지능형 빌딩의 빌딩 자동화 시스템에 대한 이론적 분석?

1 소개

건물 자동화 시스템 (BuildingAutomationSystem) 은 건물 자동화 시스템 (BAS) 이라고도 하며 지능형 건물의 필수적인 부분입니다. 그 임무는 건물 내의 에너지 사용, 환경, 교통 및 안전 시설을 모니터링하고 제어하여 안전하고 안정적이며 에너지 효율적이고 편안한 작업 또는 생활 환경을 제공하는 것입니다.

2 빌딩 자동화 시스템 구성 및 기본 기능

건설 설비 자동화 시스템에는 일반적으로 난방, 배수, 배전, 조명, 엘리베이터, 소방, 보안 등의 하위 시스템이 포함됩니다. 우리나라 업계 표준에 따르면 BAS 는 장비 운영 관리 및 모니터링 하위 시스템과 소방 및 안전 예방 하위 시스템으로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 BAS 는 두 하위 시스템을 모두 고려해야 합니다. 소방안전예방서브시스템이 독립적으로 설치될 경우, 또한 BAS 감시센터와 통신을 설정하여 재해 발생 시 합의에 따라 운영권을 양도하고 종합적으로 통제해야 한다.

빌딩 설비 자동화 시스템의 기본 기능은 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 다양한 기계 및 전기 장비의 시동 정지를 자동으로 모니터링하고 제어하여 현재 작동 상태를 표시하거나 인쇄합니다.

(2) 다양한 기계 및 전기 장비의 작동 매개변수와 해당 변경 추세 또는 내역 데이터를 자동으로 감지, 표시 및 인쇄합니다.

(3) 외부 조건, 환경 요인 및 부하 변화에 따라 다양한 장비를 자동으로 조정하여 항상 최적 상태로 작동하도록 합니다.

(4) 각종 사고와 비상사태를 제때에 감시하고 처리한다.

(5) 건물 내 각종 기계 설비의 통합 관리 및 조정 통제를 실현하다.

(6) 에너지 관리: 물, 전기, 가스 계량료, 에너지 관리 자동화.

(7) 장비 관리: 장비 아카이브, 장비 운영 보고서, 장비 유지 관리 관리 포함.

3 빌딩 자동화 제어 시스템 원리

빌딩 제어 시스템은 현대 제어 이론에 기반한 분산 컴퓨터 제어 시스템으로, DCS (분산 제어 시스템) 라고도 합니다. 중앙 집중식 관리, 분산 제어', 즉 제어된 장비 현장에 분산되어 있는 마이크로컴퓨터 제어 장치 (DDC) 가 제어된 장비에 대한 실시간 감지 및 제어 작업을 수행하는 것이 특징이다. 컴퓨터 중앙 집중식 제어로 인한 위험 고도로 집중된 부족과 일반 계기 제어 기능의 단일 한계를 극복했습니다. 중앙 통제실에 설치된 중앙 관리 컴퓨터는 CRT 디스플레이, 인쇄 출력, 풍부한 소프트웨어 관리 및 강력한 디지털 통신 기능을 갖추고 있어 중앙 집중식 운영, 디스플레이, 경보, 인쇄 및 최적화 제어 등의 작업을 수행할 수 있습니다

다음은 분산 제어 시스템과 관련된 몇 가지 개념에 대한 설명입니다.

3.l 직접 디지털 제어 시스템 (DDC)

그림 2 에는 직접 디지털 제어 시스템 (DDC) 이 나와 있습니다. 컴퓨터는 아날로그 입력 채널 (AI) 및 스위치 입력 채널 (DI) 을 통해 실시간 데이터를 수집한 다음 특정 규칙에 따라 계산하고, 마지막으로 제어 신호를 보내고 아날로그 출력 채널 (AO) 및 스위치 출력 채널 (DO) 을 통해 생산 프로세스를 직접 제어합니다. 따라서 DDC 시스템은 폐쇄 루프 제어 시스템이며 컴퓨터가 산업 생산에서 가장 일반적으로 사용되는 응용 방법입니다.

DDC 시스템의 컴퓨터는 직접 제어 작업을 수행하므로 실시간 성능, 신뢰성 및 적응성이 필요합니다.

3.1..1직접 디지털 제어 시스템의 구성

직접 디지털 제어 시스템은 주로 프로세스 입력 채널, 프로세스 제어 컴퓨터 및 프로세스 출력 채널의 세 부분으로 구성됩니다.

