页数：144页文件大小：5.76 MB来源： 智能建筑环境设备自动化ppt课件
本课件讲解建筑设备自动化系统的主要硬件设备，先介绍计算机控制系统与集散、现场总线两类控制系统的结构与特点，再展开DDC控制器的软硬件结构与四种I/O通道原理，并系统说明温湿度、压力、流量等传感器以及电动调节阀、风门等执行器的选型与计算。
智能建筑环境设备自动化
建筑与艺术学院 · 楼宇智能化专业
第2章 建筑设备自动化系统的主要硬件设备
章节导读：第1章回顾——对BAS做了初步的介绍
学习了第1章后，读者将接着思考：BAS的组成设备有哪些？这些设备又是怎样的？
本章思路与核心内容
通过本章的学习，读者将为BAS在暖通空调、给排水、照明等机电设备的应用打好基础。
引例
2.1 计算机控制系统简介
2.1.1 自动控制系统简介：自动控制系统的组成
自动控制系统即受控对象和控制装置的总体。
1）被控对象：在自动控制系统中，需要控制工艺参数的生产设备叫做被控对象，如空调房间、换热器、空气处理设备、制冷设备、锅炉、供热管网等。
调节参数：为克服干扰对被控变量的影响、实现控制作用的参数。
2）测量变送器
在BAS工程中，常将测量传感器和变送器统称为传感器。
3）控制器（也称为调节器）
控制器可以是机械装置、电子电路器件，或是计算机系统，DDC控制器实际上就是一台计算机。
4）执行器
根据调节器的指令p，成比例地转换为直线或角位移（如阀门的开启度），从而改变输送物料或能量的多少，实现对被控变量的控制。
自动控制系统方框图
图示自动控制系统各环节的组成与信号流向：受控对象、测量变送器、调节器、执行器依次构成控制回路。
2. 负反馈和闭环控制系统
负反馈与正反馈
在闭环自动控制系统中都采用负反馈：只有负反馈才能使被控变量受干扰升高时，经比较使偏差降低，调节器发出信号使执行器反向变化，被控变量回到设定值。若采用正反馈，控制作用不仅不能克服干扰，反而会推波助澜，使偏差越来越大，直到超出安全范围而破坏生产。所以自动控制系统绝对不能单独采用正反馈。
知识链接
3. 自动控制系统的分类
按给定值信号的特点，将闭环自动控制系统分为三大类：
2.1.2 计算机控制系统的简介：计算机控制系统的结构
计算机控制系统主要由检测元件、A/D转换器、控制器、D/A转换器、执行器和被控对象等几个部分组成。
计算机控制系统中的控制器
2. 计算机控制系统的工作过程
计算机控制系统的硬件组成和软件
工业控制计算机是按工业生产特点和要求而设计的计算机，与普通计算机相比具有可靠性高、实时性好、环境适应性强、过程输入输出功能强的特点。
工业控制计算机硬件组成
图示工业控制计算机系统的硬件构成，包括主机、外围设备、过程输入输出通道与人机交换设备等部分。
计算机系统的软件组成
4. 计算机控制系统的类型
在实际工作中，应根据建筑设备的功能类别、管理要求及建设投资等实际情况，选择合适的计算机控制系统类型。
1）操作指导系统
计算机的输出不直接用来控制生产对象，而只对系统过程参数进行采集、加工处理，然后输出数据，操作人员根据这些数据进行必要的操作。
2）直接数字控制系统
Direct Digital Control System，简称DDC系统。其工作原理是用一台微型机对多个被控对象进行巡回检测，检测结果与设定值进行比较，再按直接数字控制方法进行控制运算，然后输出到执行机构，对生产过程进行控制，是全自动控制系统。
3）计算机监督控制系统
Supervisory Computer Control，SCC。计算机按照描述生产过程的数学模型，计算出最佳给定值送给DDC计算机或模拟调节器，最后由DDC计算机或模拟调节器控制生产过程，从而使生产过程处于最佳的工作状态。
特点：系统可根据生产过程的变化不断改变设定值，使系统适应生产过程的变化，以达到最优控制目的。
