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智能樓宇仿真對(duì)象實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)
一、樓宇自控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室的總體設(shè)計(jì)
智能樓宇仿真對(duì)象實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)實(shí)訓(xùn)室采用性能優(yōu)越的美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)公司的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)--WEBs系統(tǒng)。該BAS實(shí)訓(xùn)室主要由實(shí)訓(xùn)演示成套設(shè)備(被控設(shè)備)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)和系統(tǒng)集成管理控制平臺(tái)(教師主控臺(tái))三個(gè)部分組成。其中,被控設(shè)備部分包括智能照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等幾套被控系統(tǒng)。學(xué)生操作臺(tái)部分由16套相互獨(dú)立的學(xué)生操作工位組成,內(nèi)部包括調(diào)試計(jì)算機(jī)、DDC、路由器等設(shè)備。教師管理平臺(tái)是整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)部由主控計(jì)算機(jī)、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成。
該BAS實(shí)訓(xùn)室可以實(shí)現(xiàn)“樓宇自控系統(tǒng)工程技術(shù)”專業(yè)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué),學(xué)生可以在學(xué)生實(shí)訓(xùn)工位上動(dòng)手完成整個(gè)樓宇控制系統(tǒng)工程從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制設(shè)備安裝與布線到軟硬件調(diào)試的全過(guò)程,學(xué)生在該課程理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,完成樓宇設(shè)備自控各子系統(tǒng)的配置、安裝與調(diào)試以及編程運(yùn)行等實(shí)訓(xùn)操作。
二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
該BAS實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)采用Honeywell WEBs AX作為樓宇控制系統(tǒng)日常教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)?？傮w按照1套教師管理平臺(tái)和16套學(xué)生操作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),每套學(xué)生操作臺(tái)可容納2名學(xué)生根據(jù)教學(xué)要求進(jìn)行獨(dú)立的樓宇自控課程實(shí)訓(xùn)和程序驗(yàn)證。
1,網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到目前樓宇自控的行業(yè)發(fā)展,選擇BACnet協(xié)議作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)。上層控制網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成實(shí)訓(xùn);下層現(xiàn)場(chǎng)控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的編程、調(diào)試、仿真等實(shí)訓(xùn)。
教師管理平臺(tái)與學(xué)生操作臺(tái)通過(guò)TCP/IP構(gòu)建獨(dú)立的局域網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理,并可通過(guò)WEBStation AX軟件進(jìn)行樓宇自控系統(tǒng)的主/從工作站的站點(diǎn)管理?？紤]到教學(xué)的靈活性,系統(tǒng)可直接利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成,無(wú)需額外增加或更改系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置,為日后開展基于BACnet網(wǎng)絡(luò)層集成實(shí)訓(xùn)提供設(shè)礎(chǔ)。
教師管理平臺(tái)和每套學(xué)生操作臺(tái)均配置一套獨(dú)立的WEBStation AX Demo軟件,具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。在獨(dú)立實(shí)訓(xùn)時(shí),學(xué)生操作臺(tái)可成為一套單獨(dú)的小型樓字自控系統(tǒng)。此時(shí),學(xué)生的電腦主機(jī)充當(dāng)系統(tǒng)管理的服務(wù)器角色,根據(jù)教學(xué)安排,進(jìn)行程序的調(diào)試、下載、驗(yàn)證和其他訓(xùn)練課程。在整體組網(wǎng)教學(xué)時(shí),教師管理平臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)主服務(wù)器的功能,此時(shí),學(xué)生操作臺(tái)成為客戶端或從站,教師通過(guò)權(quán)限的維護(hù)與分配,可管理所有學(xué)生操作臺(tái)。學(xué)生可根據(jù)教學(xué)計(jì)劃,開展系統(tǒng)集成和樓宇網(wǎng)絡(luò)管理相關(guān)的實(shí)訓(xùn)。
