建筑自动化课程设计说明书.docx
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建筑自动化课程设计说明书
《
建筑环境与设备工程专业
建筑自动化课程设计说明书
）
。
&
|
'
|
一、设计依据
建筑概况
本课程设计采用真题假做的方式完成实际建筑的建筑物自动化系统（BA）设计，本课程设计提供的建筑为某办公楼，建筑共6层，面积约12000m2，建筑采用中央空调满足室内舒适性要求，办公室采用新风＋风机盘管形式、两个会议室采用风柜送风满足室内舒适性。
中央空调冷源有2台180Rt螺杆式冷机组，3台37kW冷冻水泵（2两用一备），3台30kW冷却水泵（2两用一备），2个冷却塔和2台冷却塔风机；机组、冷冻水泵、冷却水泵位于建筑首层设备房，冷却塔建筑顶层。
中央空调系统末端有6台新风机（每层1台），每层有风机盘管26台；两个会议室的有2台风柜。
本设计的主要内容即是设计和配置该建筑中央空调的BA系统，实现该建筑空调系统的智能控制。
设计资料
[
设计任务书相关资料。
设计依据
根据课程设计任务书的要求，以《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000）和《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）为依据，结合江森自控公司的Metasys中央监控系统应用手册进行设计。
二、设计范围
本设计要求根据课程设计书给出的工程概况及《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000）和《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-92）等相关资料为依据，完成该建筑空调系统BAS方案设计，实现对该建筑物空调系统进行现场数据采集，从而达到启停控制、状态检测与现实、运行调节、集中管理的功能，以达到安全运行、节能和延长设备使用寿命的目的。
主要通过现实工程中的空调通风系统实现自动控制来实现建筑设备自动化功能要求、安全运行、优化节能和高效管理等。
|
该建筑采用美国江森自控公司的Metasys中央监控系统，配合该公司的网络控制器（NCU）和直接数字控制器（DDC）等硬件，实现建筑空调系统的智能控制。
本设计要求根据本说明书提供的资料，完成该建筑空调系统BAS方案设计，实现对该办公楼中央空调系统进行现场数据采集和运行控制、集中管理的功能。
根据建筑空调系统具体情况和考虑经济性因素，风机盘管不纳入BA控制，空调系统的其余设备均要求实现BA控制，包括新风机、风柜、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、主机等设备，所有设备均为常规舒适性空调设备。
初定该设计新风机采用只将新风处理到要求参数的形式，风柜采用全空气调节系统。
三、设计内容
@
、楼宇设备信息汇总
本建筑共有六层，现将该建筑中各楼层中的设备列表如下：
层数
设备类型
功率
台式
1层
^
180Rt螺杆式冷机组
2
冷冻水泵（两用一备）
37kw
3
（
冷却水泵（两用一备）
30kw
3
新风机
1
{
风柜
2
2层
新风机
1
3层
—
新风机
1
4层
新风机
1
5层
（
新风机
1
6层
新风机
1
顶层
】
冷却塔
2
冷却塔风机
2
#
新风机空调机组控制设计
考虑到建筑物位于广州地区，夏季供冷，冬季不供热，因此，新风机组仅在夏季运行。
新风机组主要由新风阀、过滤器、表冷式换热器、加湿器、送风机等构成。