4）集散控制系统与总线控制系统
分别参见2.1.3和2.1.4两小节。
2.1.3 集散控制系统
集散控制系统也称为分布控制系统（Distributed Control System，DCS）。早期的集中控制系统由一台中央计算机集中处理所有现场状态，对所有被控对象实施控制，完成控制系统的所有功能，中央计算机必须有足够的处理能力和极高的可靠性；若中央计算机有故障，则会波及整个控制系统的运行。
DCS的设计原则
当前，集散控制系统在工业控制领域和楼宇自动控制领域都得到了广泛应用，成为过程控制领域的主流控制系统。
2. DCS的体系结构
DCS通常分为三层：分散过程控制层、集中操作监控层、综合信息管理层。各层间由通信网络连接，同层内各装置之间由本层的通信网络进行通信联系。
（1）分散过程控制层
直接面向生产过程，是DCS的基础，直接完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能。
（2）集中操作监控层
面向操作员、控制系统工程师，确保其对系统进行组态、监视和操作，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估等。
（3）综合信息管理层
实际上是一个管理信息系统（Management Information System，MIS），由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成，目的是实现整个企业的综合信息管理，主要包括生产管理和经营管理。
（4）通信网络系统
DCS各层之间的信息传输主要依靠通信网络系统来支持。根据各级的不同要求，通信网分成：
2）DCS的特点
（2）软件模块化
提供丰富的功能软件，用户只需按要求选用即可，大大减少了用户的开发工作量。功能软件主要包括：
操作显示软件包与报表打印软件包
过程控制语言提供给用户开发高级应用程序，如最优控制、自适应控制、生产和经营管理等。
（3）控制系统组态
DCS设计了使用方便的面向问题的语言，为用户提供了数十种常用的运算和控制模块，控制工程师只需按照系统的控制方案进行控制系统的组态，极大地提高了系统设计的效率。
只有在按要求完成组态工作之后，DCS才真正成为一个适于某个生产过程使用的应用控制系统。
（4）通信网络的应用
整个集散型控制系统的结构实质上就是一个网络结构，通信网络是集散型控制系统的神经中枢，将物理上分散配置的多台计算机有机地连接起来，实现了相互协调、资源共享和集中管理。通过高速数据通信线将现场控制站、局部操作站、监控计算机、中央操作站、管理计算机连接起来，构成多级控制系统。
（5）可靠性高：体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的元件。
2.1.4 现场总线控制系统背景
FCS的组成（从物理结构上来说）
现场总线作为底层控制网络，肩负着测量控制的特殊任务，具有信息传输实时性强、可靠性高、多为短帧传送等特点，传输速率一般在几kb/s至10Mb/s。
1. FCS的体系结构
总体上为令牌加主从的混合介质存取控制方式。
DCS与FCS的比较
DCS与FCS的比较（续）
2）FCS的功能
3）FCS的主要特点
特别提示
现场总线控制系统FCS以全数字化、全分散的结构取代传统DCS，是楼宇自动控制领域的重要发展方向。
2.2 DDC控制器回顾
思考：DDC控制器在BAS中的地位作用是什么？
2.2.1 DDC控制器简介
DDC控制器是BA系统的核心。
怎样应用DDC
1）DDC的硬件和软件
所有这些监控功能均由各类传感器、电动执行装置、阀门等配合DDC控制器共同完成。DDC的硬件和软件都以一定的标准制成多种类型的模块。
