智能樓宇仿真對象實(shí)訓系統(Honeywell總線(xiàn)型)_樓宇自動(dòng)化實(shí)訓設備

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智能樓宇仿真對象實(shí)訓系統(Honeywell總線(xiàn)型)

一、樓宇自控系統實(shí)訓室的總體設計
智能樓宇仿真對象實(shí)訓系統(Honeywell總線(xiàn)型)實(shí)訓室采用性能優(yōu)越的美國霍尼韋爾(Honeywell)公司的樓宇自動(dòng)化控制系統--WEBs系統。該BAS實(shí)訓室主要由實(shí)訓演示成套設備(被控設備)、學(xué)生實(shí)訓操作臺和系統集成管理控制平臺(教師主控臺)三個(gè)部分組成。其中,被控設備部分包括智能照明系統、給排水系統、空調系統、配電系統、電梯系統等幾套被控系統。學(xué)生操作臺部分由16套相互獨立的學(xué)生操作工位組成,內部包括調試計算機、DDC、路由器等設備。教師管理平臺是整個(gè)實(shí)訓系統的核心部分,內部由主控計算機、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò )交換機等設備組成。
該BAS實(shí)訓室可以實(shí)現“樓宇自控系統工程技術(shù)”專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)訓教學(xué),學(xué)生可以在學(xué)生實(shí)訓工位上動(dòng)手完成整個(gè)樓宇控制系統工程從系統設計、控制設備安裝與布線(xiàn)到軟硬件調試的全過(guò)程,學(xué)生在該課程理論學(xué)習的基礎上,完成樓宇設備自控各子系統的配置、安裝與調試以及編程運行等實(shí)訓操作。

二、系統架構設計
該BAS實(shí)訓室系統采用Honeywell WEBs AX作為樓宇控制系統日常教學(xué)和實(shí)訓的平臺?？傮w按照1套教師管理平臺和16套學(xué)生操作臺進(jìn)行設計,每套學(xué)生操作臺可容納2名學(xué)生根據教學(xué)要求進(jìn)行獨立的樓宇自控課程實(shí)訓和程序驗證。
1,網(wǎng)絡(luò )層架構設計
考慮到目前樓宇自控的行業(yè)發(fā)展,選擇BACnet協(xié)議作為系統網(wǎng)絡(luò )構建的基礎。上層控制網(wǎng)絡(luò )可實(shí)現基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統集成實(shí)訓;下層現場(chǎng)控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進(jìn)行實(shí)際現場(chǎng)設備的編程、調試、仿真等實(shí)訓。
教師管理平臺與學(xué)生操作臺通過(guò)TCP/IP構建獨立的局域網(wǎng),可實(shí)現計算機網(wǎng)絡(luò )管理,并可通過(guò)WEBStation AX軟件進(jìn)行樓宇自控系統的主/從工作站的站點(diǎn)管理?？紤]到教學(xué)的靈活性,系統可直接利用現有設計的局域網(wǎng)實(shí)現基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統集成,無(wú)需額外增加或更改系統設計與配置,為日后開(kāi)展基于BACnet網(wǎng)絡(luò )層集成實(shí)訓提供設礎。
教師管理平臺和每套學(xué)生操作臺均配置一套獨立的WEBStation AX Demo軟件,具有WEBs AX系統全部的功能。在獨立實(shí)訓時(shí),學(xué)生操作臺可成為一套單獨的小型樓字自控系統。此時(shí),學(xué)生的電腦主機充當系統管理的服務(wù)器角色,根據教學(xué)安排,進(jìn)行程序的調試、下載、驗證和其他訓練課程。在整體組網(wǎng)教學(xué)時(shí),教師管理平臺在整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )中承擔主服務(wù)器的功能,此時(shí),學(xué)生操作臺成為客戶(hù)端或從站,教師通過(guò)權限的維護與分配,可管理所有學(xué)生操作臺。學(xué)生可根據教學(xué)計劃,開(kāi)展系統集成和樓宇網(wǎng)絡(luò )管理相關(guān)的實(shí)訓。
2.教師管理平臺設計
教師管理平臺是整個(gè)系統的核心服務(wù)器,負責管理和維護網(wǎng)絡(luò )中所有的學(xué)生控制臺,并與實(shí)際現場(chǎng)的末端演示設備連接,可進(jìn)行現場(chǎng)設備的程序驗證、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,具有WEBs AX系統全部的功能。服務(wù)器通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò )與一臺網(wǎng)絡(luò )控制器(WEB-600E)連接,用以實(shí)現樓宇控制系統的全局管理。網(wǎng)絡(luò )控制器向下提供兩條BACnetMS/TP總線(xiàn),一條與演示系統的現場(chǎng)控制器(Spyder)連接,最終連接到實(shí)際演示教學(xué)的受控設備上,實(shí)現教學(xué)演示和驗證功能;另一條BACnet MS/TP總線(xiàn)連接每個(gè)學(xué)生操作臺的現場(chǎng)控制器,在需要時(shí),可通過(guò)線(xiàn)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)現多控制器組網(wǎng)等復雜的演示和教學(xué)。
3、學(xué)生操作臺設計