室外新风进入新风机组经滤网过滤后，由表面式换热器进行热湿处理，当空气湿度低于设定值时，可通过加湿器加湿，处理后的空气通过送风机配送到各空调房间内。
此外，该系统不需要进行防冻保护。
新风机组根据《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000）中对空气处理系统的监控功能要求进行设计，系统图如下：
系统监控参数如下：
1、新风阀、冷水阀、加湿阀控制。
（AO）
。
现场控制器通过3路AO信号控制新风阀、冷水阀、加湿阀的开与关，调节阀门的开度实现新风量、冷水量以及蒸汽量的控制。
根据室内CO2浓度的监测得出空气品质调整，计算并自动调节阀门开度，提供满足空气质量要求的最小新风量，以实现降低能耗。
2、室内CO2浓度的监测。
（AI）
3、过滤网状态显示与报警。
（DI）
在滤网两侧装设压差开关，监视过滤网的畅通情况。
当风机运行时，如果过滤网干净，滤网前后压差小于设定值；反之，如果过滤网积灰增加，滤网前后的压差变大，当超过设定值时，微压差开关就会闭合。
这个闭合开关信号通过一路DI输入现场控制器，控制器发出报警，提醒工作人员进行清洗。
4、送风温度/湿度的监测。
（AI）
在新风机组出口处设温湿度变送器，接至现场控制器的2路AI输入通道上，分别对空气的干湿球相对温度进行检测，对比设定的温度、湿度参数的差值，对冷水阀、加湿阀开度进行PI数字式调节，现场控制器通过AO通道控制电动冷水阀、电动加湿阀的阀门开度，从而控制换热湿量，使送风温温度满足设定的范围内。
5、新风机监控，包括新风机运行状态、故障报警、手/自动状态和启/停状态的监测。
（3DI+1DO）
DDC控制模块通过控制新风机控制箱的启停触点实现对新风机的启停控制；检测风机配电线路主接触器的辅助触点实现风机运行状态监测；检测风机配电线路热继电器的辅助触点实现风机电气故障监测，风机故障报警时，自动停止风机运行；从手/自动开关把DI信号输送给现场控制器，以检测风机的手/自动状态；检测风机前后压差（压差信号）实现风机运行故障监测。
%
5）消防联动控制。
（DI）
发生火灾时，火灾自动报警系统将联动控制信号送至相应区域的空调系统电控箱，自动关闭新风系统的防火阀、新风机，自动切断新风机组的电源。
新风机组运行控制检测原理方框图如下：
￥
该调节原理属于典型的单回路负反馈控制原理调节。
由温度传感器检测送风温度，经变送器将信号传送给控制器，并与设定值比较，作为控制依据，经过PID计算之后，将调解信号传送给执行器，调节冷水阀门大小，从而控制表冷器换热量，将送风温度控制在要求范围内。
同时温度传感器监测新风温度作为扰动信号，采用前馈补偿的方式消除新风温度变化对输出的影响。
风柜空调机组控制设计
该建筑的一楼会议室设有两台风柜，为该服务区域提供舒适性空调送风。
设计该舒适性空调采用全空气调节系统，主要通过检测回风温度、湿度，作为调节冷水阀、加湿阀的依据，从而达到室内空气温度湿度满足要求。
同样，由于该建筑处于广州地区，故不考虑防冻保护。
由于系统较小，以回风温度代替室内空气的平均温度，作为调节依据之一。
\
其监控原理图如图：
系统监控参数如下：
1、调节阀阀控制。
（5AO）
新风、排风进行单独的连续调节，安装单独电动执行期和PI调节器。
风阀调节采用焓值控制，通过检测新风温、湿度和回风温、湿度，计算出新风、回风焓值，并且联合检测到的室内CO2浓度，在满足室内空气品质的情况下，由风阀控制器根据焓值按比例输出电压信号，控制新风阀和回风阀的电动执行器，调节其阀门开度，达到节能效果。
同理，现场控制器通过2路AO信号控制冷水阀、加湿阀的开与关，调节阀门的开度实现冷水量以及蒸汽量的控制。
根据室内CO2浓度的监测得出空气品质调整，计算并自动调节阀门开度。
2、室内CO2浓度的监测。
