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第5章 智能建筑和建筑设备自动化系统概述(4)

在楼宇自动化领域,Lon Works现场总线技术得到了世界上大多数制造商的承认,其通信协议Lon Talk被ANSI(American National Standards Institute,美国国家标准学会)批准的BA Cnet(楼宇自动控制网络)所采纳,作为物理数据链路层5种基本通信方式之一,写在ANSI/ASHRAE135-1995中。因此楼宇自动化系统供应商都对Lon Works技术给予极大的重视,它们联合编制了行业生产标准Lon Works,以使各种空调自控产品实现互换。具有Lon Works标记的传感器、执行器、控制器(分站),已在市场上推出,它们可以共同连入现场总线单层分布式控制网络中,采用Lon Talk通信协议,进行点对点的双向通信。

有关“现场总线控制系统”的详细介绍,请参见2.10节。

1.2.5建筑管理系统与智能建筑管理系统

1.建筑管理系统

建筑管理系统(Building Management System,BMS)也称为建筑设备管理系统,是采用计算机及网络技术、自动控制技术和通信技术组成的高度自动化的管理系统,包括建筑设备自动化系统、消防自动化系统、安防自动化系统三个子系统。BMS在一个统一的图形操作界面上对上述建筑设备进行全面监视、控制和管理,提高物业管理的效率和质量。

建筑设备自动化系统、消防自动化系统和安防自动化系统主要实施对相关建筑设备的自动监控,而BMS能使智能建筑内上述各实时监控子系统高度集成,做到安防、消防、设备监控三位一体,BMS实现以上3个子系统之间的协调和上位管理。

2.智能建筑管理系统

智能建筑管理系统(Intelligent Building Management System,IBMS)也称为智能建筑设备综合管理系统,是一个具有高生产力、低营运成本和高安全性的智能化的综合管理系统,位于建筑智能化系统层次结构的最高层。它能够利用收集到的建筑物相关资料,分析整理成具有高附加值的信息;运用先进技术和方法使建筑设备的作业流程更有效、运行成本更低、竞争力更强。IBMS实现建筑设备管理系统(BMS)、办公自动化系统(OAS)和通信网络系统(CNS)集成在一个图形操作界面上对整个建筑物进行全面监视、控制和管理,提高大厦处理全局事件和物业管理的效率及实现综合服务的功能。

1.3建筑设备自动化系统的主要设备

1.3.1建筑设备自动化系统的检测器件

1.概述

在建筑设备自动化系统中,为了对各种变量(物理量)进行检测和控制,首先要把这些物理量转换成容易比较而且便于传送的信息,这就要用到传感器。

传感器是一种能把特定的被测量信息(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成某种可用信号输出的器件或装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中,敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。传感器是自动化控制及信息检测技术中不可缺少的控制元件。它可以把诸如温度、压力、流量、液位、位置等模拟量或开关量转变成电信号,再由自动化控制仪表或计算机进行控制处理和调节。

当传感器的输出为规定的标准信号时,则称为变送器。变送器的任务,就是将各种不同的信号,统一转换成在物理量的形式和取值范围方面都符合国际标准的统一信号。在当前的模拟控制系统中,统一信号为4~20mA的直流电流信号,也可以是1.5V的直流电压信号,用于与计算机系统的接口。有了统一的信号形式和数值范围,就便于把各种传感器和其他仪表或控制装置构成控制系统。无论什么仪表或控制装置,只要具有同样标准的输入电路或接口,就可以从各种传感器获得被测量的信息。这样,兼容性和互换性大为提高,仪表的配套也更加方便。变送器的另一个功能,就是在将敏感元件的响应信号变换为标准信号的同时,校正敏感元件的非线性特性,使之尽可能地接近线性。

当前,传感器、变送器总的发展趋势是朝着小型化、多功能化及智能化方向发展。特别是增加了数据处理功能、自诊断功能、软硬件相组合功能、人机对话功能、接口功能、显示和报警功能等。它们在建筑设备自动化系统中得到了广泛的应用。

