N0.1 楼宇自控系统的概念

楼宇自控系统的概念始于1984年的美国，我国的楼宇自控出现于上世纪九十年代。

如今建筑智能化经历了多年发展和迭代，从最早的5A（BA楼宇自动化、0A办公自动化、CA通信自动化、SA安防自动化、FA消防自动化）建筑。

到现在以通讯技术为主要手段，通过运用物联网、大数据、人工智能以及边缘计算（数据现场就近处理，与之对应的是云计算）等技术，结合智能化平台实现对建筑内各类用电设备、生产活动的智能化建筑系统。

楼宇自控系统的特点

楼宇自控系统的组成

N0.2.楼宇自控系统的构架

目前，楼宇自控的控制系统的构架主要分为集散式控制系统（Distributed Control System，DCS，现场控制器+中央监控站）、现场总线控制系统（Fieldbus Control System,FCS，基于LonWorks、BACnet、Modbus、KNX等协议）及分布式智能控制系统。

1.集散式控制系统

通常，对于大型建筑来说，楼宇控制系统中需要进行监测和控制的设备种类非常多，且如中央空调等还会自成一套小型控制系统。

为实现对各类设备的集中管控，需要针对各个子系统进行整合汇聚，通过对各类子系统（或重要设备）先进行分散控制，再集中统一管理，为实现这一目标楼宇自控系统便应运而生。

楼宇自控系统利用多台计算机（控制器）单独分散控制对应的各个子系统，再通过网络通信协议将各个分控计算机连接到集中管理平台进行统一管理，从而实现对整体受控系统（设备系统）的整体控制。

在控制逻辑上，目前主流的系统形式呈现垂直式的三层结构：

具体为“现场层”、“控制层”及“管理层”，具体控制结构如图所示。

集散式控制系统构架

集散式具有金字塔似的控制结构，其具有可灵活组织控制系统，实现多样化控制的特点。

控制功能分散的同时，也对系统的危险因素进行了分散，当某一分支发生故障后对于整体系统的影响较小。因此这种控制结构相对简单可靠，维护成本低。

在集散式控制系统中，通过数字信号实现自动化系统对现场设备的控制，从而将基础设备以网络节点的形式连接起来，最终实现数字化通信的控制形式应运而生。

集散式控制系统（DCS）是传统楼宇自控（BAS）的主流架构，现场总线控制系统（FCS）是更先进、数字化、全分布式的方案，目前正逐步成为新建与改造项目的主流选择。

2.现场总线式控制系统

根据国际标准对于现场总线的定义为：安装在制造或者过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。

楼控系统以控制主站（上位机）为核心，组成包括:网络控制器、网络总线、现场控制器、传感器、执行机构以及一套完整的控制软件。

1）工作站（上位机）的布置规划

楼控系统的总控中心是整个系统的监控中心，布置在总控中心的主服务器和主工作站（上位机）是系统中最为关键的设备，各下端集成的子系统及工作站都依赖于主服务器工作。

同时现场任何故障信息都需要通过主服务器传输到各个工作站进行报警提示，故障信息也会在主工作站管理软件界面上提示管理人员以便处理响应。

通常商业、办公等公共建筑一般由物管公司统一负责运营管理，通常是楼宇自控系统的唯一管理者，为了便于人员管理且及时响应，通常将楼宇自控的总控中心与楼宇整体的安防控制中心布置在一起。

对于商业综合体而言，建筑结构竖向高度较低但结构水平跨度大，各类机房（制冷站、配电室、风机房、空调机房等）布置在地下室、各楼层。商业综合体的受控设备点位较多且分布区域分散。

为了更好的区分对一般设备和重点设备的差异化管理，满足系统的可靠性及经济性。通常可选择集中管理分散控制的现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）进行布置。

为保证系统的稳定可靠，数据不易丢失，必须使用带有处理功能的中间层网络控制器（PLC控制器、DDC控制器、智能网关、工业PC等）。

同时其应能够脱离任何上位机而独立控制及通讯，达到脱机后不影响楼宇设施管理系统运行及相应的联动效果。

2）通常管理网络建立在以太网络上（一种基于IEEE 802.3标准的局域网（LAN）技术，广泛应用于工业控制、自动化系统和信息技术领域，其核心特征是通过有线或无线方式实现设备间的高效数据通信，支持高带宽、低延迟和灵活的拓扑结构）。