（AI）
"
3、过滤网状态显示与报警。
（DI）
在滤网两侧装设压差开关，监视过滤网的畅通情况。
当风机运行时，如果过滤网干净，滤网前后压差小于设定值；反之，如果过滤网积灰增加，滤网前后的压差变大，当超过设定值时，微压差开关就会闭合。
这个闭合开关信号通过一路DI输入现场控制器，控制器发出报警，提醒工作人员进行清洗。
4、送风温度/湿度的监测。
（4AI）
在新风机组出口处设温湿度变送器，接至现场控制器的2路AI输入通道上，分别对空气的干湿球相对温度进行检测，对比设定的温度、湿度参数的差值，对冷水阀、加湿阀开度进行PI数字式调节，现场控制器通过AO通道控制电动冷水阀、电动加湿阀的阀门开度，从而控制换热湿量，使送风温温度满足设定的范围内。
5、新风机、回风机监控，包括运行状态、故障报警、手/自动状态和启/停状态的监测。
（6DI+2DO）
DDC控制模块通过控制新风机控制箱的启停触点实现对新风机的启停控制；检测风机配电线路主接触器的辅助触点实现风机运行状态监测；检测风机配电线路热继电器的辅助触点实现风机电气故障监测，风机故障报警时，自动停止风机运行；从手/自动开关把DI信号输送给现场控制器，以检测风机的手/自动状态；检测风机前后压差（压差信号）实现风机运行故障监测。
风柜全空气空调机组系统的运行参数监测原理方框图如下：
由于该全空气系统较小，采用回风空气温度代替室内空气平均温度，由温度传感器检测回风温度，经变送器将信号传送给控制器，并与设定值比较，作为控制依据，经过PID计算之后，将调解信号传送给执行器，调节冷水阀门大小，从而控制表冷器换热量，将送风温度控制在要求范围内。
温度传感器监测新风温度作为扰动信号，采用前馈补偿的方式消除新风温度变化对输出的影响。
]
制冷机组控制设计
该空调系统的制冷机组，通过将冷、热源系统的供回水温度和压差控制在合理的范围内来保证系统的正常运行以及实现节能运行的要求。
该冷机组只需要考虑启停控制（包括连锁控制），安全功能有冷机组本身控制器完成。
其监控原理图如图：
系统监控参数主要有：
{
流量开关（2DI）
阀门控制（2DO）
冷水机组配电箱（2DI+2DO）
控制动作：
1、控制机组启停控制与状态及故障信息。
DDC控制模块通过控制机组控制箱的启停触点实现对机组的启停控制；检测机组配电线路主接触器的辅助触点实现机组运行状态监测；进入蒸发器的阀门以及2、进入冷凝器的阀门控制。
-
现场控制器通过1路DO信号控制进入蒸发器的冷冻水阀门开关以及1路DO信号控制进入冷凝器的冷却水阀门开关。
3、出口状态信息检测出口流量，当低于要求时报警并切断电源。
当进口流量低于一定数值时，触发继电器辅助触点，转化为电信号传给现场控制器，开关流量的动作。
冷却水系统控制设计
·
该建筑设有两个冷却塔，两台冷却塔风机，三台冷却水泵（两用一备）构成冷却水系统主体，通过检测水位，流量，进回水温度实现系统监测，通过减少通过冷凝器流量，会使冷凝温度上升，效率降低，但是可以采用降低水泵转速方式降低电耗，获得较好的COP值，即存在合适的冷却水流量，可获得较好的节能效果。
监控原理图如图：
系统监控参数主要有：
进水、回水温度（2AI）
进水管压力（AI）
]
各水阀控制与状态（3DO+3DI）
流量开关（DI）
旁通阀控制与状态（AO+DI）
冷却水泵配电箱（9DI+3DO）
冷却最低水位（2DI）
冷却塔风机配电箱（4AI+6DI+2DO）
变频器（6DI）
控制动作：
1、进回水温度监测。
在冷却水进出口处设温度变送器，接至现场控制器的2路AI输入通道上，分别对冷却水温度进行检测，对比设定的温度参数的差值，对电动阀开关进行控制。
2、在冷却水进口处设压力监测，接至现场控制器的1路AI输入通道上，对比设定的温度参数的函数，对旁通电动阀的开度控制进行PI数字式调节。