传感器是建筑设备自动化系统控制的依据和基础,所以传感器的精度将直接影响控制的效果。建筑设备自动化系统常用的传感器包括温度传感器、湿度传感器、压力/压差传感器、空气品质传感器、太阳辐射传感器、压差开关、水流开关、焓值变送器、电量变送器等。

对于集散型建筑设备自动化系统,传感器是建筑设备自动化系统的现场控制层下所连接的设备之一,传感器将各种不同的被测物理量转换为能被现场控制器接受的模拟量或开关量。

传感器、变送器检测获得的信号将通过模拟量输入(AI)通道或者数字量输入(DI)通道输入到现场控制器。

2.模拟量传感器

通常把检测得到的信号是模拟量的传感器,称为模拟量传感器。该信号将通过AI通道输入到现场控制器中。

(1)温度传感器

温度传感器用于测量水管或风管中介质的温度,以此来控制相应的水泵、风机、阀门和风门等执行元件的开度。温度传感器是建筑设备自动化系统中最常用的传感器之一,也是种类最多的传感器之一。

在建筑设备自动化系统中对温度的检测主要用于:

①室内气温、室外气温,范围在-40℃~45℃;

②风道气温,范围在-40℃~130℃;

③水管内水温,范围在0℃~90℃。

通常采用接触式检测方式,传感器一般采用铂热电阻、铜热电阻、热敏电阻、热电偶等,测量精度优于±1%。温度检测器件的结构有墙挂式、水管式、室外温度式等。

感器的选型流程

热电阻有多种规格,除Pt100、Cu53等之外,国外有Pt1000、Pt3000等,也有铁镍合金BALCO500热电阻,它们基本上是线性元件。

热敏电阻的灵敏度大(是热电阻的100倍以上),但是它的输入、输出是非线性的,因此后续的R-V(电阻-电压)变换和信号调理电路比较复杂,要进行非线性校正。如果通过计算机软件进行非线性校正处理,则当测点数量增加时,其数据处理量将非常大,甚至会导致系统不能正常工作。其次是热敏电阻的互换性差,这给系统的维护带来一定的困难。

测量对象,如水、空气或油,对传感器的外层材料、防护等级等要求不同。安装位置,如室内、室外或管道,对传感器的外型要求不同。现场控制器可接受的类型包括:电压[0~10V(DC)]、电流(0~20mA或4~20mA)、1kΩ铂电阻、10kΩ热敏电阻、100kΩ热敏电阻等。传感器及变送器必须以提供现场控制器可接受的信号为原则。测量范围和测量精度决定于传感器的材料和变送器的输出。

(2)湿度传感器

在建筑设备自动化系统中对湿度的检测主要用于室内室外的空气湿度、风道的空气湿度的检测,也是建筑设备自动化系统中最常用的传感器之一。湿度传感器测得的空气相对湿度作为AI信号输送到现场控制器中,现场控制器以此来控制相应的加湿阀的开度。

常用的湿度传感器有:烧结型半导体陶瓷湿敏元件、电容式相对湿度传感元件等。湿度传感器的安装位置有室内、室外或管道,其输出信号一般都经变送器变为标准的电压[0~5V,0~10V(DC)]或电流(4~20mA)信号。

(3)压力或压差传感器

压力或压差传感器主要用来检测水管或是风管中的压力和压差,以此来控制相应的变频器以调整水泵或风机的转速,或是调节比例阀门的开度。水压力/水压差传感器主要用于冷热源系统中,用于监测水泵的运行状态和压差旁通控制,也有将水压力传感器安装在水箱内用于测量水箱的液位。压力或压差传感器通过模拟量输入通道将信号输入到现场控制器。

建筑设备自动化系统中常用的压力自动检测装置原理,它是位移式开环压力变送器。采用的弹性元件有弹簧管、波纹管、膜片等。

(4)流量传感器

流量传感器主要用来检测水系统中液体的流量,以此来控制相应水泵阀的数量。检测流量有多种方法,有节流式、容积式、速度式、电磁式等。在使用流量检测仪表时要考虑控制系统容许压力损失,最大、最小额定流量,使用场所的环境特点及被测流体的性质和状态,也要考虑仪表的精度要求及显示方式等。

