楼宇智控系统

（一）系统概述

医院楼宇智控系统建成后将体现现代智能化建筑的特点，采用楼宇自动化控制系统对病房大楼内的机电设备进行监控管理。该系统一方面为大楼提供舒适、洁净的空气环境，另一方面监控和保障各种设备的正常运行。

楼宇自动化控制设计应充分结合医院的特点，体现医院大楼功能的先进性，并可扩展与其他系统接口，同时与医院的其他建筑在医疗和教学功能上保持完整性；充分体现现代科学技术和通讯技术在现代化医院的应用。作为从规模、档次上都非常高的现代化医院，医院设备种类繁多，能源消耗大，环境质量要求高，人员流动性大，安全性能要好，要充分体现先进的整体医疗软、硬件条件，搞好楼宇自控系统无疑至关重要。

从统计数据来看，空调系统占整个大楼的耗能在50%以上，而大楼装有楼宇自动化系统（BAS）以后，可节省能耗约25%，节省人力约50%。当前随着建筑物规模增大、标准提高，机电设备的数量也急剧增加，这些设备分散在大楼的各个楼层和角落，若采用分散管理，就地监测和操作将占用大量人力资源，有时几乎难以实现。如采用楼宇自动化系统，利用现代的计算机技术、控制技术和网络技术，便可实现对所有机电设备的集中管理和自动监测，确保楼内所有机电设备的安全运行，提高大楼内人员的舒适感和工作效率，长期保持设备的低成本运行。一旦设备出现故障，系统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。

为了将医院建成具有国际先进水平的现代化智能建筑群，向在大楼内的工作人员、病人提供安全、舒适、便利、快捷的卓越服务，建立先进和科学的综合管理机制，提高办事效率，需要设计一个具有最新技术、高运作效率、低维护成本、高可靠性和高性价比的楼宇设备控制系统。

系统可以对建筑物内的所有空调系统设备、通风排风设备、冷热源设备、给排水系统设备、供配电系统及一些重要电力设备、照明设备实行全时间的自动监测和控制，并同时收集、记录、保存及管理有关系统的重要信息和数据，达到提高运行效率，保证医院工作环境的特殊需求，节省能源，节省人力，最大限度地延长设备寿命的目的。

（二）需求分析

由于医院的特殊性，对空调系统的要求与一般楼宇不同，有以下一些特点。

1．对空气的品质要求高，包括温度、湿度、新风量、换气次数、洁净度等 医院一般在温湿度控制时采用湿度优先的原则，因为经研究，在相对湿度50%时，细菌浮游10分钟以后死亡，但是相对湿度偏高或偏低时，2小时后大部分细菌仍存活。此外，在新风量方面也要求达到每人每小时60立方米，是普通办公室的2～4倍。

2．因为新风量大，所以对节能要求明显 由于大量使用新风，对能源的消耗明显的增加，所以对楼宇自控系统的需求也更为明显。如楼宇自控系统能够在某些新风要求较高的区域，在无人状态下进行新风换气，从而减少正常使用时的能耗。

3．正压/负压控制 医院的部分场合有正压或负压的要求，如手术室一般有正压的要求，而传染病区则要求负压，只有采用楼宇自控系统才能保证压力的动态变化。

需要楼宇自控系统对以下设备进行监控。

（1）冷热源系统。

（2）空调通风系统（含医用净化空调系统）。

（3）送排风系统。

（4）给排水系统。

（5）变配电系统。

（6）照明系统。

（7）电梯系统。

（8）空气传输系统。

上述系统采用管理级网络、楼宇级网络和楼层级网络构成。

（三）系统设计思想

1．设计目标 楼宇自动化控制系统（BAS）是医院综合病房大楼智能化系统集成工程的重点之一。建设楼宇自控系统的目的在于为综合病房大楼提供舒适、可靠、安全的工作环境，对建筑物内的各种机电设备的正常运行提供高效的管理，同时考虑节约运行能耗，延长设备的使用寿命，减轻操作管理人员劳动强度，从而达到减少整个建筑运行费用的目的。因此，整个病房大楼的BA系统应体现舒适安全、自动控制、高效管理、节能等特色。系统设计目标如下。

