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智能樓宇仿真對象實(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
智能樓宇仿真對象實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)實(shí)訓(xùn)室采用性能優(yōu)越的美國霍尼韋爾(Honeywell)公司的樓宇自動化控制系統(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)操作臺和系統(tǒng)集成管理控制平臺(教師主控臺)三個部分組成。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)試計算機(jī)、DDC、路由器等設(shè)備。教師管理平臺是整個實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)部由主控計算機(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)工位上動手完成整個樓宇控制系統(tǒng)工程從系統(tǒng)設(shè)計、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
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?？傮w按照1套教師管理平臺和16套學(xué)生操作臺進(jìn)行設(shè)計,每套學(xué)生操作臺可容納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)和程序驗證。
1,網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)設(shè)計
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)場控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場設(shè)備的編程、調(diào)試、仿真等實(shí)訓(xùn)。
教師管理平臺與學(xué)生操作臺通過TCP/IP構(gòu)建獨(dú)立的局域網(wǎng),可實(shí)現(xiàn)計算機(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?？紤]到教學(xué)的靈活性,系統(tǒng)可直接利用現(xiàn)有設(shè)計的局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成,無需額外增加或更改系統(tǒng)設(shè)計與配置,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)。
教師管理平臺和每套學(xué)生操作臺均配置一套獨(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,學(xué)生操作臺可成為一套單獨(dú)的小型樓字自控系統(tǒng)。此時,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、驗證和其他訓(xùn)練課程。在整體組網(wǎng)教學(xué)時,教師管理平臺在整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)主服務(wù)器的功能,此時,學(xué)生操作臺成為客戶端或從站,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。學(xué)生可根據(jù)教學(xué)計劃,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.教師管理平臺設(shè)計
教師管理平臺是整個系統(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,并與實(shí)際現(xiàn)場的末端演示設(shè)備連接,可進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的程序驗證、測試和演示。
教師管理平臺配置一臺安裝有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)演示和驗證功能;另一條BACnet MS/TP總線連接每個學(xué)生操作臺的現(xiàn)場控制器,在需要時,可通過線路切換,切斷與學(xué)生操作臺的連接,改由教師管理平臺接管,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)生操作臺設(shè)計
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,每套操作臺配置一臺安裝有WEBStation AX Demo軟件的計算機(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)生操作臺才可實(shí)現(xiàn)較高級別的管理功能,避免因誤操作而造成系統(tǒng)性損害。
學(xué)生操作臺通過BACnet IP網(wǎng)絡(luò)連接一臺BACnet路由器,路由器向下通過BACnet MS/TP總線與一臺現(xiàn)場DDC控制器和若干個輸入/輸出(1/0)模塊連接。學(xué)生可通過路由器直接對DDC進(jìn)行程序下載。現(xiàn)場控制器與一塊程序驗證板連接,學(xué)生可在程序驗證板上對下載的程序進(jìn)行仿真和驗證測試?？紤]到教學(xué)的需要和線路的復(fù)用,學(xué)生操作臺的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,由教師管理平臺實(shí)現(xiàn)集成管理。
4. BACnet路由器設(shè)計
每個學(xué)生操作臺配置一臺BACnet路由器,用于連接學(xué)生計算機(jī)主機(jī)與所對應(yīng)的現(xiàn)場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),教師管理平臺可通過配置的WEBs AX網(wǎng)絡(luò)控制器直接對下層的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)生操作臺主要進(jìn)行程序下載與測試,以及相對簡單的數(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,無需更高級的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DDC控制器的選型設(shè)計中,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主控制器(DDC)附帶多個(2個以上)的擴(kuò)展模塊。這樣可以最大程度的確保因單個DDC故障而引起大面積的系統(tǒng)失效。
