论智能建筑中电气施工技术问题及对策

摘 要：本文论述了传统的电气与智能化在工程实践中的广泛应用，并指出现场总线技术和嵌入技术的发展与应用。

关键词：电气与智能化；总线技术；嵌入技术

1 传统的电气与智能化

在传统的工程项目中，电气技术主要涉及由电气设备实现对负载的供配电控制、保护和计量，通常由分立的、物理的机电设备来完成。智能化技术主要涉及实现用户对使用的控制和管理的需要，通常由仪表、执行器、控制器、计算机、控制网络和软件来实现这些功能。电气设备和智能化系统是由电缆或信号线联结起来的。

典型的智能控制系统结构一般分设3级：操作管理级、控制级和现场设备级，通过网络实现系统的通信，如图1所示。电气部分在现场设备级与智能控制系统相连接。

操作管理级由计算机、软件平台、网络构成，完成系统的操作、监视、报警、记录、存储、报表生成等管理功能和对整个系统的编程功能。常用的设备有工业PC机、PC机等；软件为专业智能化组态软件，如Intellution公司的iFIX、Wonderware公司的In Touch、Siemens公司的WinCC、Rockwell的RSView32，遵守标准IEC1131-3，提供操作管理人员介入系统的手段，不受时间、地点的限制；控制网络目前用得较多的是工业以太网、DH+、Control Net、Device Net、MB+等。

控制级由控制器系统、网络构成，完成系统对现场信号的采集、处理和控制的功能，常用的有可编程序控制器（PLC）产品，过程控制产品等，如A-B公司的PLC-5、Siemens的S7-400、Schneider的Modicon TSX Quantum等，其基本配置有CPU模块、网络通信模块、I/O模块、电源模块、底板等。

现场设备级由各种电气设备构成，作用是为控制级提供系统的输入/输出（I/O）信号、就地控制现场设备、对现场设备的保护等。主要有高低压变配电设备、电气设备就地控制装置等电气设备和一次仪表、执行器、变频器等仪表装置。

（1）电气的工程实践内容：

①根据用电设备的用电负荷、负荷特点、用电设备的分布情况和供电情况等，进行高低压变电和配电系统设计、用电设备的一次电气设计。

②根据供电的条件、要求和用电设备的要求和特点对高低压变配电系统进行二次计量、保护和控制的设计。

③根据工艺控制要求、智能控制系统的要求，对用电设备的二次控制回路、现场就地控制装置等进行设计。

④对电缆敷设进行设计。

⑤施工阶段进行电缆的敷设、连接和对电气设备的安装调试。

（2）智能化的工程实践内容：

①根据使用要求、被控电气设备与工艺流程的相关性、被控电气设备的可靠性和被控电气设备的分布情况等，对智能控制系统的结构进行设计。

②确定智能控制系统的信号种类和规模数量，即确定系统的输入/输出（I/O）信号，对智能控制系统进行硬件配置设计。

③对高低压变配电系统的各个现场控制装置明确需求条件（信号和性能）、明确各个现场测量仪表和一次执行装置的位置。

④对系统I/O信号的位号编制。

⑤根据工艺要求，进行自控系统控制流程框图的设计。

⑥对电缆敷设进行设计。

⑦根据设计内容实现智能控制系统软件配置设计。

⑧施工阶段进行电缆的敷设、连接，对各个现场仪表、一次执行装置和系统硬件设备的安装调试、软件编制、系统功能调试等。

电气和智能化的工程实践活动是平行进行的，在过程中互提测控条件，在确定本系统内容时，落实和确认对方的条件内容。电气和智能化在工程实践中界限清晰，分别由电气和智能化的工程技术人员依据统一的现场信号标准、统一的控制和管理原则，根据设计和施工标准、规程规范进行，协调完成整个的工程调试和运行活动。

2 现场总线技术的发展

从目前对智能控制系统的分散控制、集中管理的要求和对智能控制系统的网络化、信息化的要求，使得现场总线技术得到了发展和应用。现场总线是一种用于智能化现场设备和智能化系统之间的全数字、串行、双向、多站的通信网络。现场总线技术的应用，通过一根通信电缆将所有现场设备由具有某种通信协议的通信接口连接起来，使在设备层传递的不再是I/O信号，而是基于现场总线的数字化通信。把I/O通道分散到实际需要的现场设备附近，使安装和布线的费用减少到最小，实现了彻底的分散控制，如图2所示。

从系统的网络拓扑结构上看，以现场总线为通信媒介，只分为操作管理层和现场设备2个层面。系统废除了DCS系统的控制站、I/O元件和信号转换器，将控制站的功能转移到网络的智能设备中，从而构成虚拟控制站，通过现场总线仪表就可构成控制回路。由于标准化的现场总线具有开放的通信接口，允许用户选用不同制造商生产的分散I/O装置和现场设备，使现场总线的应用日益普遍。目前应用较广泛的现场总线有FF，Lonworks，FIP，Profibus，CAN，以及用于模拟仪表向数字化仪表过渡的HART协议等。常用的有Siemens的PCS7、罗斯蒙特的DeltaV系统等。