（1）确保建筑物工作环境的舒适性。

（2）确保手术室、实验室和一些特殊病房对于空气质量的要求。

（3）确保所有设备时刻处于高效和最佳工作状态，并提供高效的管理。

（4）提高建筑物和内部人员整体安全水平和灾害防御能力。

（5）通过优化控制提高过程控制水平，提供最佳的能源控制方案，实现合理的能源管理，节约能源消耗，减少劳动强度。

（6）提供设备运行状态的有关资料、报表，实现设备维护工作的自动化；优化设备运行的控制，降低运行成本，节省人力，并实现系统功能和信息的共享。

（7）成为智能化系统集成的基础网络。

2．设计原则 楼宇自控系统应遵循下述原则。

（1）先进性：采用国际上先进的“集散型控制系统”，通过中央监控系统的计算机网络将各层的控制器，现场传感器、执行器及远程通信设备进行联网，实现集中管理和分散控制的综合监控及管理功能，或采用“全分布式系统”完成以上功能。系统支持目前业界先进的主流技术。

（2）安全性：系统的构成能保证系统和信息的高度安全性，采取必要的防范措施，使整个系统受到非法入侵或意外故障时，对系统破坏限制在最小程度。同时在系统控制方案的设计中，应充分考虑安保、消防等方面的要求，采取切实可行的联动措施，保障建筑内人员的健康和安全，以及建筑设备的安全运行。

（3）可靠性和容错性：分散控制、集中管理的特点，保证每个子系统都能独立控制，同时在中央工作站上又能做到集中管理，使得整个系统的结构完善、性能可靠。

（4）可扩展性：系统方案中的总线能力、软件资源、DDC-I/O点均应留有一定的余量，以便根据业主要求灵活增加少量控制点而无需增加额外的费用。另外，选用的BAS系统，允许在统一的集成监控平台下，扩展新的控制网络总线，所以系统规模可以成倍增加。

（5）可集成性：系统具有充分的开放性能。BAS系统应具有与其他建筑设备和系统产品进行数据通讯的能力，以便建立以BAS为基础的建筑设备集成管理系统（BMS），同时BAS系统应能向集成系统提供通信接口，具有和第三方作数据交换和信息共享的能力，以便后期根据业主要求实现管理信息系统集成。

（6）开放性和互操作性：系统容许不同厂家的产品组成一个完整的建筑设备自动化系统，并容许不同厂家的标准产品相互替换，以便系统今后的维护、扩展、更新。

（7）经济性：以切合大楼的实际情况为出发点，对各设备的监控方案进行优化，充分考虑实际需求，杜绝重复投资，使系统具有较高的性能价格比。

（8）易操作性：方案推荐一套完整的具有良好人机界面的软件系统，包括操作系统及应用软件，以支持BAS系统的正常工作。系统的操作界面为中文图形界面，采用网页化的方式进行浏览。

（四）系统特点

系统应符合以下要求。

1．采用多层网络结构 采用多层网络结构和世界先进技术，使集散系统无论在可靠性和技术上都达到世界领先的水平。

（1）管理网：利用图形工作站可以进入以太网进行数据管理（TCP/IP），实现区域性数据联网，提高管理水平，速率可达到10M bps。（可根据实际情况决定是否使用）。

（2）楼宇网：PC通过Peer To Peer Network（同层总线共享无主从方式），可以连接多达100台BLN控制器（如MBC、MEC等），速率可达到115.2 K bps。

（3）楼层网（LAN）：每台MBC的LAN网可连接多达96台独立式单元控制器或非独立式单元控制。为系统扩展及完成较大型集散系统提供了方便。系统同时支持LONWORKS。