2）DDC的结构类型
此外，还有专用于末端设备控制的小型专用DDC（VAV末端DDC、风机盘管专用DDC等），以及执行器与控制器一体化的DDC。
3）DDC控制箱
BAS根据需要有时会将几个控制器安装在同一个控制箱内，但从功能上说，每个控制器实际上是一个现场控制站。
3. DDC的输入输出通道（I/O通道）
DDC利用传感器和检测设备通过DI、AI通道监测空调机组的有关数据和状态，通过DO、AO通道将控制命令送给执行机构实施控制。在实际控制回路中，DDC常常不能直接控制相关设备，中间还要用到变频器、继电器等辅助控制器。
4种最基本类型的I/O通道
（1）模拟量输入（AI）端口
输入的模拟量主要有温度、压力、流量、液位、空气质量等，经传感器（变送器）转变为0~5V、0~10V、0~20mA、4~20mA等标准电信号，经AI端口进入DDC，经过内部的A/D转换器转换成数字量，再由DDC进行分析处理。
（2）数字量输入（DI）端口
开关量传感器将开关信号经DI端口送入DDC，DDC可直接判断DI输入端口上的开关信号并转化成数字信号，"通"为"1"，"断"为"0"。一般数字量接口没有接外设或外设断开时认定为"0"，外设开关信号接通时认定为"1"。
（3）模拟量输出（AO）端口
当外部需要模拟量输出时，系统经过D/A转换器转换后变成0~5V、0~10V、0~20mA、4~20mA等标准电信号，模拟量输出信号一般用来控制风阀或水阀等。
（4）数字量输出（DO）端口
当外部需要数字量输出时，系统直接提供开关信号来驱动外部设备。DO信号连接的有继电器的触点、NPN或PNP晶体管、晶闸管等，用来控制接触器、变频器、电磁阀、照明灯等。
1）DI通道详解
2）DO通道详解
3）AI通道详解
DDC的AI通道用来输入模拟量信号，如温度、压力、流量、液位、空气质量等，标准的电信号如0~10V、4~20mA。一般推荐在传输距离较长时尽可能采用电流信号，以降低线路损耗。这些标准电信号进入DDC的AI通道，经过内部的A/D转换器转换成数字量，再由DDC进行分析处理。
AI通道的信号与接线
AI通道接线示意
图示DDC控制器AI通道与现场传感器（变送器）之间的接线方式，采用RVVP 2×1.0屏蔽软线。
4）AO通道详解
AO通道接线示意
图示DDC控制器AO通道与电动执行机构的连接方式，以及电流型与电压型信号的转换。
4. DDC应用举例
DDC对空调机组的监控应用：DDC利用传感器和检测设备通过DI、AI通道监测空调机组的有关数据和状态，通过DO、AO通道将控制命令送给执行机构实施对空调机组的控制。
照葫芦画瓢：绘制监控原理图。
空调机组监控原理图示例
图示DDC对空调机组监控的原理图，包含温度、压差等传感器输入与风阀、水阀等执行器输出回路。
2.2.2 DDC控制器产品简介
应用最广泛的三家公司的DDC产品：
1. 西门子APOGEE系统的DDC控制器
2. 霍尼韦尔公司Excel5000系统的DDC
霍尼韦尔公司提供的IBMS建筑集成管理平台被称为EBI系统（如图2.15所示）。
EBI系统与Excel5000系统
图2.16 Excel5000系统的组成。
Excel5000系统的组成
图示霍尼韦尔Excel5000系统的网络与设备组成，包括中央站、现场控制器及现场设备。
霍尼韦尔Excel5000系统的DDC控制器
图示Excel5000系统的DDC控制器产品与模块构成。
3. 江森自控公司Metasys系统的DDC
介绍江森自控Metasys系统的DDC控制器产品及其系统构成。
Metasys系统的DDC
图示江森自控Metasys系统的DDC控制器及网络控制单元的构成。
2.2.3 BAS中常用的控制方式？
2. 双位控制