2.教師管理平臺(tái)設(shè)計(jì)
教師管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心服務(wù)器,負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中所有的學(xué)生控制臺(tái),并與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的末端演示設(shè)備連接,可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的程序驗(yàn)證、測(cè)試和演示。
教師管理平臺(tái)配置一臺(tái)安裝有WEBStation AX Demo軟件的服務(wù)器主機(jī),具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。服務(wù)器通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)連接,用以實(shí)現(xiàn)樓宇控制系統(tǒng)的全局管理。網(wǎng)絡(luò)控制器向下提供兩條BACnetMS/TP總線,一條與演示系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器(Spyder)連接,最終連接到實(shí)際演示教學(xué)的受控設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示和驗(yàn)證功能;另一條BACnet MS/TP總線連接每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)控制器,在需要時(shí),可通過(guò)線路切換,切斷與學(xué)生操作臺(tái)的連接,改由教師管理平臺(tái)接管,可實(shí)現(xiàn)多控制器組網(wǎng)等復(fù)雜的演示和教學(xué)。
3、學(xué)生操作臺(tái)設(shè)計(jì)
該BAS實(shí)訓(xùn)室一共配置16套相互獨(dú)立的學(xué)生操作臺(tái),每套操作臺(tái)配置一臺(tái)安裝有WEBStation AX Demo軟件的計(jì)算機(jī)主機(jī),本身具備WEBs AX系統(tǒng)全部的功能,但考慮到教學(xué)的需要,可通過(guò)權(quán)限的設(shè)置,只在教師授權(quán)允許的基礎(chǔ)上,學(xué)生操作臺(tái)才可實(shí)現(xiàn)較高級(jí)別的管理功能,避免因誤操作而造成系統(tǒng)性損害。
學(xué)生操作臺(tái)通過(guò)BACnet IP網(wǎng)絡(luò)連接一臺(tái)BACnet路由器,路由器向下通過(guò)BACnet MS/TP總線與一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器和若干個(gè)輸入/輸出(1/0)模塊連接。學(xué)生可通過(guò)路由器直接對(duì)DDC進(jìn)行程序下載?，F(xiàn)場(chǎng)控制器與一塊程序驗(yàn)證板連接,學(xué)生可在程序驗(yàn)證板上對(duì)下載的程序進(jìn)行仿真和驗(yàn)證測(cè)試?？紤]到教學(xué)的需要和線路的復(fù)用,學(xué)生操作臺(tái)的BACnet路由器與DDC之間的BACnet MS/TP總線連接可被斷開,切換到教師管理平臺(tái),由教師管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集成管理。
4. BACnet路由器設(shè)計(jì)
每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)配置一臺(tái)BACnet路由器,用于連接學(xué)生計(jì)算機(jī)主機(jī)與所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器(Spyder) ,實(shí)現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)讀取與采集等功能,并確保每套學(xué)生操作臺(tái)相互獨(dú),立,互不干擾。BACnet路由器是BACnet協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備,實(shí)現(xiàn)BACnet IP與BACnet MS/TP之間的協(xié)議相互轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)采用BACnet協(xié)議結(jié)構(gòu),教師管理平臺(tái)可通過(guò)配置的WEBs AX網(wǎng)絡(luò)控制器直接對(duì)下層的BACnet設(shè)備(Spyder)進(jìn)行操作,包括:程序下載與調(diào)試、數(shù)據(jù)讀取與寫入、BACnet設(shè)備管理、通訊調(diào)諧等。在實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生操作臺(tái)主要進(jìn)行程序下載與測(cè)試,以及相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)讀寫操作。因此,考慮到系統(tǒng)建設(shè)成本,采用BACnet路由器代理WEBs AX控制器,實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算機(jī)主機(jī)與DDC之間的交互,包括程序下載與調(diào)試、數(shù)據(jù)讀取與寫入等,已足夠滿足教學(xué)需求,無(wú)需更高級(jí)的BACnet管理功能。
三、系統(tǒng)配置與選型
1. DDC的配置
目前主流的樓宇自控系統(tǒng),在現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器的選型設(shè)計(jì)中,多采用主控制器(DDC) +擴(kuò)展模塊(1/0)的形式。這樣可以在確?？刂茊卧鄬?duì)獨(dú)立的前提下,降低DDC控制器的投入成本。但筆者并不推薦一個(gè)主控制器(DDC)附帶多個(gè)(2個(gè)以上)的擴(kuò)展模塊。這樣可以最大程度的確保因單個(gè)DDC故障而引起大面積的系統(tǒng)失效。