3）控制层网络采用现场总线技术，其通信协议应选择满足国际标准的BACnet、Modbus、KNX、LonTalk、CAN等协议。

由此保证系统的通用性及开放性。为保证控制网络通信传输的高效性，要求通信传输速率≥9.6kbps，且控制总线长度不大于1200M，拓扑结构应采用网络结构总线。

4）对硬件的技术要求

中间层网络控制器是实现现场控制的核心设备。

为了保证项目通信的开放性，控制器应满足符合国际标准的互联控制协议（BACnet、Modbus、KNX、LonTalk、CAN等），不可选用私有协议的控制器。

通常具有现场可编程的能力并配置编程器所需的物理接口，便于检修和修改调整参数；具有断电后自动重启能力，停电期间可以保护储存数据，电力恢复重启无需外界干预。

现场控制器的配置安装应采用就进布置的原则，重要设备必须独立配置专用控制器。

总线式控制结构相比集散式具有一定的升级。

首先，在控制结构上，现场总线系统将大部分控制功能全权交给现场总线智能仪表完成，只将控制级最高的或是进行日常监测所需的控制站放在控制室中。由此将控制站的体量进行“瘦身”，在减少了I/O模块的同时，也将控制处理的任务分布到现场的智能仪表当中。

其次，因为现场总线控制系统采用数字化的总线协议进行控制，因此相较于集散式模拟信号分层控制而言，既可以节约现场设备与分层控制器连接后再分别与控制室连接的接线。且由于现场总线采用了开放网络协议，因此促使不同厂家可以实现数据互联共享。

为充分发挥两种系统的优点，在目前楼控系统的实际应用设计当中，往往综合了集散式控制系统结构上的优越性以及现场总线系统全数字通讯协议的开放性，从而实现更加完善的效果。

集散式现场总线控制方式

3.智能控制系统

楼宇智能控制系统有别于楼宇智能化系统，它是通过集成物联网（IoT）、大数据分析、人工智能（AI）和边缘计算等技术，实现对建筑内各类设备、环境参数及能源系统的高效管理与优化控制的综合系统。

楼宇智能控制系统的特点可归纳为以下方面：

1）基于实时传感器数据（如温湿度、光照、CO₂ 浓度、人员密度等），系统可自动调整HVAC（暖通空调）、照明、安防等设备的运行策略，无需人工干预。

通过AI算法（如机器学习、模糊逻辑）分析历史数据和环境变化趋势，动态优化控制策略。例如，根据天气预报提前调整空调负荷，或依据人员活动规律优化照明分区。

2）通过实时监测和预测分析，系统识别能耗异常（如设备空转、过度供冷/供热），并自动调整设备启停或运行参数，降低能源浪费。

集成能源管理系统（EMS），结合电力来源（如光伏、储能）和碳排放模型，实现建筑碳排放的量化与优化。与电网联动，在用电高峰时段自动切换至节能模式，响应分时电价政策，降低运营成本。

3）打破传统子系统（如消防、安防、BA系统）的孤岛状态，通过统一平台实现数据共享与联动控制。

例如，火灾报警触发后，系统可自动关闭通风管道并启动排烟系统。采用标准协议（如BACnet、Modbus、KNX）和API接口，支持与第三方系统（如BIM、ERP）的无缝对接，确保系统扩展性与兼容性。

4）部署边缘计算节点，对关键设备（如冷水机组、变压器）进行振动、温度、电流等参数的实时监测，结合数字孪生模型预测设备健康状态。通过AI算法分析历史故障模式，提前预警潜在问题（如风机效率下降、管道堵塞），减少停机时间并延长设备寿命。

5）亟待解决的问题

目前，楼宇智能系统部署涉及硬件（控制器、传感器）、软件（平台授权）及人工费用，总体投资较大，投资回报期长，短期缺乏直接受益。兼容性有待提高，子系统之间数据格式常常不统一，跨品牌系统集成需要额外开发适配层。