图示双位控制的输出特点：被控变量在设定的上限与下限之间往复波动，输出只有全开与全关两种状态。
双位控制输出特性
图示双位控制中被控变量随时间的振荡波形，以及控制器输出的通断规律。
3. 比例控制（P）
比例控制的定义：控制器输出信号与偏差成比例。
控制原理：比例控制器由负反馈放大环节构成，输出与偏差成正比，经执行器作用于被控对象，被控量发生变化再经检测环节返回，如此循环往复，最终在接近设定值时被控量受控。
控制器输出的变化量 = 比例增益 × 偏差
输出变化量的方向：与偏差变化方向相反，即通过控制器的负反馈作用，使被控量向设定值靠拢。
比例控制的特点
比例带与调节过程
图示不同比例带取值时比例控制的调节过程曲线，比较其动态品质差异。
比例调节的缺点：静差
4. 积分控制（I）
积分控制的定义：控制器输出信号的变化量与偏差对时间的积分成正比，即输出变化速度与偏差成正比。
只要偏差存在，控制器输出就会不断变化，直到偏差被消除为止。
积分控制的特点
因此，一般不单独使用积分控制，而是与比例控制组合成比例积分（PI）调节。
5. 比例积分（PI）调节
PI调节是比例控制与积分控制的组合：比例部分使输出立即响应偏差的变化，积分部分使输出随时间的积累逐渐消除静差。
比例作用与积分作用的变化速度不同，调节过程中两者相互补充。
PI调节的输出曲线
图示PI调节过程中比例分量、积分分量与总输出随时间变化的曲线。
PI调节的参数整定
PI调节器需要整定两个参数：比例带（或比例增益）与积分时间。应根据被控对象的特性与调节品质要求进行整定。
6. 比例积分微分（PID）控制
PID控制在PI控制基础上增加微分（D）作用：微分输出按偏差的变化速度（变化趋势）动作，具有超前调节作用，可抑制超调和振荡，缩短调节时间。
完整的PID控制综合了比例、积分、微分三种控制规律的优点。
PID控制的响应曲线
图示PID控制下被控量的过渡过程曲线，以及比例、积分、微分各分量对调节品质的影响。
2.3 BAS中的主要传感器
BAS中主要有哪些传感器？作用是什么？如何应用？
温度传感器的类型
图示BAS中常用温度传感器的类型划分，包括金属热电阻、热敏电阻与集成电路温度传感器等。
1. 金属热电阻
热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。
金属热电阻的测量精度较高，常用于空调机组的送风、回风温度测量。
金属热电阻的常用材料
铂热电阻分度表给出0℃、100℃、200℃等温度点对应的阻值（如Pt100在0℃时阻值为100Ω，100℃时约为138.5Ω，200℃时为175.86Ω），可用于校验与换算。
说明：源文件中铂热电阻分度表的数值为扫描识别结果，行与列的对应关系不完整，此处按标准铂热电阻分度值的核心数据点说明，完整分度表请对照教材核对。
2）铜电阻
2. 热敏电阻
由半导体材料制成，电阻温度系数大、灵敏度高、体积小，但电阻与温度呈明显的非线性关系，互换性较差。
3. 集成电路温度传感器
温度传感器与安装
图示各类温度传感器的外形、探头结构及在风管、水管上的安装方式。
4）温度传感器选型
2. 湿度传感器
湿度测量属非电量测量，与温度测量相比难度较大：湿度传感器必须直接暴露于被测环境中，易受污染而影响长期稳定性和使用寿命。
工程上通常测量的是相对湿度。
湿度的基本概念
相对湿度与温度密切相关：温度变化时，即使含湿量不变，相对湿度也会随之改变。
2）相对湿度传感器的测量方法
3）常用的湿度传感器
湿度传感器
湿度传感器将相对湿度转换为标准电信号（如0~10V或4~20mA），送入DDC的AI通道，用于室内外空气相对湿度的监测与控制。
湿度传感器外观
图示壁挂式、风道式等湿度传感器的外形与安装形式。
3）常用的湿度传感器（续）