(1)教師管理平臺(tái)的DDC配置。在該樓宇自控實(shí)訓(xùn)室中教師管理平臺(tái)直接接入實(shí)際的受控演示設(shè)備。以下是優(yōu)化后,對(duì)實(shí)際受控演示設(shè)備重新配置的DDC和1/0模塊的數(shù)量,具體配置參見表1。
(2)學(xué)生操作臺(tái)的DDC配置。在實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生的一次實(shí)訓(xùn)課程只進(jìn)行單個(gè)特定程序的編程與驗(yàn)證。根據(jù)上述4個(gè)系統(tǒng)部分的DDC模塊配置情況,只需為學(xué)生操作臺(tái)按照空調(diào)系統(tǒng)配置DDC和1/0模塊,就可滿足所有系統(tǒng)的教學(xué)需求。因此,為學(xué)生操作臺(tái)配置的DDC和1/0模塊的數(shù)量清單,具體配置參見表2。
2.網(wǎng)絡(luò)控制器的配置
網(wǎng)絡(luò)控制器采用Honeywell WEB-600E,考慮到系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性,選用256MB內(nèi)存配置。結(jié)合實(shí)際BACnet MS/TP總線數(shù)量,需要配置一塊RS-485通訊卡,可為控制器增加2條RS-485總線。
另外,考慮到系統(tǒng)需接入Modbus RTU設(shè)備(如: PLC設(shè)備通過(guò)Modbus RTU協(xié)議接入到樓控系統(tǒng)中),因此,為WEB600E控制器配置一個(gè)Modbus RTU Master接口,可直接通過(guò)RS-485總線采集Modbus RTU設(shè)備數(shù)據(jù)。結(jié)合上述需求,為網(wǎng)絡(luò)控制器做如下配置,參見表3。
四、BAS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用
1·創(chuàng)建應(yīng)用程序庫(kù)
為了確保實(shí)訓(xùn)教學(xué)的順利開展,提高教學(xué)效率,在系統(tǒng)投入初期,教師根據(jù)教學(xué)需要結(jié)合課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)每一個(gè)教學(xué)過(guò)程中可能用到的程序提前設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的控制邏輯,以“程序庫(kù)”的形式保存在教師服務(wù)器的WEBStation AX系統(tǒng)中。每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序以一個(gè)獨(dú)立文件的形式存儲(chǔ),可單獨(dú)調(diào)用或發(fā)送給學(xué)生供教學(xué)參考。“程序庫(kù)”使用WEBStation AX系統(tǒng)自帶的SpyderLibrary進(jìn)行版本維護(hù),教師可根據(jù)需要,對(duì)“程序庫(kù)”進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出、更新等操作。“程序庫(kù)”中的每一個(gè)程序都對(duì)應(yīng)一個(gè)單一控制器的應(yīng)用邏輯,可隨時(shí)下載到實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)控制器中,進(jìn)行程序的仿真、演示和驗(yàn)證。“程序庫(kù)”可以包括(但不局限于)以下幾類標(biāo)準(zhǔn)程序:教師在教學(xué)中需要使用到的完整的演示程序、學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)用到的實(shí)驗(yàn)程序、學(xué)生考核時(shí)用到的程序試題、用來(lái)驗(yàn)證學(xué)生提交的程序是否正確的輔助程序等。隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷深入和積累,程序庫(kù)可以不斷得到豐富,并逐步完善。
2·教師實(shí)訓(xùn)教學(xué)演示
教師根據(jù)課程安排,從教師服務(wù)器的程序庫(kù)(SpyderLibrary)中將教學(xué)所需的標(biāo)準(zhǔn)程序調(diào)取出來(lái)?？稍谡n堂上對(duì)控制原理、控制流程進(jìn)行講解,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)程序的控制邏輯進(jìn)行程序仿真。學(xué)生可以清晰地看到程序中每個(gè)功能塊的工作順序、實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)和控制邏輯,加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。
在對(duì)程序講解之后,教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)將標(biāo)準(zhǔn)程序下載到實(shí)際演示設(shè)備所對(duì)應(yīng)的DDC中, DDC根據(jù)程序控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的演示設(shè)備進(jìn)行工作,進(jìn)一步演示和驗(yàn)證程序在實(shí)際物理設(shè)備上的工作狀態(tài),讓學(xué)生能夠更直觀和深刻地理解教學(xué)內(nèi)容。
在整個(gè)教學(xué)演示過(guò)程中,學(xué)生操作臺(tái)上的DDC線路被切換到教師管理平臺(tái),學(xué)生無(wú)法對(duì)自己控制臺(tái)的DDC進(jìn)行操作,需專心聽講,待教師講解演示完之后,將線路切換回給學(xué)生控制臺(tái),學(xué)生才可以對(duì)自己控制臺(tái)的DDC進(jìn)行操作。
3·學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)