(1)教師管理平臺的DDC配置。在該樓宇自控實(shí)訓(xùn)室中教師管理平臺直接接入實(shí)際的受控演示設(shè)備。以下是優(yōu)化后,對實(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)行單個特定程序的編程與驗證。根據(jù)上述4個系統(tǒng)部分的DDC模塊配置情況,只需為學(xué)生操作臺按照空調(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)平臺應(yīng)用
1·創(chuàng)建應(yīng)用程序庫
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)計和實(shí)驗內(nèi)容,對每一個教學(xué)過程中可能用到的程序提前設(shè)計一套標(biāo)準(zhǔn)的控制邏輯,以“程序庫”的形式保存在教師服務(wù)器的WEBStation AX系統(tǒng)中。每一個標(biāo)準(zhǔn)程序以一個獨(dú)立文件的形式存儲,可單獨(dú)調(diào)用或發(fā)送給學(xué)生供教學(xué)參考。“程序庫”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“程序庫”進(jìn)行導(dǎo)入、導(dǎo)出、更新等操作。“程序庫”中的每一個程序都對應(yīng)一個單一控制器的應(yīng)用邏輯,可隨時下載到實(shí)際的現(xiàn)場控制器中,進(jìn)行程序的仿真、演示和驗證。“程序庫”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)時用到的實(shí)驗程序、學(xué)生考核時用到的程序試題、用來驗證學(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(SpyderLibrary)中將教學(xué)所需的標(biāo)準(zhǔn)程序調(diào)取出來?？稍谡n堂上對控制原理、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功能塊的工作順序、實(shí)時仿真數(shù)據(jù)和控制邏輯,加深對教學(xué)內(nèi)容的理解。
在對程序講解之后,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)備所對應(yīng)的DDC中, DDC根據(jù)程序控制現(xiàn)場實(shí)際的演示設(shè)備進(jìn)行工作,進(jìn)一步演示和驗證程序在實(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。
在整個教學(xué)演示過程中,學(xué)生操作臺上的DDC線路被切換到教師管理平臺,學(xué)生無法對自己控制臺的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,學(xué)生才可以對自己控制臺的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)留充分的時間供學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的操作實(shí)訓(xùn),此時,將學(xué)生操作臺的DDC線路切換給每個學(xué)生控制臺,學(xué)生在充分理解了課程內(nèi)容之后,在自己的操作臺上編寫課程要求的實(shí)驗程序。
學(xué)生可通過每個控制臺配備的DDC對控制邏輯進(jìn)行編程、仿真、調(diào)試、下載、測試。學(xué)生控制臺的DDC與一塊程序驗證板相連,學(xué)生可通過操作程序驗證板驗證自己設(shè)計的控制邏輯是否正確。在程序驗證板測試通過后,學(xué)生可舉手向教師報告,在教師確認(rèn)后，方可進(jìn)入下一步實(shí)際驗證階段。
程序?qū)嶋H驗證
學(xué)生在自己的操作臺對教學(xué)實(shí)驗內(nèi)容進(jìn)行驗證通過后,在獲得教師認(rèn)可的前提下,可通過操作臺的計算機(jī)將自己實(shí)驗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)場相連的演示設(shè)備所對應(yīng)的DDC中,進(jìn)一步實(shí)際驗證程序的準(zhǔn)確性。
需要說明的是:由于教師服務(wù)器是通過網(wǎng)絡(luò)控制器對程序進(jìn)行下載,且現(xiàn)場實(shí)際的演示設(shè)備只有一套,因此,學(xué)生需輪流排隊,按先后順序進(jìn)行程序的實(shí)際驗證。
5·學(xué)生成績考核
(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)定的時間內(nèi)在自己的操作臺上編寫、調(diào)試、測試和驗證程序。在考試結(jié)束后,離開考場。在整個考試期間,每個學(xué)生操作臺的DDC都與自己所對應(yīng)的路由器連接,每個操作臺都是一套完全獨(dú)立的樓控系統(tǒng)。
由于每個學(xué)生操作臺相互獨(dú)立,因此,可以設(shè)計多套不同考題,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,可通過網(wǎng)絡(luò)控制器(WEB-600E)訪問到所有學(xué)生操作臺的DDC (DDC內(nèi)保存有學(xué)生完成的考試程序)。教師根據(jù)每個學(xué)生的試題內(nèi)容,從“程序庫”中找到對應(yīng)的輔助驗證程序,通過驗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。
對于可能存在不確定性的程序,教師也可通過服務(wù)器平臺,直接通過Niagara網(wǎng)絡(luò)訪問對應(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,教師也可以通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),將學(xué)生操作臺上考試時做的項目工程備份到服務(wù)器存檔,或要求學(xué)生在答題完畢后將自己所做的項目工程打包提交到教師服務(wù)器。
五、小結(jié)
在整個實(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)更高級別的教學(xué)課程。教師管理平臺和學(xué)生操作臺都有一套獨(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)驗的需求,無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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