摘要：新建的虛擬工程中心（ZVE）的設(shè)計(jì)與其內(nèi)部進(jìn)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HerrmannGmbH&Co.KG公司實(shí)施了此項(xiàng)復(fù)雜的自動化方案，在規(guī)劃和建設(shè)階段，Herrmann公司采用了Beckhoff的開放式控制技術(shù)，幫助其很好地應(yīng)對各種變化。

1引言

新建的虛擬工程中心（ZVE）的設(shè)計(jì)與其內(nèi)部進(jìn)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HerrmannGmbH&Co.KG公司實(shí)施了此項(xiàng)復(fù)雜的自動化方案，在規(guī)劃和建設(shè)階段，Herrmann公司采用了Beckhoff的開放式控制技術(shù)，幫助其很好地應(yīng)對各種變化。

ZVE的開放式中庭刻意設(shè)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，如圖1所示。

位于德國斯圖加特的弗勞恩霍夫勞動經(jīng)濟(jì)和組織研究所（IAO）【工業(yè)工程機(jī)構(gòu)】主要處理關(guān)于當(dāng)?shù)毓ぷ鲌鏊叭藛T的問題。IAO的科學(xué)知識，主要是應(yīng)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(shí)中的三維可視化集成到虛擬工程中心的設(shè)計(jì)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(xué)科的研究人員和工程師，他們都從事于這些技術(shù)以及創(chuàng)新工作和辦公理念。

2現(xiàn)代化樓宇采用了最新和最偉大的樓宇設(shè)施

ZVE的辦公和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室和辦公區(qū)域嚴(yán)格分離的方式成為過去。實(shí)際上，科學(xué)工作的主要功能區(qū)域?qū)嶒?yàn)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(tuán)隊(duì)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?yàn)室，而是根據(jù)當(dāng)前的任務(wù)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，如圖2所示。

和大樓本身一樣尖端的是其內(nèi)部的能源技術(shù)，正如負(fù)責(zé)ZVE項(xiàng)目的弗勞恩霍夫IAO的大樓主管HeinzKühner所解釋的：“我們的能源方案基于一個地?zé)嵯到y(tǒng)，該系統(tǒng)采用了多個170米長的地?zé)崽结?，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(fù)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(shí)實(shí)驗(yàn)室中的高性能投影機(jī)的廢熱。”

3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(diǎn)來控制暖通以及照明、遮光，并根據(jù)當(dāng)前需要進(jìn)行單獨(dú)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(jìn)行分析。這創(chuàng)建了一個理想的基線，讓最經(jīng)濟(jì)的樓宇運(yùn)行成為可能。大樓基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)行隔音、根據(jù)入住、日光和工作方式進(jìn)行的LED照明技術(shù)的控制，以及通過二氧化碳濃度進(jìn)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。

圖38個CX5020嵌入式控制器用作ZVE的樓層控制器

此外，Beckhoff基于PC的開放式控制的技術(shù)具有極高的靈活性，這是滿足ZVE高要求不可缺少的優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)楣ぷ鲄^(qū)域具有廣泛多樣性。弗勞恩霍夫IAO的大樓主管MartinBalb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(tuán)隊(duì)辦公室擴(kuò)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(xué)科團(tuán)隊(duì)集合在一起。首先，重要的是要對各項(xiàng)工作要求作出較快的響應(yīng)，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(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人MichaelFalkenstein補(bǔ)充道：“為了成功實(shí)施樓宇設(shè)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(fù)責(zé)控制每個樓層的所有功能。I/O數(shù)據(jù)點(diǎn)通過位于墻面中的相應(yīng)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(shù)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(yīng)的調(diào)整）沒有任何限制。”

4開放的控制系統(tǒng)將異構(gòu)樓宇系統(tǒng)整合在一起

對于HeinzKühner來說，選用BeckhoffPC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(xiàng)開放的控制技術(shù)使得理想的方式成為可能，且價格低廉，無需復(fù)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(shù)領(lǐng)域有深厚背景，且擁有多年使用Beckhoff技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)。”

圖4

這是一個MichaelFalkenstein能夠充分運(yùn)用其知識的領(lǐng)域：“我們之前的項(xiàng)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(shí)施這一步時使用了一個專門的LON網(wǎng)關(guān)，然后，通過LON總線端子模塊KL6401集成到Beckhoff系統(tǒng)中?？傊悩?gòu)自動化技術(shù)可以通過PC控制技術(shù)快速、靈活地實(shí)施。BeckhoffTwinCAT軟件中功能強(qiáng)大的SystemManager具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括可以簡單、高效地集成總線系統(tǒng)，甚至我們自己復(fù)雜的HVAC功能庫。如此復(fù)雜的項(xiàng)目，通常只能使用Beckhoff各種總線端子模塊以合理的費(fèi)用實(shí)施。”媒體技術(shù)通過為ZVE設(shè)計(jì)的TwinCATCrestronServer集成，在項(xiàng)目早期階段即已證明是可行的。計(jì)劃將在較大的會議室實(shí)施和3D互動實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。

MartinBalb看到系統(tǒng)開放性的另一個優(yōu)點(diǎn)：“因?yàn)榧夹g(shù)進(jìn)步，不斷的規(guī)劃和建設(shè)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(shù)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(yīng)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(yùn)行，從而會產(chǎn)生巨大的安裝、調(diào)試和維護(hù)成本。”

5完整的基于PC的測量和控制技術(shù)

系統(tǒng)集成商Herrmann&Co.使用PC控制系統(tǒng)實(shí)施了ZVE完整的測量和控制技術(shù)，即暖通系統(tǒng)以及單獨(dú)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?zé)崮堋⒐┡?制冷、氣象站和設(shè)備控制的控制器，以及2個CX9010用于樓層DMX照明控制?？偣灿?6個EthernetTCP/IP總線耦合器BK9050用作數(shù)字量I/O和窗戶觸點(diǎn)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(wù)器上，提供給設(shè)備管理、能量測量系統(tǒng)以及“atvise”中基于網(wǎng)絡(luò)的能量監(jiān)測系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都是由Herrmann實(shí)施的。如圖3所示。

所使用的通訊系統(tǒng)包括，實(shí)時以太網(wǎng)用作控制器網(wǎng)絡(luò)，OPCUA用于與服務(wù)器通訊并用作MBE網(wǎng)絡(luò)，DALI用于照明控制，EnOcean用于運(yùn)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。MichaelFalkenstein解釋道：“ZVE中有較大數(shù)量的控制器正在運(yùn)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(shí)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(dāng)一段時間了，因此非常熟悉它的優(yōu)點(diǎn)，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OPCUA。此外，OPCUA的另一個優(yōu)點(diǎn)就是所有變量已經(jīng)在單獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

6自動化系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)舒適和節(jié)能的樓宇運(yùn)營

CX5020樓層控制器完成主要任務(wù)，確保更節(jié)能的樓宇運(yùn)營，即單獨(dú)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(yīng)。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(jìn)行的照明控制實(shí)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(jìn)入，以節(jié)約能源；內(nèi)部眩光保護(hù)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(fēng)，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(dāng)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(yù)設(shè)值。