該BAS實(shí)訓室一共配置16套相互獨立的學(xué)生操作臺,每套操作臺配置一臺安裝有WEBStation AX Demo軟件的計算機主機,本身具備WEBs AX系統全部的功能,但考慮到教學(xué)的需要,可通過(guò)權限的設置,只在教師授權允許的基礎上,學(xué)生操作臺才可實(shí)現較高級別的管理功能,避免因誤操作而造成系統性損害。
學(xué)生操作臺通過(guò)BACnet IP網(wǎng)絡(luò )連接一臺BACnet路由器,路由器向下通過(guò)BACnet MS/TP總線(xiàn)與一臺現場(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DDC進(jìn)行程序下載?，F場(chǎng)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(xiàn)路的復用,學(xué)生操作臺的BACnet路由器與DDC之間的BACnet MS/TP總線(xiàn)連接可被斷開(kāi),切換到教師管理平臺,由教師管理平臺實(shí)現集成管理。
4. BACnet路由器設計
每個(gè)學(xué)生操作臺配置一臺BACnet路由器,用于連接學(xué)生計算機主機與所對應的現場(chǎng)DDC控制器(Spyder) ,實(shí)現程序下載、數據讀取與采集等功能,并確保每套學(xué)生操作臺相互獨,立,互不干擾。BACnet路由器是BACnet協(xié)議轉換設備,實(shí)現BACnet IP與BACnet MS/TP之間的協(xié)議相互轉換。由于系統采用BACnet協(xié)議結構,教師管理平臺可通過(guò)配置的WEBs AX網(wǎng)絡(luò )控制器直接對下層的BACnet設備(Spyder)進(jìn)行操作,包括:程序下載與調試、數據讀取與寫(xiě)入、BACnet設備管理、通訊調諧等。在實(shí)際的教學(xué)應用中,學(xué)生操作臺主要進(jìn)行程序下載與測試,以及相對簡(jiǎn)單的數據讀寫(xiě)操作。因此,考慮到系統建設成本,采用BACnet路由器代理WEBs AX控制器,實(shí)現學(xué)生計算機主機與DDC之間的交互,包括程序下載與調試、數據讀取與寫(xiě)入等,已足夠滿(mǎn)足教學(xué)需求,無(wú)需更高級的BACnet管理功能。
三、系統配置與選型
1. DDC的配置
目前主流的樓宇自控系統,在現場(chǎng)DDC控制器的選型設計中,多采用主控制器(DDC) +擴展模塊(1/0)的形式。這樣可以在確?？刂茊卧鄬Κ毩⒌那疤嵯?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失效。
(1)教師管理平臺的DDC配置。在該樓宇自控實(shí)訓室中教師管理平臺直接接入實(shí)際的受控演示設備。以下是優(yōu)化后,對實(shí)際受控演示設備重新配置的DDC和1/0模塊的數量,具體配置參見(jiàn)表1。
(2)學(xué)生操作臺的DDC配置。在實(shí)際的教學(xué)應用中,學(xué)生的一次實(shí)訓課程只進(jìn)行單個(gè)特定程序的編程與驗證。根據上述4個(gè)系統部分的DDC模塊配置情況,只需為學(xué)生操作臺按照空調系統配置DDC和1/0模塊,就可滿(mǎn)足所有系統的教學(xué)需求。因此,為學(xué)生操作臺配置的DDC和1/0模塊的數量清單,具體配置參見(jiàn)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,考慮到系統性能和穩定性,選用256MB內存配置。結合實(shí)際BACnet MS/TP總線(xiàn)數量,需要配置一塊RS-485通訊卡,可為控制器增加2條RS-485總線(xiàn)。
另外,考慮到系統需接入Modbus RTU設備(如: PLC設備通過(guò)Modbus RTU協(xié)議接入到樓控系統中),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(xiàn)采集Modbus RTU設備數據。結合上述需求,為網(wǎng)絡(luò )控制器做如下配置,參見(jiàn)表3。
四、BAS實(shí)訓平臺應用
1·創(chuàng )建應用程序庫
為了確保實(shí)訓教學(xué)的順利開(kāi)展,提高教學(xué)效率,在系統投入初期,教師根據教學(xué)需要結合課程設計和實(shí)驗內容,對每一個(gè)教學(xué)過(guò)程中可能用到的程序提前設計一套標準的控制邏輯,以“程序庫”的形式保存在教師服務(wù)器的WEBStation AX系統中。每一個(gè)標準程序以一個(gè)獨立文件的形式存儲,可單獨調用或發(fā)送給學(xué)生供教學(xué)參考。“程序庫”使用WEBStation AX系統自帶的SpyderLibrary進(jìn)行版本維護,教師可根據需要,對“程序庫”進(jìn)行導入、導出、更新等操作。“程序庫”中的每一個(gè)程序都對應一個(gè)單一控制器的應用邏輯,可隨時(shí)下載到實(shí)際的現場(chǎng)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(lèi)標準程序: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)訓時(shí)用到的實(shí)驗程序、學(xué)生考核時(shí)用到的程序試題、用來(lái)驗證學(xué)生提交的程序是否正確的輔助程序等。隨著(zhù)教學(xué)內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)訓教學(xué)演示
教師根據課程安排,從教師服務(wù)器的程序庫(SpyderLibrary)中將教學(xué)所需的標準程序調取出來(lái)?？稍谡n堂上對控制原理、控制流程進(jìn)行講解,并結合標準程序的控制邏輯進(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)仿真數據和控制邏輯,加深對教學(xué)內容的理解。