现场总线技术的发展和应用使得电气系统的高低压变配电装置中的综合保护控制器（Protective Relays）、综合电量计算器（Metering Devices）、智能空气断路器（ACB）、电动机控制中心（MCC）的软起动器、变频器的可控硅触发数字控制器等实现了与控制处理器、通信装置的一体化结构和功能，这些电气设备在同一总线通信协议基础上与现场过程仪表、阀门电动装置调节控制器、PLC控制器等直接与计算机实现设备间的数据通信，使得测量和控制彻底地分散于现场设备层。

系统从分散控制发展到现场控制，将控制功能分散到现场设备，使控制系统的结构趋于扁平化。

电气和智能化的工程运行活动是平行并交叉进行的，在过程中互相渗透、交融，合二为一，电气与控制、电气设备与仪表彻底一体化。由工程技术人员依据统一的现场信号标准、统一的通信协议、统一的控制和管理原则，根据设计和施工标准、规程规范进行，完成整个工程实践活动。

3 嵌入技术的发展

随着嵌入技术的发展和以太网的广泛应用，基于Ethernet的工业控制系统便应运而生（见图3）。基于Ethernet的工业控制系统使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体，代表了新一代控制系统的必然趋势。

Ethernet贯穿整个系统的各个层次，使现场级、控制级、管理级在垂直层面得以方便集成，网络结构得到实质性的简化，通过授权IP地址，用户可在任意Internet终端上实现对被控设备的访问、控制和组态编程。

利用嵌入技术使Ethernet到达传感器和执行器，实现现场设备与网络的连接。具有远程浏览功能，实现对远程现场设备的状态监控，并将设备诊断技术与信息技术相结合，用网络化远程监控设备在现场设备上建立状态检测点，在设备出现异常时，网络化监测点会通过网络传呼机、电子邮件等方式及时向工程师发出报警信息，对异常现象作出响应。

从现场总线技术的发展和对电气或智能化现场设备性能要求上，未来嵌入式控制装置在现场设备上的应用将越来越广泛，而现场总线的通信协议种类必将越来越少，趋于更统一和更标准，现场总线上的全部节点设备为分布式结构。智能化、分布式、扁平化、开放性的基于Ethernet的工业控制系统将是构成生产过程和生产管理系统的主要形式，其快速、高效、可靠、低成本、数据共享和故障点减少的特点在工程实践中将产生显著效益。

4 电气和智能化在工程中的交融性

随着现场总线技术和嵌入技术的发展，电气和智能化的工程实践活动将完全互相渗透、交融，合二为一，并与计算机网络技术合为一体。软件技术及其应用，将决定一个系统的性能和效果。

鉴于目前的高低压变配电系统设备中具有嵌入式控制装置，用电设备就地控制设备中具有PLC控制器和现场总线技术的应用，电气和智能化的交融、一体化体现在下述的电气与智能化工程实践活动的合二为一。

（1）根据用电设备要求、工艺控制要求进行高低压变配电系统、负载设备的一次电气设计。

（2）根据供电方条件、要求和负载要求和特点进行高低压变配电系统二次计量、保护、控制的控制流程框图设计。

（3）根据工艺控制要求和智能控制要求，进行配电系统末端的负载的就地控制装置的控制流程框图设计。

（4）根据工艺控制要求进行仪表、执行器和操作管理站等系统的控制流程框图设计。

（5）在操作管理站上通过组态软件的平台，按上述电气、智能化系统的控制流程框图内容实现电气和智能化系统的功能。软件的接口标准协议趋于统一，可以进行在线、离线或远程状况下的组态编程。

（6）进行现场设备和网络系统的安装、电缆敷设设计。

（7）进行设备、网络及系统软件的安装、调试。

在整个的工程实践中，简化了设计流程和施工流程。无需传统设计时考虑集中的二次信号、计量、保护系统设备和智能化系统之间的预留互联条件，只要按用电设备要求、工艺控制要求进行高低压变配电系统、用电设备就地控制装置的一次电气设计和仪表系统设计即可；施工过程中在设备安装、电缆敷设连接后，直接进行调试，减少了两个专业之间的配合调试，避免了两部分人员分头进行的现象。

整个系统电气与智能化互相嵌入、完全融合，体现在电气的智能化、智能控制的彻底分散化、网络的扁平化和开放化。

5 结束语

随着嵌入式控制装置和现场总线技术的发展与应用，要求从事电气与智能化的工程技术人员既具备传统的电气专业知识，又具备智能化专业知识，还要具备网络知识、计算机及软件知识。在不久的将来，通过互联网络，不论是设备供货商、项目设计人员还是企业生产管理者均可对设备和生产流程进行在线、离线或远程的技术支持和调试。

参考文献

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