프로세스 입력 채널은 아날로그 입력과 디지털 입력으로 구성됩니다. 아날로그 입력 채널은 송신기, 샘플링 스위치, 증폭기, A/D 변환기 및 인터페이스 회로로 구성됩니다. 여기서 트랜스미터의 역할은 비 전기 신호를 표준 전기 신호로 변환하여 온도, 압력, 트래픽을 0- 10mA 또는 4-20mA 의 DC 신호로 변환하여 A/D 변환기를 통해 구현하는 것입니다. 디지털 입력 채널은 스위치 접점, 옵토 커플러 및 인터페이스 회로로 구성됩니다. 생산 공정 켜기/끄기 상태를 반영하는 접점 신호는 옵토 커플러 및 인터페이스 회로를 통해 디지털 신호로 변환되어 컴퓨터에 공급됩니다.

프로세스 제어 컴퓨터는 운영 및 제어 작업을 직접 수행합니다. 먼저 프로세스 입력 채널을 통해 제어 대상의 다양한 매개변수 신호를 수집한 다음 PID 와 같은 미리 정의된 제어 규칙에 따라 작동한 다음 제어 대상에 제어 신호를 보내고 출력 채널을 통해 제어 밸브와 같은 실행 기관을 직접 제어합니다.

프로세스 출력 채널은 아날로그 출력과 디지털 출력으로 구성됩니다. 전자는 컴퓨터 출력의 디지털 제어 신호를 아날로그 전압 또는 전류 신호로 변환한 다음 돋보기 구동 조절 밸브와 같은 실행 기관을 통해 생산 과정을 제어합니다. 이 섹션은 인터페이스 회로, D/A 변환기, 증폭기 및 실행기로 구성됩니다. 후자는 인터페이스, 옵토 커플러, 증폭기 및 실행 기관으로 구성된 돋보기를 통해 출력되는 스위치 신호로 솔레노이드 밸브와 릴레이 실행 기관을 구동합니다.

3. 1.2 직접 디지털 제어 시스템의 기본 알고리즘

편차의 비율 (P), 적분 (I) 및 미분 (D) 에 따라 제어되며 연속 시스템에서 기술이 성숙하고 가장 널리 적용되는 기본 규칙입니다. PID 제어 법칙을 이산화하고 컴퓨터에서 구현하면 누적된 성숙한 기술을 쉽게 활용할 수 있으며, 제어 대상의 수학적 모형이나 매개변수가 불분명한 경우 온라인 튜닝을 통해 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다. 따라서 시뮬레이션 조정 법칙을 이산화하는 디지털 PID 알고리즘은 산업 프로세스 컴퓨터 제어 시스템에 의해 광범위하게 채택되어 DDC 시스템의 기본 알고리즘이 되었습니다.

디지털 PID 제어 알고리즘, 아날로그 조절기에 이상적인 PID 공식은

여기서 e(t)- 편차 (설정 값과 실제 출력 값의 차이)

U(t)- 제어량

KP- 축척 확대 계수

티 적분 시간 상수

TD- 미분 시간 상수

전달 함수로 쓰다

컴퓨터에서 구현하기 위해서는 연속 형식의 미분 방정식을 이산 형식의 차이 방정식으로 변환해야 합니다. 샘플링 기간 (t 는 시스템 시간 상수보다 충분히 작음), k 는 샘플링 시퀀스 번호 (k = 0, 1, 2, ...) 로 설정하고, 곱은 직사각형 방법으로 계산할 수 있으며, 미분 대신 미분을 사용할 수 있습니다.

여기서 e (k) 는 k 번째 샘플링에서 얻은 편차 값입니다.

E(k- 1)- 두 번째 샘플 (k- 1) 에서 얻은 편차 값입니다.

U(k)- k 번째 순간의 통제량.

상식에서 샘플링 주기 T 가 작을수록 (시스템 시간 상수에 비해) 제어 프로세스가 연속 제어 프로세스에 가까울수록 "준 연속 제어" 라고도 합니다.