冷却塔：
监测冷却塔水位，在低液位时报警。
3、冷却水压力、流量开关监测。
通过压力传感器检测，若冷却水流量低于安全工作界限，则报警。
4、冷却水泵启停控制与状态及故障信息。
DDC控制模块通过控制冷却水泵控制箱的启停触点实现对机组的启停控制；检测配电线路主接触器的辅助触点实现水泵运行状态监测；检测水泵配电线路热继电器的辅助触点实现水泵电气故障监测，水泵故障报警时，自动停止机组运行；从手/自动开关把DI信号输送给现场控制器，以检测水泵的手/自动状态，检测水泵运行故障
5、冷却塔风机配电箱，DDC控制模块通过控制风机控制箱的启停触点实现对风机的启停控制；检测配电线路主接触器的辅助触点实现风机运行状态监测；检测风机配电线路热继电器的辅助触点实现风机电气故障监测，风机故障报警时，自动停止风机运行；从手/自动开关把DI信号输送给现场控制器，以检测风机的手/自动状态，检测风机运行故障，同时检测风机工作电流以及工作频率，各以一路AI输出，根据电流调节变频器。
6、变频器根据检测到的电流，对其变频状态，工频状态，故障报警进行监控，各自以一路DI信号输出DDC。
…
冷冻水系统控制设计
该建筑设有三台冷冻水泵（两用一备），以及膨胀水箱、集水器、分水器构成冷冻水系统，通过冷冻水循环，将冷机组的冷量送到空调系统，为保证冷冻机正常工作，需要保证蒸发器通过足够的水量，监控系统具备有低水流报警与控制，根据用户末端热湿负荷要求，调节冷冻水供水温度和流量适应空调负荷变化，向空调系统提供足够的冷量，保证用户要求，实现安全节能运行。
监控原理图如图：
&
系统监控参数主要有：
补水阀状态（DI）
补水阀启停控制（DO）
膨胀水箱高低水位（2DI）
冷冻水流量（AI）
供回水温度（2AI）
供回水压差（AI）
流量开关（DI）
￥
供水阀状态及控制（DI+AO）
集水器、分水器旁通阀状态及控制（DI+AO）
冷冻水泵配电箱（9DI+3DO）
控制动作：
1、冷冻水泵启停控制与状态及故障信息。
DDC控制模块通过控制冷冻水泵控制箱的启停触点实现对水泵的启停控制；检测配电线路主接触器的辅助触点实现水泵运行状态监测；检测水泵配电线路热继电器的辅助触点实现水泵电气故障监测，水泵故障报警时，自动停止机组运行；从手/自动开关把DI信号输送给现场控制器，以检测水泵的手/自动状态，检测水泵运行故障。
2、检测供、回水压差，在冷水总供水管和总回水管安装压差传感器，通过电动两通阀调节压差，使压差保持在设定值，保证冷冻水泵的水流量
—
3、膨胀水箱：
监测水箱的高低液位，当水位高于或者低于最高最低低液位时报警，DDC控制补水阀启动。
4、供回水温度监测。
在冷却水进出口处设温度变送器，接至现场控制器的2路AI输入通道上，分别对冷却水温度进行检测，对比设定的温度参数的差值，对电动阀开度进行PI数字式调节，现场控制器通过AO通道控制。
5、检测供水器、集水器压差，接入DDC一路AI通道，DDC根据接收到的压差信号进行PI数字式调节，控制旁通阀开度进行调节。
BAS控制系统DDC信息点统计
经过上述对各空调系统的分析，统计出本设计建筑的BAS控制系统所有设备的DDC信息点，其结果见附录一。
设备选择
根据DDC信息点统计表，以及江森自控公司DDC模块的配置要求和本建筑的特点，为了控制和维修的方便，以各层为单位，为本图书馆附楼进行DDC的选择，包括DDC主模块和子模块I/O参数配置。
本设计中，Metasys中央监控系统现场DDC控制箱采用江森公司的FEC系列控制模块，DDC控制箱的主模块采用MS-FEU2610-0BACnet通用数字控制器，在需要扩展I/O接口时，可采用MS-IOM系列扩展模块
.
