）首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
（2）仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；（3）在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2.4案例的组态设计分析
2.4.1软件实现
软件设计主要包括LON智能节点的编程、安装维护和上位监控软件实现。
LON智能节点编程采用NeuronC，它完全兼容C，具有丰富的功能子程序，用户无须关心网络通信、内存分布等问题，只须根据应用系统的需求直接编程控制节点I／O端口，实现对测控对象的访问；各节点之间以网络变量的形式进行互访，实现点对点、点对多点的信息交换。
BA系统的网络安装维护软件选用LonMakerforWindows软件。
LonMakerforWindows软件是美国Echelon公司开发的LonWorks网络安装维护软件。
它提供密码保护为操作人员提供操作与维护权限，该软件的图形化界面使操作人员能直接明了地对各个智能节点进行安装、下载应用程序以及参数设置，操作人员利用其完善的自诊断功能对各个智能节点或网络的故障进行检测。
BA系统的上层监控软件采用Intouch7．O组态软件来开发，它是基于Windows的32位面向对象的图形化HMI应用程序生成工具，用于工业自动化、过程控制和管理性监测，集成了当今微软最先进的软件技术。
Intouch7．O提供了支持LonWorks技术的I／OServ—er，可与LON—EU2000系统产品进行连接，实现整个BA系统的实时监控。
当BA系统安装配置完成后，操作人员即口关闭LonMakerforWindows软件让BA系统独立运行；对BA系统的监控通过Intouch7．O软件实现，这样有利于系统安装和监控的完全独立，可以有效地防止操作人员的误操作而导致系统的瘫痪。
方案设计选用LNSDDEServer全32位应用软件，安装在中央监控主机中，有上层监控软件Intouch7．O同时运行，它的功能是实现BA系统和In—touch7．O软件的实时数据交换。
记录数据、报警信息和纪要等可以直接分别存入上层监控软件的系统数据库，或转换成MicrosoftExecl等文件格式并存在当地硬盘中，通过大楼内部局域网，任何上网用户都可以读取该文件并打印出来，方便使用。
整个LonWorksBA系统各部分之间的数据通讯如图2所示。
DDE是进程之间的通讯机制，它使用Windows消息和共享内存，使相互合作应用程序能够交换数据。
DDE中存在着一种协议，发送应用程序和接收应用程序在交换数据时必须遵守这种协议。
一般来说，数据的提供者就是DDE服务程序，而数据的接受者就是DDE客户程序。
在这里，Intouch7．0应用程序为DDE客户程序，LonManagerDDE服务程序为服务程序。
LonManager服务程序在LonWorks网络和Windows客户程序之间交换网络变量数据。
第三章总结
3.1对案例中的系统从技术经济角度给予评价
目前，一幢高层建筑的能量消耗是非常大的，特别是制冷机组、循环水泵、冷却塔和空调机组，如何使这些设备高效运行，是楼宇自控系统必须考虑的问题。
因此，采用最优化的控制模式来满足大楼的功能要求，就会为信息中心的物业管理带来很大的经济效益。
楼宇自控系统即将楼宇中所有的设备（包括空调、变配电、给排水、电梯、照明等系统）进行监视并通过计算对以上设备进行最优控制。
该控制系统与人工控制系统比较，具有显著的优点：
1.节省能源
采用了楼宇自控系统后,对于设备的管理可以根据预先编排的时间程序（如办公时间、节假日时间、昼夜时间等）对电力、照明、空调等设备进行最优化的节能控制。
如根据办公时间程序来控制照明系统的开启，根据空调冷负荷量,调整冷冻机及相关水泵的开启状况,实现最优化控制等。
2.降低管理费用
采用了楼宇自控系统后，原先的人工管理可以完全被取代。
相应的管理费用，如人员工资、福利、住房、办公环境、费用等均可节省。
3.延长设备使用寿命
通过楼宇自控系统管理的设备，可以完全依照设备的性能来进行控制，不会出现误动作导致设备损坏，也不会有长时间超负荷运转等对设备有损伤的现象发生，使设备能在最优状态长期稳定运行。
4.提高管理可靠性
采用楼宇自控系统，可以提高管理系统的可靠性，不会出现由于人工管理的疏忽、疲劳、判断失误的出现，而这些问题往往会给业主带来无法估量的经济损失。
5.规范管理制度
楼宇自控系统本身可以依据管理惯例对设备进行自动控制，它具有自动分析人员管理指令的能力，使得一些不规范的管理规范化。
因此，楼宇自控系统的优点不仅在于对设备的监控，还可对特定的对象如环境温度进行精确的自动控制。
比如空调系统就可以通过对比回风温度与设定温度，采用PID方式调节水阀来保持回风温度的恒定，以创造一个舒适环境。
以上这些方面靠人工控制很难实现。
下面对采用楼宇控制系统后所带来的节能效果进行集中说明：