3.2 분산 제어 시스템 아키텍처

분산 제어 시스템 (DCS) 은 1970 년대 중반에 출현하여 빠르게 발전했다. 컴퓨터 기술, 제어 기술, 그래픽 디스플레이 기술 및 통신 기술을 하나로 통합하여 현장에 분산되어 있는 장치를 제어하고 중앙 집중식 관리 및 운영을 용이하게 합니다. 이전 제어 시스템에 비해 단일 컴퓨터의 중앙 집중식 제어 부족을 피할 뿐만 아니라 일반 기기의 인간-컴퓨터 상호 작용 어려움의 단점을 극복했습니다.

분산 제어 시스템의 많은 마이크로컴퓨터가 중앙 제어 시스템의 단일 컴퓨터를 대체하여 구조적으로 위험을 분산시켜 신뢰성을 높였습니다. 기본 구조와 기능은 그림 3 과 같이 현장 제어 스테이션, 데이터 수집 스테이션, 엔지니어 스테이션, 운영자 스테이션, 모니터링 컴퓨터 및 관리 컴퓨터가 데이터 통신 네트워크를 통해 유기적으로 결합되어 계층형 분산 제어 시스템을 형성합니다.

3.2. 1 분산 제어 시스템 데이터 통신 네트워크

데이터 통신망은 분산 제어 시스템의 중추이다. 전체 분산 제어 시스템의 구조는 본질적으로 네트워크 구조이다. 현장 제어 스테이션, 데이터 수집 스테이션, 엔지니어 스테이션, 운영자 스테이션 및 모니터링 컴퓨터는이 네트워크의 "노드" 이며 CPU 및 네트워크 인터페이스를 포함합니다. 이들은 모두 네트워크를 통해 데이터를 보내고 받을 수 있는 고유한 네트워크 주소 (노드 번호) 를 가지고 있습니다. 네트워크의 모든 노드는 동등한 위치에 있으며 서로 의존하지 않고 자원을 즐길 수 있습니다. 또한 위험 분산 기능 구조 및 네트워크 아키텍처 영역에 큰 유연성과 확장성을 제공하여 분산 제어 시스템의 확장 및 업그레이드 요구 사항을 충족하고 매우 유연하고 편리하게 수행할 수 있습니다.

(1) 제어 네트워크의 특성분산 제어 시스템의 통신 네트워크는 일반 컴퓨터 네트워크와 다릅니다. 일반 통신 네트워크에 비해 다음과 같은 특수한 요구 사항이 있습니다. 1 신뢰성과 보안이 높고 전송된 정보가 절대적으로 정확하고 신뢰할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 중복 기술, 백업 조치 및 자체 진단 기능을 사용합니다. 예를 들어 control station 은 이중 CPU 보드와 이중 I/O 보드를 사용합니다. ② 실시간이 좋다. ③ 환경에 대한 적응력이 강하다.

(2) 네트워크 토폴로지: 버스 네트워크 및 링 네트워크는 건설 기계 자동화 시스템에서 일반적으로 사용되는 네트워크입니다. 두 구조 모두 두 노드 모두 네트워크를 통해 직접 통신할 수 있으며 모든 노드는 동등한 위치에 있습니다.

(3) 네트워크 통신 프로토콜은 건설 설비 자동화 시스템을 구성하며, 모두가 받아들이고 준수할 수 있는 작업 언어가 있어야 그 사이의 대화를 실현할 수 있다. 이것은 데이터 통신 프로토콜 표준입니다.

빌딩 자동화 제어 네트워크인 BACnet 프로토콜은 물리적 계층, 데이터 링크 계층, 네트워크 계층 및 애플리케이션 계층 또는 OSI 에 해당하는 1, 2, 3, 7 계층 프로토콜로 구성됩니다.

여기서 ARCnet 은 데이터 전송 속도가 2.5-20 bit/s 인 토큰 버스 네트워크이며 실시간 성능이 뛰어납니다. Ms/TP 는 EIA-485 하드웨어를 사용할 수 있는 마스터/슬레이브 토큰에서 데이터 링크 계층 기술입니다. BACnet 은 서로 다른 제조업체의 자동 제어 시스템 간의 통신 기술, 즉 한 "섬" 에서 다른 "섬" 으로의 상호 연결 기술을 구현합니다.