湿度传感器结构
图示湿度传感器内部湿敏元件、转换电路与输出信号端的连接关系。
4）湿度传感器的安装
应远离门、窗、出风口等温湿度剧烈变化的位置。
湿度传感器安装与接线
图示湿度传感器与DDC的AI通道之间的接线方式及安装位置要求。
3. 压力传感器
压力传感器是工业实践与BAS中最为常用的一种传感器，其种类很多，按被测对象不同分为表压、绝对压力、差压等，按工作原理分为应变式、压阻式、电容式、电感式等。
在BAS中，压力传感器广泛用于水系统、风系统的压力（压差）监测。
压力传感器原理
图示压力传感器将压力转换为电信号的敏感元件结构与转换电路原理。
2）常用压力传感器
压阻式压力传感器
利用单晶硅的压阻效应：在硅膜片上扩散形成电阻条，受压后电阻率发生变化，通过惠斯登电桥转换为电压信号输出。
压力、压差传感器的安装
图示压力与压差传感器在水管、风管上的安装方式与取压点布置。
4. 流量传感器
流量的测量对象很广，测量方法很多。BAS中常用的流量传感器（流量计）有：电磁流量计、涡轮流量计、超声波流量计、孔板（差压式）流量计等。
流量测量主要用于冷热源系统、空调水系统的水量计量与能耗统计。
5. 液位传感器
液位测量也属于非电量测量，且被测对象形态多样（水、油、冷冻液等）。常用方法有：浮子式、差压式、电容式、超声波式、电极式等。
在BAS中主要用于水箱、水池、膨胀水箱等的水位监测与报警。
6. 其他类型的传感器
1）防冻开关（低温保护开关）：安装在空调机组盘管表面，当表面温度低于设定值（如5℃）时动作，输出开关信号送入DDC的DI通道，用于防止盘管冻裂。
2）节能和经济运行管理系统相关传感器；3）防火设备联动控制相关传感器。
2）节能和经济运行管理系统
BAS通过能耗计量、优化启停、负荷调节等经济运行策略，实现建筑设备的节能运行与运行费用的降低。
3）防火设备联动控制
火灾报警确认后，BAS按消防联动逻辑控制相关设备：停止空调机组、关闭新风阀、启动防排烟风机、迫降电梯、切断非消防电源等。
1）气流压差开关
用于监测空气过滤器前后压差：当过滤器积尘堵塞、压差超过设定值时，压差开关动作输出开关信号，提醒运行人员清洗或更换过滤器。
也可用于监测风机运行状态与皮带断裂报警。
2）防冻开关
防冻开关安装在空调机组盘管的出风侧表面，沿盘管表面蛇形敷设，当盘管表面温度低于设定值（通常为5℃）时，输出开关信号送入DDC的DI通道，联动关闭新风阀、停风机或加大热水流量。
3）空气质量控制
通过二氧化碳（CO₂）浓度传感器监测室内空气质量，当浓度超过设定值时增加新风量，实现按需通风（DCV），在保证室内空气品质的同时降低新风处理能耗。
开关量传感器实物
图示防冻开关、气流压差开关、水流开关等开关量传感器的外形与安装方式。
2.4 执行器 · 2.4.1 概述
1. 执行器的作用：DDC控制器经逻辑运算产生的控制信号，通过输出通道（AO或DO）送入执行器，由执行器执行控制动作，直接控制能量或物料等被测介质的输送量。执行器类似于人的“手脚”，是自动控制的终端主控器件；它安装在生产现场，常年与工艺介质直接接触，选择不当或维护不善会使整个控制系统不能可靠工作。
2. 执行器的组成与分类
3. 执行器与控制器之间的连接
2.4.2 电动调节阀
电动调节阀的组成
1. 电动执行机构 · 1）工作原理
直线移动电动调节阀的原理：阀杆上端与执行机构相连接，阀杆带动阀芯在阀体内上下移动时，阀芯与阀座之间的流通面积和阀的阻力系数随之变化，流过阀的流量相应改变，从而达到调节流量的目的。调节阀的阀位与控制器输出的AO信号（0~10V DC）成线性关系。
2）执行机构的安装
本页源文件未提取到文字说明，内容为电动执行机构的安装图示，展示执行机构与阀体的装配关系及在工艺管道上的安装做法。