(5)其他模拟量传感器

以上常用的传感器通常用来控制模拟量,它们的结构是传感器和变送器的组合。除此之外,建筑设备自动化系统中有时还会用到许多其他类型的特殊传感变送器,如用来检验空气中二氧化碳、一氧化碳浓度等的传感器(空气品质传感器),用来检测环境明暗程度的照度传感器;还有将各种电量,如电压、电流、功率、功率因数、频率转换为标准输出信号(4~20mA或0~10V)的电量变送器,它完成对大楼内变配电系统的各种电量的监测、计量、统计与记录。

3.开关量传感器

通常把检测得到的信号是数字量的传感器,称为开关量传感器。该信号将通过DI通道输入到现场控制器中。

(1)压差开关

压差开关有空气压差开关和水压差开关之分,都以两端的压差是否在规定的范围内来输出开关信号。空气压差开关主要使用在风机两端和空气过滤网两端,用于监测风机的运行状态和过滤网的清洁状态。水压压差开关通常用在水泵的两端,用于监测水泵的运行状态。

(2)水流开关(流量开关)

液体流量开关主要用于测量流经管道的液体流动状态,例如:水、乙烯等液体的流体,其典型的应用是使用在需要有连锁作用或“断流”保护的场所。

(3)液位开关

液位开关又可称为液位信号器,用于液位的报警。它是控制液体的位式开关,即是随液位变动而改变通断状态的有触点开关。按照结构区分,液位开关有磁性开关(也称为干式舌簧管)、水银开关和电极式开关等几大类。在楼宇自动化系统中最常见的是水位开关,用于对储水容器的报警液位的监测。

(4)防冻开关

防冻开关主要用于制冷系统的管道或各种需要进行过冷保护的设施,在冷水机组、新风机组、空调机组、汽车发动机等得到应用。在低于设定温度时,防冻开关给出信号,停止或加热防止设备管道冻裂。如在新风机组或在空调机组中,防冻开关设在表面冷却器之后,在检测到盘管后的温度超过温度设定值时,防冻开关立即动作(停止风机,关闭新风阀,打开热水阀门,并报警)。

1.3.2执行机构

1.执行机构的基本概念

执行机构也称为执行器,其在控制系统中的作用是执行控制器的命令,直接控制能量或物料等被测介质的输送量,是自动控制的终端主控元件。对现场控制器来说,通过DO或AO通道将命令输送给执行器件。

执行器安装在生产现场,常年和生产工艺中的介质直接接触,执行器的选择不当或维护不善常使整个控制系统不能可靠工作,严重影响控制质量。从结构来说,执行器一般由执行机构、调节机构两部分组成。其中执行机构是执行器的推动部分,按照控制器输送的信号大小产生推力或位移,调节机构是执行器的调节部分。执行机构使用的能源种类可分为气动、电动、液动三种。在智能楼宇中常用电动执行器。在结构上,电动执行机构除可与调节阀组装整体式的执行器外,常单独分装以适应各方面的需要。在许多工艺调节参数中,电动执行器能直接与具有不同输出信号的各种电动调节仪表配合使用。

2.电动调节阀

电动调节阀通常用来调节系统流量。凡是涉及流体的连续自动控制系统,除了采用电动机变频调速直接控制水泵或风机的转速以外,一般都采用调节阀调节流体的流量。这种方法投资最省,简单实用。如果能够正确选择阀门的结构形式和流量特性,同样能够取得良好的控制效果。

电动调节阀通常由阀体和阀门驱动器组成。阀门驱动器以电动机为动力,依据现场控制器输出的AO信号[0~10V(DC)电压或4~20mA电流]控制阀门的开度。阀门驱动器按输出方式可分直行程、角行程和多转式三种类型,分别同直线移动的调节阀、旋转的蝶阀、多转式调节阀配合工作。

阀杆的上端与执行机构相连接,当阀杆带动阀芯在阀体内上下移动时,改变了阀芯与阀座之间的流通面积,即改变了阀的阻力系数,其流过阀的流量也就相应地改变,从而达到了调节流量的目的。

调节阀有许多种,主要有:直通单座调节阀、直通双座调节阀(平衡阀)、隔膜调节阀、蝶阀、闸板阀等。

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