3.2.2 필드 버스 기술의 응용-분산 제어 시스템의 추가 분산

필드 버스 개요 (1) 필드 버스는 지능형 필드 장치와 자동화 시스템을 연결하는 디지털 양방향 전송 및 멀티브랜치 통신 네트워크입니다. 필드 버스마다 프로토콜, 인터페이스 표준에 따라 각기 다른 특징이 있습니다. 필드 버스 기술은 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다. ① 4-20mA 아날로그 신호 대신 디지털 신호를 사용하면 신호 변환의 정확성과 안정성이 크게 향상되므로 필드 버스는 가격 대비 성능이 뛰어납니다. 2 필드 버스는 장비 현장의 스마트 미터 (스마트 센서 및 스마트 실행기) 를 네트워크에 연결하고 제어, 경보 및 추세 분석 기능을 필드 계기에 분산시켜 제어 구조를 더욱 분산시켜 제어 시스템 아키텍처의 변화를 일으킵니다. (3) 동일한 필드 버스 표준에 부합하는 다른 제조업체의 기기와 장비는 네트워크로 상호 운용할 수 있으며, 표준마다 게이트웨이 또는 라우터를 통해 상호 연결할 수 있습니다. 필드 버스 제어 시스템은 개방형 시스템입니다.

(2)LonWorks 기술

LonWorks 는 완전히 분산된 로컬 운영 네트워크 (LON) 기술입니다. LonWorks 네트워크 노드는 뉴런 칩, 트랜시버, 펌웨어 및 I/O 인터페이스 회로로 구성됩니다. 이 지능형 노드는 Neuronchip 을 중심으로 미디어 액세스 제어 프로세서, 네트워크 프로세서 및 애플리케이션 프로세서로 구성되어 노드가 네트워크 통신뿐 아니라 제어 기능도 관리할 수 있도록 합니다. 뉴런 칩 블록 다이어그램.

펌웨어는 칩에 부착되어 LonTalk 통신 프로토콜 및 모든 작업 일정을 구현합니다. LonTalk 프로토콜은 ISO 가 제안한 개방형 상호 연결 참조 모델 OSI 를 따르고, 완전한 7 계층 프로토콜을 갖추고 있으며, 네트워크 노드의 통신을 관리하고, 노드 주소를 할당하고, 내장 충돌/감지 회피 알고리즘을 실행하고, 물리적/전기 연결을 제어합니다.

뉴런 칩은 제어 기능뿐만 아니라 미디어 액세스 제어 프로세서 및 네트워크 프로세서도 갖추고 있습니다. LonTalk 프로토콜은 칩 ROM 에 경화되어 LonWorks 의 마이크로노드가 중앙 구조의 완전 분산 제어 모드가 필요하지 않고 제어 기능이 필드 레벨 계기에 분산됩니다.

LonWorks 네트워크는 연선, 전력선, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 라디오, 적외선 등 다양한 통신 매체를 사용할 수 있으며, 동일한 네트워크의 신호가 서로 다른 미디어 간에 전송될 수 있도록 이러한 미디어에 적합한 트랜시버를 제공합니다. 따라서 필요에 따라 네트워크를 연결하고 서로 다른 미디어 간에 라우터를 통해 연결할 수 있습니다.

LonMark 는 많은 제조업체들이 LonWorks 기술의 의미를 다르게 해석하지 못하도록 하는 업계 표준이며, 서로 다른 제품을 쉽게 통합하여 진정한 오픈 시스템을 형성할 수 있도록 합니다.

(3) 분산 제어 시스템의 추가 분산

전통적인 분산 제어 시스템은 여전히 ​​현장 제어 스테이션 수준의 중앙 집중식 구조이며, 현재의 분산 제어 시스템은 기존 분산 제어 시스템과 LonWorks 필드 버스를 사용하는 건설 장비 자동화 시스템을 기반으로 개발 된 새로운 시스템입니다. 표준 LAN 은 BACnet 프로토콜을 사용하여 여러 공급업체의 서로 다른 하위 시스템 간의 통신 정보 교환을 용이하게 하고 제어 기능이 있는 고립된 섬을 하나로 연결하는 기존 분산 제어 시스템입니다. 새로운 LonWorks 필드 버스는 LonTalk 프로토콜을 사용하여 표준 LAN 과 필드 버스 사이의 라우터에 연결된 필드 레벨 계기로 제어 기능을 더욱 분산시킵니다. 이렇게 BACnet 과 LonMark 의 장점은 상호 보완적이고 상호 의존적이며 완전히 중앙화되고 진정으로 개방된 건축 설비 자동화 시스템을 형성한다.

4 빌딩 자동화 시스템 장비 개발 역사 및 관련 제품 소개

건물 설비 자동화 시스템은 지금까지 4 세대 제품을 경험했습니다.