在教師教學(xué)演示完成后,預(yù)留充分的時(shí)間供學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的操作實(shí)訓(xùn),此時(shí),將學(xué)生操作臺(tái)的DDC線路切換給每個(gè)學(xué)生控制臺(tái),學(xué)生在充分理解了課程內(nèi)容之后,在自己的操作臺(tái)上編寫課程要求的實(shí)驗(yàn)程序。
學(xué)生可通過(guò)每個(gè)控制臺(tái)配備的DDC對(duì)控制邏輯進(jìn)行編程、仿真、調(diào)試、下載、測(cè)試。學(xué)生控制臺(tái)的DDC與一塊程序驗(yàn)證板相連,學(xué)生可通過(guò)操作程序驗(yàn)證板驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的控制邏輯是否正確。在程序驗(yàn)證板測(cè)試通過(guò)后,學(xué)生可舉手向教師報(bào)告,在教師確認(rèn)后，方可進(jìn)入下一步實(shí)際驗(yàn)證階段。
程序?qū)嶋H驗(yàn)證
學(xué)生在自己的操作臺(tái)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證通過(guò)后,在獲得教師認(rèn)可的前提下,可通過(guò)操作臺(tái)的計(jì)算機(jī)將自己實(shí)驗(yàn)編寫的程序提交到教師服務(wù)器上。教師在管理服務(wù)器上,可將學(xué)生提交的程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)下載到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)相連的演示設(shè)備所對(duì)應(yīng)的DDC中,進(jìn)一步實(shí)際驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。
需要說(shuō)明的是:由于教師服務(wù)器是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)程序進(jìn)行下載,且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的演示設(shè)備只有一套,因此,學(xué)生需輪流排隊(duì),按先后順序進(jìn)行程序的實(shí)際驗(yàn)證。
5·學(xué)生成績(jī)考核
(1)學(xué)生考試與答題。學(xué)生在參加考核之前,隨機(jī)抽取考題,并通過(guò)學(xué)生操作臺(tái)在指定路徑下載試題需要的考核程序。而后根據(jù)題目要求,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在自己的操作臺(tái)上編寫、調(diào)試、測(cè)試和驗(yàn)證程序。在考試結(jié)束后,離開考場(chǎng)。在整個(gè)考試期間,每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)的DDC都與自己所對(duì)應(yīng)的路由器連接,每個(gè)操作臺(tái)都是一套完全獨(dú)立的樓控系統(tǒng)。
由于每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)相互獨(dú)立,因此,可以設(shè)計(jì)多套不同考題,既增加考核的靈活性和隨機(jī)性,也防止學(xué)生作弊。
(2)教師閱卷與評(píng)分?？荚嚱Y(jié)束后,教師將DDC的通訊線路切換到教師管理平臺(tái),可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)訪問(wèn)到所有學(xué)生操作臺(tái)的DDC (DDC內(nèi)保存有學(xué)生完成的考試程序)。教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的試題內(nèi)容,從“程序庫(kù)”中找到對(duì)應(yīng)的輔助驗(yàn)證程序,通過(guò)驗(yàn)證程序輸出的程序結(jié)果,可判定學(xué)生答題的準(zhǔn)確程度,并給出得分。
對(duì)于可能存在不確定性的程序,教師也可通過(guò)服務(wù)器平臺(tái),直接通過(guò)Niagara網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)生的主機(jī),調(diào)看學(xué)生具體編寫的程序邏輯,做進(jìn)一步研判。此外,教師也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),將學(xué)生操作臺(tái)上考試時(shí)做的項(xiàng)目工程備份到服務(wù)器存檔,或要求學(xué)生在答題完畢后將自己所做的項(xiàng)目工程打包提交到教師服務(wù)器。
五、小結(jié)
在整個(gè)實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)中,考慮到了日后教學(xué)的拓展需要,可以直接利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)輕松實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的教學(xué)課程。教師管理平臺(tái)和學(xué)生操作臺(tái)都有一套獨(dú)立的WEBStation AXDemo軟件,因此可以直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多工作站組網(wǎng)、系統(tǒng)集成、權(quán)限控制管理、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等更多復(fù)雜的實(shí)訓(xùn)演練。WEBStation AX Demo軟件具有WEBs AX的全部功能,因此也可利用這套系統(tǒng)開展更高層次的軟件和平臺(tái)應(yīng)用培訓(xùn)與教學(xué)。此外,現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)可直接同時(shí)支持包括Niagara網(wǎng)絡(luò)、BACnet IP網(wǎng)絡(luò)、BACnet Ethernet網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)的需求,無(wú)需額外投入和更改系統(tǒng)架構(gòu),為教學(xué)拓展提供可能。