FEC系列控制模块的参考型号和基本参数如下表所示。
按设计要求，每一个DDC箱都必须安装主模块MS-FEU，当主模块的信息接点满足不了设备的信息点，可选用主模块扩展子模块MS-IOM系列的方式来满足设备信息点的需求，一般还要预留约15%DI、DO信息接点。
一层控制器的选择
一层需要控制的设备有两台冷水机组，三台冷冻水泵，三台冷却水泵，一台新风机以及两个会议室风柜，其中需要的信息点如下表
AI
DI
、
AO
DO
新风机组
5
6
3
1
风柜
'
10
18
10
4
冷水机组
0
4
0
:
4
冷却水系统
3
14
1
6
冷冻水系统
4
~
12
2
3
可设三个DDC控制箱，其中DDC-1控制箱控制新风机,DDC-2控制箱控制两台风柜，DDC-3控制箱控制冷却水系统、冷冻水系统以及冷水机组处于一层部分。
DDC-1选用MS-FEU2620-0BACnet通用数字控制器作为主模块，和一个MS-IOM1710-0BACnetI/O扩展模块可以满足要求。
DDC-2选用MS-FEU2620-0BACnet通用数字控制器作为主模块，一个MS-IOU4710-0BACnetI/O扩展模块和四个MS-IOM1710-0BACnetI/O扩展模块可以满足要求。
DDC-3选用MS-FEU2620-0BACnet通用数字控制器作为主模块，三个MS-IOM3710-0BACnetI/O扩展模块和五个MS-IOM1710-0BACnetI/O扩展模块可以满足要求。
二至六层控制器的选择
二至六层各层需要控制的只有一台新风机，需要的信息点如下表
AI
DI
AO
DO
新风机组
5
：
6
3
1
可各设DDC-4、DDC-5、DDC-6、DDC-7、DDC-8控制箱，各选用MS-FEU2620-0BACnet通用数字控制器作为主模块，和一个MS-IOM1710-0BACnetI/O扩展模块可以满足要求。
顶层控制器的选择
顶层需要控制的有冷却水系统两个冷却塔和两台冷却塔风机相关部分，冷冻水膨胀水箱相关部分需要控制的信息点如下表
~
AI
DI
AO
DO
冷却水系统
4
12
0
、
2
冷冻水系统
0
3
0
1
可设一个DDC-9控制箱，选用MS-FEU2620-0BACnet通用数字控制器作为主模块和四个MS-IOM1710-0BACnetI/O扩展模块可以满足要求。
*
系统监控系统图
}
四、设计总结
本设计主要是某建筑的空调系统进行智能控制设计。
该建筑物共六层，设计任务只给出了主要设备，其他给予了我们很大的想象自由发挥空间。
本控制方案是通过对机组的分析，根据不同机组的特点进行不同的监控，以达到系统智能控制的目的。
本设计通过对不同机组的新风温度、回风温度和送风温度等进行监测，与设定值进行比较，再通过设计的监控点以及DDC系统的控制，改变冷水电动阀的开度从而改变冷水流量来实现改变空气状态的目的，同时根据室内新风要求改变新风阀、回风阀的开启度，从而达到维持室内空气舒适度的要求。
风机采用变频风机，根据不同风量的要求改变频率，以达到节能的目的，同时减少风机噪声。
在设计过程中，由于本人才疏学浅，设计依旧存在各种不足：
一些监控点没有考虑周全、各系统的控制动作叙述的也不够详细、原理图也不全等。
如果时间以及个人条件允许，此次设计应该考虑空调变风量调节与定风量调节、冷水机组联动控制等设计。
对于HVAC系统它是由管道连接各种空调设备而组成的一个相互关联、相互影响的系统，它的研究和发展方向是为人类提供更加舒适的工作和生活环境。
目前世界能源消耗中很大一部分是由于在不同地区和季节为建筑提供采暖和空调造成的，因此对HVAC技术的研究对解决我们面临的能源危机、解决全球气候变暖有十分重大的意义。
通过控制系统的核心DDC控制器实现控制功能。