2．集中管理分散控制

（1）网络管理域：采用高速以太网组成建筑物的信息主干网，符合TCP/IP协议。

可以利用OPC技术支持多种开放式协议（包括BACnet、ARCnet、LONTALK），兼容多种标准接口软件（包括ODBC、DDE等）。

可即时访问多个个人计算机图形工作站，允许第三方系统利用OPC客户端的应用程序对系统实行监测和控制，也可从系统上获取报警信息和事件记录，并为系统提供10M波特率的通讯速度。

（2）网络数据域：采用模块式智能型控制器MBC或MEC，可完全独立于中央站工作，并通过同层通讯总线（BLN）实现相互间的双向通讯和数据交换，通信速率可达到115.2 K bps。当系统通讯发生故障时，各个DDC仍然能独自完成正常的监控功能。

可以采用网关技术把冷冻机组控制器与BA系统相连接，实现BA系统对冷水机组的群控。

（3）控制数据域：可以在高/低压变配电柜内设置电流、电压、功率等变送单元，或者采用网关技术采集有关电流、电压、有功/无功功率、开关状态等电力数据。

空调系统通常由空气处理机组、新风机组、风机盘管等设备组成，BA系统检测和控制这些设备的运行状况和参数，同时根据对环境的需求调节机组的运行参数。

对于洁净室用净化空调机组负荷区域（如手术室等），则采用高精度温/湿度控制。

手术室、艾滋病房、P2、P3实验室的正压控制。

传染病房的负压控制。

医疗气体监控系统。

电梯、给排水系统的水泵水箱等设备由附近的控制器进行监测和控制。

智控系统网络结构见图5-5。

图5-5 智控系统网络结构图

3．系统硬件配置 系统由消控中心的楼控主计算机、分布在各地的智能分站、通讯线、各种现场装置组成，形成集散控制系统。整个大厦楼宇的自控系统需要满足冷热源、空调、新风、送排风、给排水、变配电、照明等设施的监控、管理要求。

4．系统软件配置 软件一般运行于Windows平台，应具有灵活的动态图形操作界面，软功能键、下拉式菜单，可用鼠标完成大部分功能，包括以下各项。

（1）面向对象的数据库操作。

（2）跨平台数据库数据交换。

（3）接口与服务器配置。

（4）数据采集与管理。

（5）运行参数与状态显示。

（6）运行记录报表的打印。

（7）中央调度及智能远动控制。

（8）故障诊断及报警。

（9）可制定权限。

（五）设计方案关键技术

1．中央监控系统软件可采用国际上最新知名的集散式控制系统，功能强大、先进，可建立以BAS为中心的集成设备管理系统，为整个大楼的信息化创造条件。

2．充分利用DDC控制网络及其扩展网络通讯的能力，采用分布式扩展模块，系统设计相对比较分散，使得I/O电信号布线大为减少，控制扩展网络可接Lonworks总线。

3．根据不同的功能区域的划分配置各控制点和设备，结合中央监控系统软件对不同功能区域的设备实行分区管理。做到既可以按照今后管理运行的要求对硬件、软件进行分区，又可以通过网络灵活地将各区域的设备集成在一个BAS系统架构下进行集中管理。

4．作为一个大型的多功能建筑，为降低能耗、减少运行费用而采用先进、成熟的节能控制技术和管理手段十分必要，设计方案应该为大楼的节能控制提供技术手段，如冷水机组的群控、空调水泵的控制、冷却塔台数控制、空调分区控制与管理、空调机温度控制、空调机最小新风量控制、新风机送风温度控制、新风门开度控制、新风送风量重设定控制、室内空气质量控制、焓值控制、室内压力控制、照度控制、热水温度控制、设备寿命均衡控制等；另一方面是运用能量管理软件，为大楼的节能管理提供管理手段，根据大楼内部的不同子系统的实际情况以及不同功能特点，收集大楼的能耗数据，进行分析评估，采取措施降低大楼的能耗。在设计方案中，应充分考虑到节能方面的需求，力求为建筑运行管理提供灵活的控制手段，以便管理者根据实际运行情况灵活采取管理措施降低运行费用。