關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 實(shí)訓(xùn)設(shè)備 實(shí)訓(xùn)裝置 教學(xué)儀器 教學(xué)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)訓(xùn)臺(tái) 考核裝置 電工電子 實(shí)驗(yàn)裝置 數(shù)控技術(shù) 實(shí)訓(xùn)考核 技能實(shí)訓(xùn) 數(shù)控系統(tǒng) 電氣控制 實(shí)訓(xùn)鑒定 自控實(shí)訓(xùn) 數(shù)控軟件 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 數(shù)控實(shí)訓(xùn) 電氣技術(shù) 數(shù)控銑床 高教設(shè)備 職教設(shè)備 PLC控制 PLC技術(shù) PLC實(shí)驗(yàn) 變頻調(diào)速 PLC實(shí)訓(xùn) 單片機(jī)
智能樓宇仿真對(duì)象實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)實(shí)訓(xùn)室采用性能優(yōu)越的美國(guó)霍尼韋爾(Honeywell)公司的樓宇自動(dòng)化控制系統(tǒng)--WEBs系統(tǒng)。該BAS實(shí)訓(xùn)室主要由實(shí)訓(xùn)演示成套設(shè)備(被控設(shè)備)、學(xué)生實(shí)訓(xùn)操作臺(tái)和系統(tǒng)集成管理控制平臺(tái)(教師主控臺(tái))三個(gè)部分組成。其中,被控設(shè)備部分包括智能照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等幾套被控系統(tǒng)。學(xué)生操作臺(tái)部分由16套相互獨(dú)立的學(xué)生操作工位組成,內(nèi)部包括調(diào)試計(jì)算機(jī)、DDC、路由器等設(shè)備。教師管理平臺(tái)是整個(gè)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)部由主控計(jì)算機(jī)、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成。
該BAS實(shí)訓(xùn)室可以實(shí)現(xiàn)“樓宇自控系統(tǒng)工程技術(shù)”專業(yè)課程的實(shí)訓(xùn)教學(xué),學(xué)生可以在學(xué)生實(shí)訓(xùn)工位上動(dòng)手完成整個(gè)樓宇控制系統(tǒng)工程從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制設(shè)備安裝與布線到軟硬件調(diào)試的全過(guò)程,學(xué)生在該課程理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上,完成樓宇設(shè)備自控各子系統(tǒng)的配置、安裝與調(diào)試以及編程運(yùn)行等實(shí)訓(xùn)操作。
二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
該BAS實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)采用Honeywell WEBs AX作為樓宇控制系統(tǒng)日常教學(xué)和實(shí)訓(xùn)的平臺(tái)?？傮w按照1套教師管理平臺(tái)和16套學(xué)生操作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì),每套學(xué)生操作臺(tái)可容納2名學(xué)生根據(jù)教學(xué)要求進(jìn)行獨(dú)立的樓宇自控課程實(shí)訓(xùn)和程序驗(yàn)證。
1,網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到目前樓宇自控的行業(yè)發(fā)展,選擇BACnet協(xié)議作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的基礎(chǔ)。上層控制網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成實(shí)訓(xùn);下層現(xiàn)場(chǎng)控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的編程、調(diào)試、仿真等實(shí)訓(xùn)。
教師管理平臺(tái)與學(xué)生操作臺(tái)通過(guò)TCP/IP構(gòu)建獨(dú)立的局域網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理,并可通過(guò)WEBStation AX軟件進(jìn)行樓宇自控系統(tǒng)的主/從工作站的站點(diǎn)管理?？紤]到教學(xué)的靈活性,系統(tǒng)可直接利用現(xiàn)有設(shè)計(jì)的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成,無(wú)需額外增加或更改系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置,為日后開展基于BACnet網(wǎng)絡(luò)層集成實(shí)訓(xùn)提供設(shè)礎(chǔ)。
教師管理平臺(tái)和每套學(xué)生操作臺(tái)均配置一套獨(dú)立的WEBStation AX Demo軟件,具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。在獨(dú)立實(shí)訓(xùn)時(shí),學(xué)生操作臺(tái)可成為一套單獨(dú)的小型樓字自控系統(tǒng)。此時(shí),學(xué)生的電腦主機(jī)充當(dāng)系統(tǒng)管理的服務(wù)器角色,根據(jù)教學(xué)安排,進(jìn)行程序的調(diào)試、下載、驗(yàn)證和其他訓(xùn)練課程。在整體組網(wǎng)教學(xué)時(shí),教師管理平臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)主服務(wù)器的功能,此時(shí),學(xué)生操作臺(tái)成為客戶端或從站,教師通過(guò)權(quán)限的維護(hù)與分配,可管理所有學(xué)生操作臺(tái)。學(xué)生可根據(jù)教學(xué)計(jì)劃,開展系統(tǒng)集成和樓宇網(wǎng)絡(luò)管理相關(guān)的實(shí)訓(xùn)。
