PLC在建筑BAS中的应用探讨
周长根
【摘 要】论文在阐明建筑BAS系统的基础上，分析了BAS几种系统结构的优劣和PLC的关系，凸显了PLC的重要性，并进行了PLC的规划，以期在今后的工程实际中，提高BAS系统的可靠性，使其性能达到最优，有较好的借鉴意义和研究价值。
【Abstract】 Based on the explanation of building BAS system， this paper analyzes the relationship between the advantages and disadvantages of several BAS system structures and PLC， and highlights the importance of PLC， and carries out the planning of PLC. In order to improve the reliability of BAS system and optimize its performance in the future engineering practice， it has good reference value and research value.
【關键词】BAS；PLC；结构；规划
【Keywords】BAS； PLC； structure； planning
【中图分类号】P628+.5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0160-03
1 BAS系统
BAS（Building Automation System）为楼宇自动化系统。BAS从系统组成角度而言包括中心BAS系统、区域BAS系统和现场BAS系统。建筑内完整的BAS系统或完整的BAS功能系统是一个以骨干网为基础的、地理上分散的、分层分布式系统结构的大型SCADA系统（数据采集与监视控制系统），从逻辑上讲，建筑BAS硬件系统纵向包括2个层次：中控室监控系统和现场就地控制级设备。（图1）
2 PLC（可编程序控制器）[1]
可编程序控制器是专门为建筑、工业过程控制而设计的控制计算机，其特点为：①可靠性高；②灵活性高；③编程简单，使用方便；④安装方便，易于维护。PLC主要由CPU（微处理器），存储器，输入/输出单元电路，编程器，电源等部分组成。
3 建筑BAS系统结构探讨
3.1 扁平结构
扁平结构[2]是指PLC控制器和校园监控平台设备处于同种网络层面上时，PLC与所监控设备之间的通信是基于这个网络平台而实现的。如图2所示：
图2中SCR/OS（中控室监控系统）采用了基于TCP/IP协议的以太网，并利用通信交换机，构成环形拓扑结构网络，通信可靠性得到增强。由此，扁平结构优点为系统层次少，数据简单，通用性较强。同时缺点也很明显，即TCP/IP协议本身并不支持环行拓扑结构，虽然物理连接上构成了环，但逻辑上仍然存在数据传输方向的切换问题，必须依靠特有交换机，这样会使系统成本增加。当采用双环网时，网络间不易实现切换。当冗余的PLC在冗余网络下进行通信时，它们在切换配合、时序配合等方面存在技术难度、复杂性和不确定性[3]，造成系统运行负担。
3.2 层次化系统结构
顾名思义，层次化系统结构就是将建筑BAS分为三个层次：监控信息层、实时控制/信息层和现场数据层。如图3所示：
①监控信息层：如图所示，该层为校园监控平台层，采用快速TCP/IP协议通信，其数据一般为监控数据。②实时控制信息层：该层可理解为建筑物内中控室，用于监视、接收、处理各PLC控制器的数据，通常传输、分配各控制器的实时监视数据。③现场数据层：该层为设备末端，是实现整个建筑BAS系统的基础，一般为接收、传输PLC控制器I/O口数据。
通常主控器M-PLC冗余配置，以保证系统可靠性和环境适应性。分区控制器L-PLC是连接实时控制层和现场数据层的网关控制器。由上述分析，层次化系统结构缺点为系统不够扁平，系统设计与设备选型约束性较大，需同时维护多种网络。
由以上两图清晰看出，PLC在控制端的作用是显然的，它是BAS系统的核心，下面结合以上所述对PLC进行规划设计[4]。
4 PLC控制器的选择[5]
4.1 PLC数量规划
①校园监控平台数据接口下需要设置一套监控级的主控PLC，同时作为建筑BAS实时信息层的实时数据库，协调、处理分区控制器的控制数据，通常该控制器需要冗余配置[6]。②根据建筑物区域特点，以建筑物分为食堂、公寓两种功能区为例，分设一套分区控制器，集中处理两个区域设备通信数据，根据功能区级别，也可考虑冗余配置。③建筑物内其他机电设备的监控一般由两类现场控制器承担。一类是建筑BAS内以数据采集为主的机电设备，如防火门、自动扶梯、防排烟风机、给水泵等，这些设备一般自成系统，另一类是控制工艺相对简单，数量不多，没有必要对其单独设置控制器的设备，如排烟阀、照明、插座等。
