基于 PC 的樓宇自動化系統(tǒng)在弗勞恩霍夫 IAO 虛擬工程中心的應用
開放、靈活的控制技術便于實現(xiàn)創(chuàng)新、高效的樓宇自動化設計

  新建的虛擬工程中心（ZVE）的設計與其內(nèi)部進行的科研工作一樣具有創(chuàng)新意義。靈活、全方位的樓宇自動化系統(tǒng)創(chuàng)造了無限的可能性，并能整體地節(jié)約能源。系統(tǒng)集成商 Herrmann GmbH & Co. KG 公司實施了此項復雜的自動化方案，在規(guī)劃和建設階段，Herrmann 公司采用了Beckhoff的開放式控制技術，幫助其很好地應對各種變化。 

 
  ZVE 的開放式中庭刻意設置在樓梯連接處，是為了不同工作樓層之間制造密切的聯(lián)系，大大減少了縱向溝通的障礙

 
  位于德國斯圖加特的弗勞恩霍夫勞動經(jīng)濟和組織研究所（IAO）[工業(yè)工程機構]主要處理關于當?shù)毓ぷ鲌鏊�及人員的問題。IAO 的科學知識，主要是應用于工程虛擬的規(guī)劃— 例如，作為數(shù)字規(guī)劃和建造過程，以及虛擬現(xiàn)實中的三維可視化 — 集成到虛擬工程中心的設計中，該中心于 2012 年 6 月正式對外開放。這棟大樓里容納了來自不同學科的研究人員和工程師，他們都從事于這些技術以及創(chuàng)新工作和辦公理念。
  現(xiàn)代化樓宇采用了最新和最偉大的樓宇設施
  ZVE 的辦公和實驗區(qū)域分布在四個樓層，覆蓋面積超過 3200 平米左右，圍繞著一個開放式中庭，使得傳統(tǒng)上實驗室和辦公區(qū)域嚴格分離的方式成為過去。實際上，科學工作的主要功能區(qū)域 — 實驗室、辦公區(qū)域和會議室 — 在空間上交錯，從而最大限度地縮短了步行距離，優(yōu)化了團隊內(nèi)部的溝通。日常工作場所不是一個特定的辦公室或?qū)嶒炇�，而是根�?jù)當前的任務和資源需求，在使用的時候才選擇。越是接近大樓內(nèi)部各個區(qū)域的開放式核心部分就越是安靜，以確保員工能夠?qū)Ｗ⒂谒麄兊墓ぷ�。此外，各樓層的辦公室工作站的使用變得更加靈活。

