摘要：新建的虛擬工程中心（ZVE）的設計與其內部進行的科研工作一樣具有創新意義。靈活、全方位的樓宇自動化系統創造了無限的可能性，并能整體地節約能源。系統集成商HerrmannGmbH&Co.KG公司實施了此項復雜的自動化方案，在規劃和建設階段，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。

1引言

新建的虛擬工程中心（ZVE）的設計與其內部進行的科研工作一樣具有創新意義。靈活、全方位的樓宇自動化系統創造了無限的可能性，并能整體地節約能源。系統集成商HerrmannGmbH&Co.KG公司實施了此項復雜的自動化方案，在規劃和建設階段，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濟和組織研究所（IAO）【工業工程機構】主要處理關于當地工作場所及人員的問題。IAO的科學知識，主要是應用于工程虛擬的規劃——例如，作為數字規劃和建造過程，以及虛擬現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新工作和辦公理念。

2現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，使得傳統上實驗室和辦公區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域實驗室、辦公區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，優化了團隊內部的溝通。日常工作場所不是一個特定的辦公室或實驗室，而是根據當前的任務和資源需求，在使用的時候才選擇。越是接近大樓內部各個區域的開放式核心部分就越是安靜，以確保員工能夠專注于他們的工作。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新的工作場所和工藝提供了一個高度現代化的環境，如圖2所示。

和大樓本身一樣尖端的是其內部的能源技術，正如負責ZVE項目的弗勞恩霍夫IAO的大樓主管HeinzKühner所解釋的：“我們的能源方案基于一個地熱系統，該系統采用了多個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。自動噴水滅火系統消防水箱用于儲存大樓廢熱，例如來自電腦室或虛擬現實實驗室中的高性能投影機的廢熱。”

3完整的樓宇自動化系統利用所有可用的節能潛力

綜合樓宇自動化系統充分利用了7000個數據點來控制暖通以及照明、遮光，并根據當前需要進行單獨房間控制。此外，能源測量和監測系統還將對這些控制措施的效果進行分析。這創建了一個理想的基線，讓最經濟的樓宇運行成為可能。大樓基礎設施的創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量監測，德國可持續建筑委員會（DGNB）為此頒發了黃金證書。

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具有極高的靈活性，這是滿足ZVE高要求不可缺少的優點之一，因為工作區域具有廣泛多樣性。弗勞恩霍夫IAO的大樓主管MartinBalb解釋道：“我們的交錯辦公區域的方案，從傳統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域。可以根據需要將合適的專業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。”系統集成商Herrmann公司的樓宇自動化團隊負責人MichaelFalkenstein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數據點通過位于墻面中的相應總線端子模塊與BK9050以太網總線耦合器連接。整個照明技術通過DALI協議使用總線系統靈活地集成。因此，在控制區域可能的重建方面（需要做相應的調整）沒有任何限制。”

4開放的控制系統將異構樓宇系統整合在一起

對于HeinzKühner來說，選用BeckhoffPC控制系統的主要原因是其系統的開放性：“由于合作企業的數量眾多，很明顯在規劃階段就需要涵蓋許多不同的總線系統。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技術的經驗。”

圖4

這是一個MichaelFalkenstein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集成到ZVE大樓中。例如，必須集成用于電動控制窗戶的專業總線。我們在實施這一步時使用了一個專門的LON網關，然后，通過LON總線端子模塊KL6401集成到Beckhoff系統中。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SystemManager具有很多優點，包括可以簡單、高效地集成總線系統，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TwinCATCrestronServer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。

MartinBalb看到系統開放性的另一個優點：“因為技術進步，不斷的規劃和建設過程中發生了一些變化。例如，在2006年規劃期間，LED照明技術不是以透明的形式提供。有了一個開放的系統—如PC控制系統，我們能夠適應這些動態變化的需求。沒有它，所有的總線系統很可能不得不各自運行，從而會產生巨大的安裝、調試和維護成本。”

5完整的基于PC的測量和控制技術

系統集成商Herrmann&Co.使用PC控制系統實施了ZVE完整的測量和控制技術，即暖通系統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。總共有56個EthernetTCP/IP總線耦合器BK9050用作數字量I/O和窗戶觸點以及EnOcean和DALI組件的數據采集器。另外有2個BK9050用于采集子電力分配系統中的信息。然后所有這些數據都存儲在樓宇管理系統（BMS）的服務器上，提供給設備管理、能量測量系統以及“atvise”中基于網絡的能量監測系統，每個系統都是由Herrmann實施的。如圖3所示。

所使用的通訊系統包括，實時以太網用作控制器網絡，OPCUA用于與服務器通訊并用作MBE網絡，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。MichaelFalkenstein解釋道：“ZVE中有較大數量的控制器正在運行，它們相互之間會不斷地通訊。這樣會產生非常高的數據量，通過實時以太網卻輕松處理。此外，我們已經使用這個通訊系統有相當一段時間了，因此非常熟悉它的優點，比如協同功能、可靠性和操作簡單。為了滿足規劃開始時需要同時集成可視化以及能源監測等功能，因此選擇了開放性非常出色的OPCUA。此外，OPCUA的另一個優點就是所有變量已經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樓層的自動化系統拓撲結構如圖4所示。

6自動化系統能夠實現舒適和節能的樓宇運營

CX5020樓層控制器完成主要任務，確保更節能的樓宇運營，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日光和工作方式進行的照明控制實現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，以節約能源；內部眩光保護防止在工作場所有過度的窗眩光。此外，例如，樓宇自動化系統可以根據室內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先級，然后他們就能夠根據其需要手動調整工作場所的預設值。