2.教師管理平臺(tái)設(shè)計(jì)
教師管理平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)的核心服務(wù)器,負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中所有的學(xué)生控制臺(tái),并與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的末端演示設(shè)備連接,可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的程序驗(yàn)證、測(cè)試和演示。
教師管理平臺(tái)配置一臺(tái)安裝有WEBStation AX Demo軟件的服務(wù)器主機(jī),具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。服務(wù)器通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)與一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)連接,用以實(shí)現(xiàn)樓宇控制系統(tǒng)的全局管理。網(wǎng)絡(luò)控制器向下提供兩條BACnetMS/TP總線,一條與演示系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器(Spyder)連接,最終連接到實(shí)際演示教學(xué)的受控設(shè)備上,實(shí)現(xiàn)教學(xué)演示和驗(yàn)證功能;另一條BACnet MS/TP總線連接每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)控制器,在需要時(shí),可通過(guò)線路切換,切斷與學(xué)生操作臺(tái)的連接,改由教師管理平臺(tái)接管,可實(shí)現(xiàn)多控制器組網(wǎng)等復(fù)雜的演示和教學(xué)。
3、學(xué)生操作臺(tái)設(shè)計(jì)
該BAS實(shí)訓(xùn)室一共配置16套相互獨(dú)立的學(xué)生操作臺(tái),每套操作臺(tái)配置一臺(tái)安裝有WEBStation AX Demo軟件的計(jì)算機(jī)主機(jī),本身具備WEBs AX系統(tǒng)全部的功能,但考慮到教學(xué)的需要,可通過(guò)權(quán)限的設(shè)置,只在教師授權(quán)允許的基礎(chǔ)上,學(xué)生操作臺(tái)才可實(shí)現(xiàn)較高級(jí)別的管理功能,避免因誤操作而造成系統(tǒng)性損害。
學(xué)生操作臺(tái)通過(guò)BACnet IP網(wǎng)絡(luò)連接一臺(tái)BACnet路由器,路由器向下通過(guò)BACnet MS/TP總線與一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器和若干個(gè)輸入/輸出(1/0)模塊連接。學(xué)生可通過(guò)路由器直接對(duì)DDC進(jìn)行程序下載?，F(xiàn)場(chǎng)控制器與一塊程序驗(yàn)證板連接,學(xué)生可在程序驗(yàn)證板上對(duì)下載的程序進(jìn)行仿真和驗(yàn)證測(cè)試?？紤]到教學(xué)的需要和線路的復(fù)用,學(xué)生操作臺(tái)的BACnet路由器與DDC之間的BACnet MS/TP總線連接可被斷開,切換到教師管理平臺(tái),由教師管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)集成管理。
4. BACnet路由器設(shè)計(jì)
每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)配置一臺(tái)BACnet路由器,用于連接學(xué)生計(jì)算機(jī)主機(jī)與所對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器(Spyder) ,實(shí)現(xiàn)程序下載、數(shù)據(jù)讀取與采集等功能,并確保每套學(xué)生操作臺(tái)相互獨(dú),立,互不干擾。BACnet路由器是BACnet協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備,實(shí)現(xiàn)BACnet IP與BACnet MS/TP之間的協(xié)議相互轉(zhuǎn)換。由于系統(tǒng)采用BACnet協(xié)議結(jié)構(gòu),教師管理平臺(tái)可通過(guò)配置的WEBs AX網(wǎng)絡(luò)控制器直接對(duì)下層的BACnet設(shè)備(Spyder)進(jìn)行操作,包括:程序下載與調(diào)試、數(shù)據(jù)讀取與寫入、BACnet設(shè)備管理、通訊調(diào)諧等。在實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生操作臺(tái)主要進(jìn)行程序下載與測(cè)試,以及相對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)讀寫操作。因此,考慮到系統(tǒng)建設(shè)成本,采用BACnet路由器代理WEBs AX控制器,實(shí)現(xiàn)學(xué)生計(jì)算機(jī)主機(jī)與DDC之間的交互,包括程序下載與調(diào)試、數(shù)據(jù)讀取與寫入等,已足夠滿足教學(xué)需求,無(wú)需更高級(jí)的BACnet管理功能。
三、系統(tǒng)配置與選型
1. DDC的配置