  德國斯圖加特虛擬工程中心為研究創(chuàng)新的工作場所和工藝提供了一個高度現(xiàn)代化的環(huán)境

  和大樓本身一樣尖端的是其內(nèi)部的能源技術，正如負責 ZVE 項目的弗勞恩霍夫 IAO 的大樓主管 Heinz Kühner所解釋的：“我們的能源方案基于一個地熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了多個 170 米長的地熱探針，用于回收地表下面的可再生能源。此外，還輔以熱交換器，天花板采用活化的混凝土芯，用于基本負載的冷卻和供暖。除了充滿水的管道之外，天花板里還有很多充滿空氣的塑料球。天花板的中空板減少了所需的混凝土用量，因此靜載荷支持較大的空間跨度和無柱式空間。自動噴水滅火系統(tǒng)消防水箱用于儲存大樓廢熱，例如來自電腦室或虛擬現(xiàn)實實驗室中的高性能投影機的廢熱�！�
  完整的樓宇自動化系統(tǒng)利用所有可用的節(jié)能潛力
  綜合樓宇自動化系統(tǒng)充分利用了 7000 個數(shù)據(jù)點來控制暖通以及照明、遮光，并根據(jù)當前需要進行單獨房間控制。此外，能源測量和監(jiān)測系統(tǒng)還將對這些控制措施的效果進行分析。這創(chuàng)建了一個理想的基線，讓最經(jīng)濟的樓宇運行成為可能。大樓基礎設施的創(chuàng)新安裝方面取得了很大的成功 — 通過使用吸收低頻噪聲分量的材料進行隔音、根據(jù)入住、日光和工作方式進行的 LED 照明技術的控制，以及通過二氧化碳濃度進行空氣質(zhì)量監(jiān)測 — 德國可持續(xù)建筑委員會（DGNB）為此頒發(fā)了黃金證書。
  此外，Beckhoff基于 PC 的開放式控制的技術具有極高的靈活性，這是滿足 ZVE 高要求不可缺少的優(yōu)點之一，因為工作區(qū)域具有廣泛多樣性。弗勞恩霍夫 IAO 的大樓主管 Martin Balb解釋道：“我們的交錯辦公區(qū)域的方案，從傳統(tǒng)的蜂窩式辦公室和團隊辦公室擴展為小組辦公室和開放式辦公區(qū)域�？梢愿鶕�(jù)需要將合適的專業(yè)組或多學科團隊集合在一起。首先，重要的是要對各項工作要求作出較快的響應，將正確的員工和合適的辦公功能整合在一起。”系統(tǒng)集成商 Herrmann 公司的樓宇自動化團隊負責人 Michael Falkenstein補充道：“為了成功實施樓宇設施方面的靈活性，它對于能夠隨時重建非常重要，因此，我們完全取消了硬接線。兩臺 CX5020 系列嵌入式控制器負責控制每個樓層的所有功能。I/O 數(shù)據(jù)點通過位于墻面中的相應總線端子模塊與 BK9050 以太網(wǎng)總線耦合器連接。整個照明技術通過 DALI 協(xié)議使用總線系統(tǒng)靈活地集成。因此，在控制區(qū)域可能的重建方面（需要做相應的調(diào)整）沒有任何限制�！�
  開放的控制系統(tǒng)將異構樓宇系統(tǒng)整合在一起
  對于 Heinz Kühner來說，選用Beckhoff PC 控制系統(tǒng)的主要原因是其系統(tǒng)的開放性：“由于合作企業(yè)的數(shù)量眾多，很明顯在規(guī)劃階段就需要涵蓋許多不同的總線系統(tǒng)。PC 控制作為一項開放的控制技術使得理想的方式成為可能，且價格低廉，無需復雜的特殊解決方案。此外，系統(tǒng)集成商 Herrmann 公司不僅在樓宇自動化和控制技術領域有深厚背景，且擁有多年使用Beckhoff技術的經(jīng)驗�！�
  這是一個 Michael Falkenstein能夠充分運用其知識的領域：“我們之前的項目不需要將這么多不同的總線系統(tǒng)集成到 ZVE 大樓中。例如，必須集成用于電動控制窗戶的專業(yè)總線。我們在實施這一步時使用了一個專門的 LON 網(wǎng)關，然后，通過 LON總線端子模塊KL6401 集成到Beckhoff系統(tǒng)中。總之，異構自動化技術可以通過 PC 控制技術快速、靈活地實施。BeckhoffTwinCAT軟件中功能強大的 System Manager 具有很多優(yōu)點，包括可以簡單、高效地集成總線系統(tǒng)，甚至我們自己復雜的 HVAC 功能庫。如此復雜的項目，通常只能使用Beckhoff各種總線端子模塊以合理的費用實施。”媒體技術通過為 ZVE 設計的TwinCATCrestron Server 集成，在項目早期階段即已證明是可行的。計劃將在較大的會議室實施和 3D 互動實驗室實施。
  Martin Balb看到系統(tǒng)開放性的另一個優(yōu)點：“因為技術進步，不斷的規(guī)劃和建設過程中發(fā)生了一些變化。例如，在 2006 年規(guī)劃期間，LED 照明技術不是以透明的形式提供。有了一個開放的系統(tǒng) — 如 PC 控制系統(tǒng)，我們能夠適應這些動態(tài)變化的需求。沒有它，所有的總線系統(tǒng)很可能不得不各自運行，從而會產(chǎn)生巨大的安裝、調(diào)試和維護成本�！�
  完整的基于 PC 的測量和控制技術
  系統(tǒng)集成商 Herrmann & Co. 使用 PC 控制系統(tǒng)實施了 ZVE 完整的測量和控制技術，即暖通系統(tǒng)以及單獨房間控制或照明和遮光控制。有 8 個 CX5020 嵌入式控制器用作樓層控制器，另外 4 個 CX5020用作地熱能、供暖/制冷、氣象站和設備控制的控制器，以及 2 個 CX9010 用于樓層DMX照明控制�？偣灿� 56 個 Ethernet TCP/IP 總線耦合器 BK9050 用作數(shù)字量 I/O 和窗戶觸點以及EnOcean和 DALI 組件的數(shù)據(jù)采集器。另外有 2 個 BK9050 用于采集子電力分配系統(tǒng)中的信息。然后所有這些數(shù)據(jù)都存儲在樓宇管理系統(tǒng)（BMS）的服務器上，提供給設備管理、能量測量系統(tǒng)以及“atvise”中基于網(wǎng)絡的能量監(jiān)測系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都是由 Herrmann 實施的。 

