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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)。總體按照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。考慮到教學(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BACnet IP網(wǎng)絡(luò)連接一臺(tái)BACnet路由器,路由器向下通過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。這樣可以在確保控制單元相對(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)。可在課堂上對(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)證通過后,在獲得教師認(rèn)可的前提下,可通過操作臺(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),可通過網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)訪問到所有學(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,教師也可通過服務(wù)器平臺(tái),直接通過Niagara網(wǎng)絡(luò)訪問對(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。

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智能樓宇仿真對(duì)象實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)