1 세대: CCMS 중앙 모니터링 시스템 (70 년대 제품)

BAS 는 이미 계기 시스템에서 컴퓨터 시스템으로 발전했다. 중앙역은 컴퓨터 키보드와 CRT 로 구성되며 기록기기는 프린터로 교체된다. 건물 주변에 분산되어 있는 정보 수집 스테이션 DGP (센서 및 실행기에 연결됨) 는 버스를 통해 중앙 스테이션에 연결되어 중앙 모니터링 자동화 시스템을 형성합니다. DGP 하위 스테이션의 기능은 현장 장치 정보를 업로드하고 중앙 스테이션의 제어 명령을 게시하는 것입니다. 중앙 컴퓨터 한 대가 전체 시스템을 통제하고 있다. 중앙역은 각 지점의 정보를 수집하고, 결정을 내리고, 모든 장비에 대한 통제를 완성한다. 중앙역은 수집한 정보 및 에너지 측정 데이터를 기준으로 에너지 절약 제어 및 조정을 완료합니다.

2 세대: DCS 분산 제어 시스템 (80 년대 제품)

마이크로프로세서 기술의 발전과 비용 감소로 DGP 변전소는 CPU 를 설치하고 직접 디지털 컨트롤러 DDC 로 발전했습니다. DDC 지점에는 마이크로프로세서 칩이 장착되어 있어 모든 제어 작업을 독립적으로 수행할 수 있고, 완벽한 제어 및 디스플레이 기능, 에너지 절약 관리, 프린터 연결, 인간-기계 인터페이스 설치가 가능합니다. BAS 는 현장, 지점, 중앙 스테이션 및 관리 시스템의 네 가지 수준으로 구성됩니다. 분산 시스템의 주요 특징은 두 가지 연락 방식, 즉 중앙역이 모니터링을 완료하고, 하위 스테이션이 제어를 완료하고, 하위 스테이션이 완전히 자율적이며, 중앙역과는 무관하며, 시스템의 신뢰성을 보장하는 것입니다.

3 세대: 개방형 분산 시스템 (90 년대 제품)

필드 버스 기술이 발달하면서 DDC 지점은 센서, 실행기의 입력 출력 모듈에 연결되어 LON 필드 버스를 사용하여 내부에서 장치 사이트로의 분산 입력 출력 필드 네트워크 계층을 형성하여 시스템 구성을 더욱 유연하게 만듭니다. LonWorks 기술의 개방성으로 인해 변전소는 어느 정도 개방성을 가지고 있다. BAS 제어 네트워크는 관리 (중앙 스테이션), 자동화 계층 (DDC 지점) 및 현장 네트워크 계층 (LON) 의 세 가지 계층 구조를 형성합니다.

4 세대: 네트워크 통합 시스템 (2 1 세기 제품)

인트라넷이 설립됨에 따라 건설 설비 자동화 시스템은 불가피하게 웹 기술을 채택하여 기업 네트워크에서 중요한 위치를 차지하려고 노력한다. BAS 센터 스테이션은 웹 서버를 내장하고, 웹 기능을 통합하고, 웹 페이지를 작업 모드로 사용하여 BAS 와 인트라넷을 통합 시스템으로 만듭니다.

네트워크 통합 시스템 (EDI) 은 웹 기술을 사용하는 빌딩 장비 자동화 시스템입니다. 그것은 안전 시스템, 기계 설비 시스템, 소방 시스템을 포함한 관리 소프트웨어 세트를 가지고 있다.

EBI 시스템은 다양한 수준의 요구 사항을 충족할 수 있는 정교한 개방형 기술을 제공하여 현장, 자동화, 경영진에 이르는 모든 수준의 통합을 가능하게 합니다. EBI 시스템은 관리 시스템과 제어 시스템의 통합을 완료했습니다. 네트워크 통합 시스템의 구조도는 그림 7 에 나와 있습니다.

현재 규모가 크고 영향력이 큰 건설 설비 공급 업체는 호니웰, 존슨, KMC, 독일 지멘스입니다.

5 끝말

빌딩 자동화 제어 기술은 중국에서도 새로운 기술 분야이다. 더 많은 지능형 건물이 등장하면서 더 많은 첨단 기술이 이 분야에 추가되어 이 기술이 더욱 성숙하고 완벽해질 것이다.

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