 
  8 個 CX5020 嵌入式控制器用作 ZVE 的樓層控制器

  所使用的通訊系統(tǒng)包括，實時以太網(wǎng)用作控制器網(wǎng)絡，OPC UA 用于與服務器通訊并用作 MBE 網(wǎng)絡，DALI 用于照明控制，EnOcean用于運動傳感器和溫度/照度測量，LON 用于窗戶控制，以及 DMX 用于燈具和照明效果控制。Michael Falkenstein解釋道：“ZVE 中有較大數(shù)量的控制器正在運行，它們相互之間會不斷地通訊。這樣會產(chǎn)生非常高的數(shù)據(jù)量，通過實時以太網(wǎng)卻輕松處理。此外，我們已經(jīng)使用這個通訊系統(tǒng)有相當一段時間了，因此非常熟悉它的優(yōu)點，比如協(xié)同功能、可靠性和操作簡單。為了滿足規(guī)劃開始時需要同時集成可視化以及能源監(jiān)測等功能，因此選擇了開放性非常出色的OPC UA。此外，OPC UA的另一個優(yōu)點就是所有變量已經(jīng)在單獨房間控制的功能塊中存在，大大減少了工程工作量。” 

 
  ZVE 樓層的自動化系統(tǒng)拓撲結(jié)構

 
  從左至右：Herrmann 公司的樓宇自動化團隊負責人 Michael Falkenstein，弗勞恩霍夫 IAO 的大樓管理人員 Heinz Kühner，來自Beckhoff德國巴林根辦事處的 Oliver Heilig和弗勞恩霍夫 IAO 的大樓主管站在 ZVE 地下室 HVAC 設備的控制柜前

 
  自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)舒適和節(jié)能的樓宇運營
  CX5020 樓層控制器完成主要任務，確保更節(jié)能的樓宇運營，即單獨房間控制，包括照明和遮陽控制，以及房間空調(diào)和初級能源供應。同時，不僅要重視能源的損耗，而且還要重視提高使用方便性。因此，房間使用移動傳感器以及根據(jù)日光和工作方式進行的照明控制實現(xiàn)了最佳自動化解決方案。必要時，可通過升起外部遮陽簾讓陽光進入，以節(jié)約能源；內(nèi)部眩光保護防止在工作場所有過度的窗眩光。此外，例如，樓宇自動化系統(tǒng)可以根據(jù)室內(nèi)溫度控制所有的窗戶，以便在夏季的清晨給大樓通風，從而能夠在工作剛開始時就能夠享受涼爽的舒適溫度，而無需額外制冷。當然，在辦公室中的用戶擁有最高的操作優(yōu)先級，然后他們就能夠根據(jù)其需要手動調(diào)整工作場所的預設值。
  更多信息: http://www.beckhoff.com.cn/cn/applicat/default.htm