二者构成了建筑自动化的核心，通过更加科学，合理的自动化控制，我们能够从非原理性方面入手减少能源浪费，从而达到节能效果。
然而据目前状况，我国自动化设备生产仍然比较乏力，大部分设备得依靠外国品牌，导致成本价格昂贵，致使系统回收期增大，不能普及。
所以，从设备成本方面也是一个很大的发展空间。
回忆这次课程设计的过程，一开始总是艰苦的过程，面对毫无思路的课程设计任务书，不知从何下手，一直迷茫，然而事在人为，通过不断地与同学探讨，查找资料，翻看教材书籍，总算完成了，虽然我知道会有很多的不足，但是我学会了课程设计的精神——与同学分享探讨、多渠道查询资料等等。
通过本次设计，使我加深了对建筑楼宇自动化控制的认识，同时也对暖通设备自动化控制的原理有了进一步的了解。
也使我感受到建筑智能技术是现代建筑的发展方向，如何利用智能技术改变传统的空调系统控制则是我们努力的方向。
做完了课程设计，从头翻看自己一天一天写下来的成果，觉得真的很有收获，这是对一学期学习内容的总结，更准确的说，是对一学期内容综合应用的考察，让我更好地理解了建筑设备自动化这个概念，相信这对我日后的工作将会有极大的帮助。
最后，感谢老师的辛勤教导。
[
五、设计参考资料
1、专著
[1]王可崇，智能建筑自动化系统[M].北京：
中国电力出版社，2008.
。
[2]余志强，胡汉章，刘光平.智能建筑环境设备自动化[M].北京：
清华大学出版社，北京交通大学出版社，2007.
[3]赵哲身.智能建筑控制与节能[M].北京：
中国电力出版社，2007.
[4]戴瑜兴.建筑智能化系统工程设计[M].北京：
中国建筑工业出版社，2005.
[5]张九根，马小军，朱顺兵.建筑设备自动化系统设计[M].北京：
人民邮电出版社，2003.
2、标准
[1]GB/T50314-2000智能建筑设计标准[S]
[2]JGJ/T16-92民用建筑电气设计规范[S]
3、江森产品相关资料网站
…
[1]
[2]附表一
设备描述
监控功能描述
输入
输出
传感器、
执行器描述
}
备注
编号
数量
名称
位置
AI
DI
?
AO
DO
一
6
新风机组（X6）
一至六层
`
1、新风阀调节控制
1
M9100系类标准型16Nm电动执行器
各层单独用一个DDC，编号为：
一层为DDC-1，二至六层为DDC-4至DDC-8
2、新风温度监测
1
/
风管式TE系列温度传感器
3、新风湿度监测
1
》
HT-9000系列电子湿度传感器
4、过滤网压差监测
1
P233A-10-AKC压差开关
5、冷水阀调节
1
/
VG9000系列法兰连接阀门
6、加湿阀调节
~
1
VG9000系列法兰连接阀门
7、风机压差开关
1
P233A-10-AKC压差开关
8、风机运行状态监测
1
…
<
9、风机故障报警
1
10、手动自动状态
1
）
11、新风机启停
<
1
12、送风温度监测
1
风管式TE系列温度传感器
13、送风湿度监测
1
·
HT-9000系列电子湿度传感器
14、防火阀状态
|
1
15、空气CO2监测
1
江森CO2传感器CD-P00-00-0
小计
5
6
~
3
1
二
2
风柜（X2）
一层
（
1、新风阀调节控制
1
M9100系类标准型16Nm电动执行器
2风柜共有一个DDC,编号：
DDC-2
2、排风阀调节控制
1
￥
M9100系类标准型16Nm电动执行器
3、回风阀调节控制
\
1
M9100系类标准型16Nm电动执行器
4、回风机压差开关
1
P233A-10-AKC压差开关
5、回风机运行状态监测
1
~
6、回风机故障报警
{
1
7、回风机手动自动状态
1
8、回风机启停控制
）
1
-
9、冷水阀调节
1
VG9000系列法兰连接阀门
10、加湿阀调节
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