4.2 PLC档次确定
对于建筑BAS来说，PLC的档次影响着楼宇自动化系统的造价：档次定位过高，则投资增加和PLC冗余；过低则会增加PLC的数量，对系统的复杂性和系统运行的可靠、安全性有很大影响[7]。
建筑BAS对主控制器的要求是：须提供双以太网口，处理器的内存要大，文件操作功能要强，具有方便的组网能力，能处理多个并行任务。这些需求决定了该控制器应采用高端PLC产品。高端PLC区别其他档次PLC的特点是：处理I/O点数多，通信功能强，运算速度快，处理器档次高，内存容量大，指令丰富，支持复杂的程序结构。就地PLC的控制任务相对简单，物理I/O点数有限（不会超过800点），只局限于设备的连锁及保护控制，因此采用中端PLC产品即可[8]。根据以上阐述，PLC控制器的规划如表1所示。
5 结语
本文阐明了建筑BAS系统，分析了BAS几种系统结构的优劣和PLC的关系，提出了PLC在BAS中规划的方法，以期在今后的工程实际中，提高BAS系统的可靠性，使其性能达到最优，有较好的借鉴意义和研究价值。
【参考文献】
【1】马丁. 山东地区绿色农房技术导则研究[D].济南：山东建筑大学，2014.
【2】王煜. 采用PLC控制的变频恒压供水系统设计[D].大连：大连理工大学，2014.
【3】熊建国. 基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.
【4】张琼莲. 变频泵恒压供水在建筑给水系统中的应用[D].广州：广州大学，2012.
【5】刘建孔. 办公建筑空调系统的节能与经济技术性分析[D].济南：山东大学，2011.
【6】杨硕. 智能建筑太阳能应用系统的研究[D].西安：长安大学，2009.
【7】方桂笋. 基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州：兰州理工大学，2008.
【8】徐晓丽. 建筑外围护结构热分析及人工冷源智能控制系统研究[D].天津：天津大学，2007.
【摘 要】论文在阐明建筑BAS系统的基础上，分析了BAS几种系统结构的优劣和PLC的关系，凸显了PLC的重要性，并进行了PLC的规划，以期在今后的工程实际中，提高BAS系统的可靠性，使其性能达到最优，有较好的借鉴意义和研究价值。
【Abstract】 Based on the explanation of building BAS system， this paper analyzes the relationship between the advantages and disadvantages of several BAS system structures and PLC， and highlights the importance of PLC， and carries out the planning of PLC. In order to improve the reliability of BAS system and optimize its performance in the future engineering practice， it has good reference value and research value.
【關键词】BAS；PLC；结构；规划
【Keywords】BAS； PLC； structure； planning
【中图分类号】P628+.5 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）11-0160-03
1 BAS系统
BAS（Building Automation System）为楼宇自动化系统。BAS从系统组成角度而言包括中心BAS系统、区域BAS系统和现场BAS系统。建筑内完整的BAS系统或完整的BAS功能系统是一个以骨干网为基础的、地理上分散的、分层分布式系统结构的大型SCADA系统（数据采集与监视控制系统），从逻辑上讲，建筑BAS硬件系统纵向包括2个层次：中控室监控系统和现场就地控制级设备。（图1）
2 PLC（可编程序控制器）[1]
可编程序控制器是专门为建筑、工业过程控制而设计的控制计算机，其特点为：①可靠性高；②灵活性高；③编程简单，使用方便；④安装方便，易于维护。PLC主要由CPU（微处理器），存储器，输入/输出单元电路，编程器，电源等部分组成。