目前主流的樓宇自控系統(tǒng),在現(xiàn)場(chǎng)DDC控制器的選型設(shè)計(jì)中,多采用主控制器(DDC) +擴(kuò)展模塊(1/0)的形式。這樣可以在確?？刂茊卧鄬?duì)獨(dú)立的前提下,降低DDC控制器的投入成本。但筆者并不推薦一個(gè)主控制器(DDC)附帶多個(gè)(2個(gè)以上)的擴(kuò)展模塊。這樣可以最大程度的確保因單個(gè)DDC故障而引起大面積的系統(tǒng)失效。
(1)教師管理平臺(tái)的DDC配置。在該樓宇自控實(shí)訓(xùn)室中教師管理平臺(tái)直接接入實(shí)際的受控演示設(shè)備。以下是優(yōu)化后,對(duì)實(shí)際受控演示設(shè)備重新配置的DDC和1/0模塊的數(shù)量,具體配置參見表1。
(2)學(xué)生操作臺(tái)的DDC配置。在實(shí)際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生的一次實(shí)訓(xùn)課程只進(jìn)行單個(gè)特定程序的編程與驗(yàn)證。根據(jù)上述4個(gè)系統(tǒng)部分的DDC模塊配置情況,只需為學(xué)生操作臺(tái)按照空調(diào)系統(tǒng)配置DDC和1/0模塊,就可滿足所有系統(tǒng)的教學(xué)需求。因此,為學(xué)生操作臺(tái)配置的DDC和1/0模塊的數(shù)量清單,具體配置參見表2。
2.網(wǎng)絡(luò)控制器的配置
網(wǎng)絡(luò)控制器采用Honeywell WEB-600E,考慮到系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性,選用256MB內(nèi)存配置。結(jié)合實(shí)際BACnet MS/TP總線數(shù)量,需要配置一塊RS-485通訊卡,可為控制器增加2條RS-485總線。
另外,考慮到系統(tǒng)需接入Modbus RTU設(shè)備(如: PLC設(shè)備通過(guò)Modbus RTU協(xié)議接入到樓控系統(tǒng)中),因此,為WEB600E控制器配置一個(gè)Modbus RTU Master接口,可直接通過(guò)RS-485總線采集Modbus RTU設(shè)備數(shù)據(jù)。結(jié)合上述需求,為網(wǎng)絡(luò)控制器做如下配置,參見表3。
四、BAS實(shí)訓(xùn)平臺(tái)應(yīng)用
1·創(chuàng)建應(yīng)用程序庫(kù)
為了確保實(shí)訓(xùn)教學(xué)的順利開展,提高教學(xué)效率,在系統(tǒng)投入初期,教師根據(jù)教學(xué)需要結(jié)合課程設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,對(duì)每一個(gè)教學(xué)過(guò)程中可能用到的程序提前設(shè)計(jì)一套標(biāo)準(zhǔn)的控制邏輯,以“程序庫(kù)”的形式保存在教師服務(wù)器的WEBStation AX系統(tǒng)中。每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序以一個(gè)獨(dú)立文件的形式存儲(chǔ),可單獨(dú)調(diào)用或發(fā)送給學(xué)生供教學(xué)參考。“程序庫(kù)”使用WEBStation AX系統(tǒng)自帶的SpyderLibrary進(jìn)行版本維護(hù),教師可根據(jù)需要,對(duì)“程序庫(kù)”進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出、更新等操作。“程序庫(kù)”中的每一個(gè)程序都對(duì)應(yīng)一個(gè)單一控制器的應(yīng)用邏輯,可隨時(shí)下載到實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)控制器中,進(jìn)行程序的仿真、演示和驗(yàn)證。“程序庫(kù)”可以包括(但不局限于)以下幾類標(biāo)準(zhǔn)程序:教師在教學(xué)中需要使用到的完整的演示程序、學(xué)生在實(shí)訓(xùn)時(shí)用到的實(shí)驗(yàn)程序、學(xué)生考核時(shí)用到的程序試題、用來(lái)驗(yàn)證學(xué)生提交的程序是否正確的輔助程序等。隨著教學(xué)內(nèi)容的不斷深入和積累,程序庫(kù)可以不斷得到豐富,并逐步完善。
2·教師實(shí)訓(xùn)教學(xué)演示
教師根據(jù)課程安排,從教師服務(wù)器的程序庫(kù)(SpyderLibrary)中將教學(xué)所需的標(biāo)準(zhǔn)程序調(diào)取出來(lái)?？稍谡n堂上對(duì)控制原理、控制流程進(jìn)行講解,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)程序的控制邏輯進(jìn)行程序仿真。學(xué)生可以清晰地看到程序中每個(gè)功能塊的工作順序、實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)和控制邏輯,加深對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。
在對(duì)程序講解之后,教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)將標(biāo)準(zhǔn)程序下載到實(shí)際演示設(shè)備所對(duì)應(yīng)的DDC中, DDC根據(jù)程序控制現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的演示設(shè)備進(jìn)行工作,進(jìn)一步演示和驗(yàn)證程序在實(shí)際物理設(shè)備上的工作狀態(tài),讓學(xué)生能夠更直觀和深刻地理解教學(xué)內(nèi)容。
在整個(gè)教學(xué)演示過(guò)程中,學(xué)生操作臺(tái)上的DDC線路被切換到教師管理平臺(tái),學(xué)生無(wú)法對(duì)自己控制臺(tái)的DDC進(jìn)行操作,需專心聽講,待教師講解演示完之后,將線路切換回給學(xué)生控制臺(tái),學(xué)生才可以對(duì)自己控制臺(tái)的DDC進(jìn)行操作。
3·學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)