据初步测算，大楼的运营成本每平方米每年为人民币1200~1600元，其基本构成大致如下：
固定成本（物业管理的费用）73.22%
能源9.11%
维护10.85%
清洁6.82%
详细分析如下:
根据日本电气学会技术报告说：
使用楼宇控制系统的效果与不使用的效果相比，维修保养人员可减少约30%。
另外，在一幢大楼内电气的消耗率占整个能源消耗的70%~90%，所以节能首先应从电气方面着手，降低电能的消耗。
照明系统采用楼宇自控系统后，用电量可比未采用时的用电量减少25%以上，若每年用电100万kWh，则每年可直接节约电量25.5万kWh，经济价值15.5万元左右。
单此一项即可在4~5年内收回楼宇自控系统的投资。
再次，空调与冷热源是建筑物中能耗最大的一项，中央空调系统占整个大楼的耗能50%以上，而大楼装有楼宇自控系统以后，可节省能耗25%，节省人力约50%。
冷热源采用楼宇自控系统后，同常规控制相比,可以大大提高控制精度。
从统计数据来看，一般来说，可以节省20%~30%左右的冷量，夏季温度比设定值每升1℃约可节省10%的冷量。
这些对于减少运行费用与节约能源均有重要意义。
且出现故障，能够及时知道何时何地出现何种故障，使事故消除在萌芽状态。
高新信息技术和计算机网络技术的高速发展，对建筑物的结构、系统、服务及管理最优化组合的要求越来越高，要求建筑物提供一个合理、高效、节能和舒适的工作环境。
节能是一项基本国策，也是建筑电气设计全面技术经济分析的重要组成部分。
楼宇自控系统正是顺应了这一潮流而诞生的。
3.2心得体会
通过老师的讲解及从书本和网络上的学习，我对楼宇智能化技术有了一定的了解。
楼宇智能化技术即综合计算机、信息通信等方面的最先进技术，使建筑物内的电力、空调、照明、防灾、防盗、运输设备等协调工作，实现建筑物自动化、通信自动化、办公自动化、安全保卫自动化系统和消防自动化系统。
智能建筑是一种融合现代建筑技术、计算机技术、自动控制技术与信息通信网络等高新技术于一体的新型建筑，它的迅速发展为建筑行业带来了强大的发展空间和技术革命。
本书学习领域分为9个学习情境。
1：
建筑工程认知；2：
智能建筑相关知识；3：
智能建筑设备自动化控制系统；4：
安全防范系统与消防监控联网；5：
通信自动化系统；6：
智能建筑办公自动化系统；7：
住宅小区智能化系统；8：
智能建筑系统工程的实施；9：
楼宇智能化工程管理。
通过对本课程的学习，以下几点令我印象深刻。
一、智能化楼宇的要求
智能化楼宇的基本要求是，有完整的控制、管理、维护和通信设施，便于进行环境控制、安全管理、监视报警，并有利于提高工作效率，激发人们的创造性。
简言之，楼宇智能化的基本要求是：
办公设备自动化、智能化，通信系统高性能化，建筑柔性化，建筑管理服务自动化。
2、楼宇智能化提供的环境
楼宇智能化提供是一种优越的生活环境和高效率的工作环境：
它使人们在智能化楼宇中生活和工作（包括公共区域），无论是心理上还是生理上均感到舒适。
所以，空调、照明、噪音、绿化、自然光及其他环境条件都达到较佳或最佳状态。
我相信这样的工作环境是所有人都梦寐以求的。
三、楼宇智能化提供的功能
1.具有信息处理功能，而且信息范围不只局限于建筑物内，应该能在城市、地区或国家间进行。
2.能对建筑物内照明、电力、暖通、空调、给排水、防灾、防盗、运输设备进行综合自动控制。
3.能实现各种设备运行状态监视和统计记录的设备管理自动化，并实现以安全状态监视为中心的防灾自动化。
四、智能化楼宇的优越性
1.具有良好的信息接收和反应能力，提高工作效率。
2.提高建筑物的安全、舒适和高效便捷性。
3.具有良好的节能效果。
对空调、照明等设备的有效控制，不但提供了舒适的环境，还有显著的节能效果（一般节能达15～20%）。
4.节省设备运行维护费用。
一方面系统能正常运行，发挥其作用可降低机电系统的维护成本，另一方面由于系统的高度集成，操作和管理也高度集中，人员安排更合理，从而使人工成本降到最底。
5.满足用户对不同环境功能的需求。
6.高新技术的运用能大大提高工作效率。
随着房地产事业的发展，楼宇智能化工程技术作为一个新型行业，就业前景非常广阔。
楼宇智能化技术培养的是能够撑握现代化电子技术，利用计算机网络程序，在建筑办公楼，高档小区，宾馆、酒店等集中智能化建筑领域从事管理，设计高技术应用型人才。
在我看来，把楼宇智能化技术学好了，学精了，学透了，就不用再为找工作而发愁。
因为这个社会需要懂得如何应用楼宇智能化技术的专业型人才。
虽然我对楼宇智能化技术的认识很有限，但是楼宇智能化技术让我更加接近充满高科技的生活。
至少我去智能楼宇化的小区时，我知道怎么去按门铃，怎么跟房间的主人进行可视对讲。
不会像个木头人一样站在那里，不知所措看着那些高科技产品。
参考文献
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6刘暾东.现场总线技术及其应用.厦门大学自动化系。
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