在對程序講解之后,教師可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制器(WEB-600E)將標準程序下載到實(shí)際演示設備所對應的DDC中, DDC根據程序控制現場(chǎng)實(shí)際的演示設備進(jìn)行工作,進(jìn)一步演示和驗證程序在實(shí)際物理設備上的工作狀態(tài),讓學(xué)生能夠更直觀(guān)和深刻地理解教學(xué)內容。
在整個(gè)教學(xué)演示過(guò)程中,學(xué)生操作臺上的DDC線(xiàn)路被切換到教師管理平臺,學(xué)生無(wú)法對自己控制臺的DDC進(jìn)行操作,需專(zhuān)心聽(tīng)講,待教師講解演示完之后,將線(xiàn)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
在教師教學(xué)演示完成后,預留充分的時(shí)間供學(xué)生進(jìn)行實(shí)際的操作實(shí)訓,此時(shí),將學(xué)生操作臺的DDC線(xiàn)路切換給每個(gè)學(xué)生控制臺,學(xué)生在充分理解了課程內容之后,在自己的操作臺上編寫(xiě)課程要求的實(shí)驗程序。
學(xué)生可通過(guò)每個(gè)控制臺配備的DDC對控制邏輯進(jìn)行編程、仿真、調試、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(guò)操作程序驗證板驗證自己設計的控制邏輯是否正確。在程序驗證板測試通過(guò)后,學(xué)生可舉手向教師報告,在教師確認后，方可進(jìn)入下一步實(shí)際驗證階段。
程序實(shí)際驗證
學(xué)生在自己的操作臺對教學(xué)實(shí)驗內容進(jìn)行驗證通過(guò)后,在獲得教師認可的前提下,可通過(guò)操作臺的計算機將自己實(shí)驗編寫(xiě)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)際現場(chǎng)相連的演示設備所對應的DDC中,進(jìn)一步實(shí)際驗證程序的準確性。
需要說(shuō)明的是:由于教師服務(wù)器是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制器對程序進(jìn)行下載,且現場(chǎng)實(shí)際的演示設備只有一套,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(jì)考核
(1)學(xué)生考試與答題。學(xué)生在參加考核之前,隨機抽取考題,并通過(guò)學(xué)生操作臺在指定路徑下載試題需要的考核程序。而后根據題目要求,在規定的時(shí)間內在自己的操作臺上編寫(xiě)、調試、測試和驗證程序。在考試結束后,離開(kāi)考場(chǎng)。在整個(gè)考試期間,每個(gè)學(xué)生操作臺的DDC都與自己所對應的路由器連接,每個(gè)操作臺都是一套完全獨立的樓控系統。
由于每個(gè)學(xué)生操作臺相互獨立,因此,可以設計多套不同考題,既增加考核的靈活性和隨機性,也防止學(xué)生作弊。
(2)教師閱卷與評分?？荚嚱Y束后,教師將DDC的通訊線(xiàn)路切換到教師管理平臺,可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制器(WEB-600E)訪(fǎng)問(wèn)到所有學(xué)生操作臺的DDC (DDC內保存有學(xué)生完成的考試程序)。教師根據每個(gè)學(xué)生的試題內容,從“程序庫”中找到對應的輔助驗證程序,通過(guò)驗證程序輸出的程序結果,可判定學(xué)生答題的準確程度,并給出得分。
對于可能存在不確定性的程序,教師也可通過(guò)服務(wù)器平臺,直接通過(guò)Niagara網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)對應生的主機,調看學(xué)生具體編寫(xiě)的程序邏輯,做進(jìn)一步研判。此外,教師也可以通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò ),將學(xué)生操作臺上考試時(shí)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
在整個(gè)實(shí)訓室系統中,考慮到了日后教學(xué)的拓展需要,可以直接利用現有的網(wǎng)絡(luò )架構輕松實(shí)現更高級別的教學(xué)課程。教師管理平臺和學(xué)生操作臺都有一套獨立的WEBStation AXDemo軟件,因此可以直接利用現有網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行多工作站組網(wǎng)、系統集成、權限控制管理、系統聯(lián)動(dòng)等更多復雜的實(shí)訓演練。WEBStation AX Demo軟件具有WEBs AX的全部功能,因此也可利用這套系統開(kāi)展更高層次的軟件和平臺應用培訓與教學(xué)。此外,現有的網(wǎng)絡(luò )層結構可直接同時(shí)支持包括Niagara網(wǎng)絡(luò )、BACnet IP網(wǎng)絡(luò )、BACnet Ethernet網(wǎng)絡(luò )等在內的多種網(wǎng)絡(luò )應用和實(shí)驗的需求,無(wú)需額外投入和更改系統架構,為教學(xué)拓展提供可能。

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