在教師教學(xué)演示完成后,預(yù)留充分的時(shí)間供學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的操作實(shí)訓(xùn),此時(shí),將學(xué)生操作臺(tái)的DDC線路切換給每個(gè)學(xué)生控制臺(tái),學(xué)生在充分理解了課程內(nèi)容之后,在自己的操作臺(tái)上編寫課程要求的實(shí)驗(yàn)程序。
學(xué)生可通過(guò)每個(gè)控制臺(tái)配備的DDC對(duì)控制邏輯進(jìn)行編程、仿真、調(diào)試、下載、測(cè)試。學(xué)生控制臺(tái)的DDC與一塊程序驗(yàn)證板相連,學(xué)生可通過(guò)操作程序驗(yàn)證板驗(yàn)證自己設(shè)計(jì)的控制邏輯是否正確。在程序驗(yàn)證板測(cè)試通過(guò)后,學(xué)生可舉手向教師報(bào)告,在教師確認(rèn)后，方可進(jìn)入下一步實(shí)際驗(yàn)證階段。
程序?qū)嶋H驗(yàn)證
學(xué)生在自己的操作臺(tái)對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證通過(guò)后,在獲得教師認(rèn)可的前提下,可通過(guò)操作臺(tái)的計(jì)算機(jī)將自己實(shí)驗(yàn)編寫的程序提交到教師服務(wù)器上。教師在管理服務(wù)器上,可將學(xué)生提交的程序通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)下載到實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)相連的演示設(shè)備所對(duì)應(yīng)的DDC中,進(jìn)一步實(shí)際驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。
需要說(shuō)明的是:由于教師服務(wù)器是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)程序進(jìn)行下載,且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的演示設(shè)備只有一套,因此,學(xué)生需輪流排隊(duì),按先后順序進(jìn)行程序的實(shí)際驗(yàn)證。
5·學(xué)生成績(jī)考核
(1)學(xué)生考試與答題。學(xué)生在參加考核之前,隨機(jī)抽取考題,并通過(guò)學(xué)生操作臺(tái)在指定路徑下載試題需要的考核程序。而后根據(jù)題目要求,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)在自己的操作臺(tái)上編寫、調(diào)試、測(cè)試和驗(yàn)證程序。在考試結(jié)束后,離開考場(chǎng)。在整個(gè)考試期間,每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)的DDC都與自己所對(duì)應(yīng)的路由器連接,每個(gè)操作臺(tái)都是一套完全獨(dú)立的樓控系統(tǒng)。
由于每個(gè)學(xué)生操作臺(tái)相互獨(dú)立,因此,可以設(shè)計(jì)多套不同考題,既增加考核的靈活性和隨機(jī)性,也防止學(xué)生作弊。
(2)教師閱卷與評(píng)分?？荚嚱Y(jié)束后,教師將DDC的通訊線路切換到教師管理平臺(tái),可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)訪問(wèn)到所有學(xué)生操作臺(tái)的DDC (DDC內(nèi)保存有學(xué)生完成的考試程序)。教師根據(jù)每個(gè)學(xué)生的試題內(nèi)容,從“程序庫(kù)”中找到對(duì)應(yīng)的輔助驗(yàn)證程序,通過(guò)驗(yàn)證程序輸出的程序結(jié)果,可判定學(xué)生答題的準(zhǔn)確程度,并給出得分。
對(duì)于可能存在不確定性的程序,教師也可通過(guò)服務(wù)器平臺(tái),直接通過(guò)Niagara網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)對(duì)應(yīng)生的主機(jī),調(diào)看學(xué)生具體編寫的程序邏輯,做進(jìn)一步研判。此外,教師也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),將學(xué)生操作臺(tái)上考試時(shí)做的項(xiàng)目工程備份到服務(wù)器存檔,或要求學(xué)生在答題完畢后將自己所做的項(xiàng)目工程打包提交到教師服務(wù)器。
五、小結(jié)
在整個(gè)實(shí)訓(xùn)室系統(tǒng)中,考慮到了日后教學(xué)的拓展需要,可以直接利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)輕松實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的教學(xué)課程。教師管理平臺(tái)和學(xué)生操作臺(tái)都有一套獨(dú)立的WEBStation AXDemo軟件,因此可以直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多工作站組網(wǎng)、系統(tǒng)集成、權(quán)限控制管理、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)等更多復(fù)雜的實(shí)訓(xùn)演練。WEBStation AX Demo軟件具有WEBs AX的全部功能,因此也可利用這套系統(tǒng)開展更高層次的軟件和平臺(tái)應(yīng)用培訓(xùn)與教學(xué)。此外,現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)可直接同時(shí)支持包括Niagara網(wǎng)絡(luò)、BACnet IP網(wǎng)絡(luò)、BACnet Ethernet網(wǎng)絡(luò)等在內(nèi)的多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)的需求,無(wú)需額外投入和更改系統(tǒng)架構(gòu),為教學(xué)拓展提供可能。