说明：本页为图片内容，文字说明建议对照原课件图片补充。
3）连续调节时执行机构与DDC控制器的连接
图示连续调节方式下电动执行机构与DDC控制器之间的接线关系：控制器AO通道输出0~10V或4~20mA标准信号，经屏蔽软线送至阀门驱动器，阀门位置反馈信号回送控制器。
说明：本页为图片内容，具体端子编号建议对照原课件图片补充。
2. 阀门
选择阀门除注意按工艺参数计算口径和选择流量特性外，还应注意阀体材料、连接方式以及正、反作用等。
3. 调节阀流量特性及口径的选择 · 1）调节阀的流量方程式
从流体力学的观点看，调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件。对不可压缩的流体，由能量守恒原理可推导出调节阀的流量方程式。
可见当流通面积F一定、阀门前后压差（p1－p2）不变时，流量仅随阻力系数变化。
阻力系数
2）调节阀的流量特性及其选择 · （1）调节阀的流量特性
本页源文件未提取到文字说明，内容为调节阀理想流量特性曲线图，反映相对流量随相对开度变化的规律。
说明：本页为图片内容，曲线所对应特性类型建议对照原课件图片补充。
（2）换热器特性
是指被加热流体的相对温升θ/θmax 与热媒的相对流量q/qmax 之间的关系，水—水换热器的静特性曲线如图2.69所示。
换热器的这一非线性特性，是选择调节阀流量特性时需要考虑的重要因素。
（3）调节阀流量特性的选择
特性阀的应用场合
a．对数（等百分比）特性阀
b．直线特性阀
3）调节阀口径的计算与选择
目前工程中阀门口径选择的随意性较为严重，有的直接使调节阀口径与管径一致，或者相对管径缩小一号。
正确做法：首先求出阀门流通能力Kv（计算公式参见表2-6），Kv的定义是阀全开、阀两端压差为105Pa、水的密度为1g/cm3时每小时流经阀的流量数（m3/h）；然后按厂家给出的资料确定阀门口径。
表2-6 调节阀流通能力Kv计算公式
本页源文件未提取到文字内容，仅有图片，应为调节阀流通能力Kv计算公式表，列出不同介质与工况下的Kv计算公式。
说明：本页为图片内容，Kv计算公式请对照原课件表2-6补充。
阀门流通能力Kv计算举例
本页以例题形式演示调节阀Kv的计算：按设计流量与阀门压降，代入表2-6给出的流通能力公式求出Kv值，再由厂家样本选取不小于计算值且最接近的阀门口径。
说明：本页例题的具体数值在源文件中未完整提取，建议对照原课件图片核对。
正确选择调节阀的意义
选择合适口径的电动调节阀，以保证阀门有一定的阀权度和阀门流量特性；正确选择调节阀特性和口径，可以提高调节系统的调节品质。
以往工程应用中阀门选择常见的问题
系统集成商在工程投标时如何计算选择阀门，参见教材。
2.4.3 电磁阀
电磁阀是常用电动执行器之一，其利用电磁铁的吸合和释放对小口径阀门进行“通”、“断”两种状态的控制。
2.4.4 两位旋转阀
两位旋转阀由电动执行机构使阀芯产生角位移来开启和关闭阀门，这种阀门可分为：
2.4.5 电动调节风门
1. 电动调节风门的组成
2.4.5 电动调节风门 · 1. 风门的构造
2. 风门的执行机构
开关型和模拟型风门驱动器的电气接线图
本页源文件未提取到文字内容，仅有图片，应为开关型与模拟型风门驱动器的电气接线图，展示两类驱动器与DDC的DO/AO、DI/AI通道的接线关系。
说明：本页为图片内容，接线端子定义建议对照原课件图片补充。
风门及风门驱动器的规格尺寸及安装示意图
本页源文件未提取到文字内容，仅有图片，展示风门及风门驱动器的规格尺寸数据和在风管上的安装做法。
说明：本页为图片内容，规格尺寸与安装要求建议对照原课件图片补充。
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