另外楼宇智能控制系统还面临安全性问题，接入互联网后可能会遭受Dos攻击、数据篡改等，核心控制器故障可能导致整个建筑各子系统失控，特别是对于大规模、超高层建筑，机电系统失控将面临极其严重的后果（如电梯停运、消防系统失效等）。

N0.3楼宇控制系统的通信网络及硬件

楼控系统为实现设备远程控制的核心功能，由高效的通讯网络架构以及可靠稳定的硬件设备组成。经过技术的不断革新，目前主流的楼控系统通常采用两层网络结构。

将工作站与各个通信控制器上端相连作为管理层；将现场设备与智能控制器连接并通过现场总线接入通信控制器下端作为控制层。两层网络结构中，根据需要实现的功能和特性，亦采用不同的通信协议。

首先管理层的核心功能是实现对于楼宇自控设备的运行状态监测，同时对受控的

机电设备进行集中管理。在楼宇机电系统日益复杂且受控设备不断增加的情况下，为了更加简易、直观而全面的向管理人员展示系统的信息。

工作站主机界面通常采用访问Web浏览器的方式实现随时随地的人机交互（即B/S网络体系），以便在不需要安装应用程序的情况下完成对设备的“远程管理及控制”。

因此，管理层网络建立在以太网络上，通信采用的主要是TCP/IP协议。作为楼控系统的核心控制设备，工作站（包含主机、显示器及打印机）及Web服务器直接通过以太网连接。

其次在控制层中，最为核心的硬件设备包括现场控制器、执行器和传感器。现场控制器通常采用DDC或PLC，作为模数转换（A/D）装置通过四种信号形式与执行器和传感器连接通信，分别为模拟量输入（AI）、模拟量输出（AO）、数字量输入（DI）及数字量输出（DO）。

具体的控制运算通过内部可编程控制器（通常采用PID调节器）实现，在一般暖通空调系统中根据三种基本控制需求及它们的各种组合以对受控对象进行控制。

三种具体的控制需求为：

1）比例（P）调节

比例调节是一种通过控制量（输出）相较于偏差值作出即时反应的快速调节方式。在某设定系数的控制下，当偏差发生时调节器动作使偏差减小。

缺点：当控制对象因存在自平衡性而产生静差时，虽然增加比例系数可以有效减少静差，但如值超过一定范围，将引起输出量的震荡从而影响调节器的稳定性。

2）比例积分(PI)调节

比例积分调节，为将比例调节器中的静差尽量减小，控制比例系数的数值。当偏差值（在不为零的情况下）出现时，在比例调节输出的基础上，增加一个同方向且随时间变化的输出量进行调节，直至系统达到稳态。

缺点：消除静差过程的稳定性会随着的增加而增加，但过大的调节时间将使得调节效果产生滞后，最终将反应为受控设备的调节效率下降。

3）比例积分微分(PID)调节

为尽量消除静差，同时将调节用时尽量降低，不仅偏差量作出调节反应，还要对偏差量的变化趋势（或强度）也作出相应调节。于是在比例积分调节的基础上增加了微分调节。

网络控制器（DDC、PLC等）通过总线协议与通讯控制器（网关）连接，使得控制层具有开放性接入设备的通信基础，同时因DDC控制器通常就近布置在设备现场，因此其具有实时通信且抗干扰的优点。

最后，控制器作为BAS系统架构的核心设备，提供了管理现场网络并向操作站发布信息的功能。其内置了操作系统和监控软件，提供自动化服务的同时，可以保证在工作站关闭的情况下也不影响系统的工作运行。

N0.4能否采用无线的形式控制

现代公共建筑通常规模大，各类设备机房、控制末端的位置相对分散，由此造成系统管线综合路由异常复杂。

且为实现建筑空间内部的各类功能实现和用户体验，末端机电设备的种类亦十分繁多且系统庞大。

故大型公共建筑对于电气设备自动化控制系统的可靠性和稳定性具有较高要求，同时应保证控制系统能够良好兼容系统内的各类受控设备。

为满足上述要求，建筑智能化控制系统通常需选用有线型通讯控制方式，可以更好地满足控制信号通讯传输的稳定性及可靠性。

注：关于楼宇自控系统将会分若干篇文章进行详细介绍及分享，敬请关注！