3 建筑BAS系统结构探讨
3.1 扁平结构
扁平结构[2]是指PLC控制器和校园监控平台设备处于同种网络层面上时，PLC与所监控设备之间的通信是基于这个网络平台而实现的。如图2所示：
图2中SCR/OS（中控室监控系统）采用了基于TCP/IP协议的以太网，并利用通信交换机，构成环形拓扑结构网络，通信可靠性得到增强。由此，扁平结构优点为系统层次少，数据简单，通用性较强。同时缺点也很明显，即TCP/IP协议本身并不支持环行拓扑结构，虽然物理连接上构成了环，但逻辑上仍然存在数据传输方向的切换问题，必须依靠特有交换机，这样会使系统成本增加。当采用双环网时，网络间不易实现切换。当冗余的PLC在冗余网络下进行通信时，它们在切换配合、时序配合等方面存在技术难度、复杂性和不确定性[3]，造成系统运行负担。
3.2 层次化系统结构
顾名思义，层次化系统结构就是将建筑BAS分为三个层次：监控信息层、实时控制/信息层和现场数据层。如图3所示：
①监控信息层：如图所示，该层为校园监控平台层，采用快速TCP/IP协议通信，其数据一般为监控数据。②实时控制信息层：该层可理解为建筑物内中控室，用于监视、接收、处理各PLC控制器的数据，通常传输、分配各控制器的实时监视数据。③现场数据层：该层为设备末端，是实现整个建筑BAS系统的基础，一般为接收、传输PLC控制器I/O口数据。
通常主控器M-PLC冗余配置，以保证系统可靠性和环境适应性。分区控制器L-PLC是连接实时控制层和现场数据层的网关控制器。由上述分析，层次化系统结构缺点为系统不够扁平，系统设计与设备选型约束性较大，需同时维护多种网络。
由以上两图清晰看出，PLC在控制端的作用是显然的，它是BAS系统的核心，下面结合以上所述对PLC进行规划设计[4]。
4 PLC控制器的选择[5]
4.1 PLC数量规划
①校园监控平台数据接口下需要设置一套监控级的主控PLC，同时作为建筑BAS实时信息层的实时数据库，协调、处理分区控制器的控制数据，通常该控制器需要冗余配置[6]。②根据建筑物区域特点，以建筑物分为食堂、公寓两种功能区为例，分设一套分区控制器，集中处理两个区域设备通信数据，根据功能区级别，也可考虑冗余配置。③建筑物内其他机电设备的监控一般由两类现场控制器承担。一类是建筑BAS内以数据采集为主的机电设备，如防火门、自动扶梯、防排烟风机、给水泵等，这些设备一般自成系统，另一类是控制工艺相对简单，数量不多，没有必要对其单独设置控制器的设备，如排烟阀、照明、插座等。
4.2 PLC档次确定
对于建筑BAS来说，PLC的档次影响着楼宇自动化系统的造价：档次定位过高，则投资增加和PLC冗余；过低则会增加PLC的数量，对系统的复杂性和系统运行的可靠、安全性有很大影响[7]。
建筑BAS对主控制器的要求是：须提供双以太网口，处理器的内存要大，文件操作功能要强，具有方便的组网能力，能处理多个并行任务。这些需求决定了该控制器应采用高端PLC产品。高端PLC区别其他档次PLC的特点是：处理I/O点数多，通信功能强，运算速度快，处理器档次高，内存容量大，指令丰富，支持复杂的程序结构。就地PLC的控制任务相对简单，物理I/O点数有限（不会超过800点），只局限于设备的连锁及保护控制，因此采用中端PLC产品即可[8]。根据以上阐述，PLC控制器的规划如表1所示。
5 结语
本文阐明了建筑BAS系统，分析了BAS几种系统结构的优劣和PLC的关系，提出了PLC在BAS中规划的方法，以期在今后的工程实际中，提高BAS系统的可靠性，使其性能达到最优，有较好的借鉴意义和研究价值。
【参考文献】
【1】马丁. 山东地区绿色农房技术导则研究[D].济南：山东建筑大学，2014.
【2】王煜. 采用PLC控制的变频恒压供水系统设计[D].大连：大连理工大学，2014.
【3】熊建国. 基于PLC的变频调速恒压供水系统设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.
【4】张琼莲. 变频泵恒压供水在建筑给水系统中的应用[D].广州：广州大学，2012.
【5】刘建孔. 办公建筑空调系统的节能与经济技术性分析[D].济南：山东大学，2011.
【6】杨硕. 智能建筑太阳能应用系统的研究[D].西安：长安大学，2009.
【7】方桂笋. 基于PLC的变频恒压供水系统的设计[D].兰州：兰州理工大学，2008.
【8】徐晓丽. 建筑外围护结构热分析及人工冷源智能控制系统研究[D].天津：天津大学，2007.