5．按时间对公共照明灯光进行启停控制，将可以有针对性地控制和更好地节约电能。

6．BAS和冷热源系统、电梯系统、变配电系统、气动传输系统、应急柴油发电机组控制系统以及其他第三方设备的数据交换采用通讯接口方式，可极大地优化系统结构和性能。

7．由于采用了一个充分开放的网络软件体系结构，综合大楼设备监控系统和外部设备、系统的通讯连接和交换数据已经没有障碍，无论是将来有新的楼宇设备需要接入原系统，还是原系统接入更高层次的信息集成系统，都有最方便、可行的解决方案。

（六）重要设计策略

1．设备的节能和环保控制 如果说控制系统所面临的任务中，温度、湿度控制和提供舒适性环境，已经在20世纪得到了有效解决的话，那么在21世纪，工程师面临的任务就是更高的一个境界：节能和环保。

楼宇自控系统最新的发展是基于控制网络的全局优化控制，而这种全局优化所追求的目标和实际效果，就是节能和环保。目前根据负荷侧的实际需求，提供恰如其分的水量或者风量，已经达到精细化控制的程度。这是当前楼宇自控系统发展的主要特点之一。

为降低能耗、减少运行费用，有必要采用先进、成熟的节能控制技术和管理手段。如冷冻机组的群控、冷却塔台数控制、空调分区控制与管理、空调机温度控制、空调机最小新风量控制、新风机送风温度控制、新风门开度控制、送风机变频控制优化、室内空气质量控制、焓值控制、热水温度控制、设备寿命均衡控制等。

另一方面运用能量管理软件，为大楼的节能措施提供管理手段，根据大楼内部的不同子系统的实际情况以及不同功能特点，收集大楼的能耗数据，进行分析评估，采取措施降低大楼的能源消耗。充分考虑到建筑物节能方面的需求，力求为建筑运行管理提供灵活的控制手段，以便管理者根据实际运行情况灵活采取管理措施降低运行费用。

2．现场实时控制功能在DDC中编程组态完成 BAS所有监测和控制I/O点均通过数字式直接控制器（DDC）接入，系统中的监控工作站不直接参与被监控对象有输入输出联系。保证大部分控制单元的现场实时控制功能在DDC中编程组态完成，仅有部分规模较大的需要大范围协调的复杂控制，有可能需要在上位机中编制程序。因为DDC能够不依赖网络独立运行，这种组态策略，将极大地提高系统的运行可靠性。

可按照设计图纸，把相应区域的空调机、送、排风机及照明的监控点放在一起处理，这样既可以提高系统的可靠性，又方便于软件编程，组织控制功能。

3．精心设计冷水机组的台数控制策略 为节能目的，应将冷热源控制系统由设备承包商来设计的冷水机组运行台数控制，目的是希望带来巨大的经济效益。但是这种控制系统开通投运不易，失败的原因多种多样，其中相当一些工程的控制方案本身有失误。所以控制方案本身必须在原理上正确和有效，需要对这种控制系统有深刻的把握和认识，准确选择检测参数以及检测点位置，设计合理的控制策略。

4．根据空调水工艺参数计算选择调节阀门的途径 如果依据空调水系工艺参数合理设计调节阀门的型号和口径，将可以有效地补偿和校正空调水流速和盘管阻力之间的非线性特点，从而使调节装置在负荷的各点处，都能稳定有效地工作，这对于提高系统调节品质，延长调节阀使用寿命，有着重要意义。这是许多楼宇自控系统工程方案忽略的方面。

5．设计合理的闭环控制方案 闭环控制设备有空调机组等设备，需要制订PID闭环调节策略。现将PID调节控制框图（图5-6）列出如下。

图5-6 PID调节控制

6．楼宇自控系统与它方系统设备的接口 对于具有开放的数据通讯接口的系统，可配置BAS的数据通讯接口和它们连接，这样的系统有：冷冻机组、换热机组、变配电监控系统、柴油发电机组系统、电梯系统和生活水系统等。对于这部分的方案设计，有待明确设备以及通讯接口的详细规格后进一步细化。为了不失完整性，需要在方案中提出最通常的硬、软件选型，并做全面的设计。