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智能樓宇仿真對象實訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)
一、樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)室的總體設(shè)計
智能樓宇仿真對象實訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)實訓(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實訓(xùn)室主要由實訓(xùn)演示成套設(shè)備(被控設(shè)備)、學(xué)生實訓(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套相互獨立的學(xué)生操作工位組成,內(nèi)部包括調(diào)試計算機、DDC、路由器等設(shè)備。教師管理平臺是整個實訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)部由主控計算機、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備組成。
該BAS實訓(xùn)室可以實現(xiàn)“樓宇自控系統(tǒng)工程技術(shù)”專業(yè)課程的實訓(xùn)教學(xué),學(xué)生可以在學(xué)生實訓(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)試以及編程運行等實訓(xùn)操作。
二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
該BAS實訓(xùn)室系統(tǒng)采用Honeywell WEBs AX作為樓宇控制系統(tǒng)日常教學(xué)和實訓(xùn)的平臺。總體按照1套教師管理平臺和16套學(xué)生操作臺進行設(shè)計,每套學(xué)生操作臺可容納2名學(xué)生根據(jù)教學(xué)要求進行獨立的樓宇自控課程實訓(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)可實現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成實訓(xùn);下層現(xiàn)場控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進行實際現(xiàn)場設(shè)備的編程、調(diào)試、仿真等實訓(xùn)。
教師管理平臺與學(xué)生操作臺通過TCP/IP構(gòu)建獨立的局域網(wǎng),可實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)管理,并可通過WEBStation AX軟件進行樓宇自控系統(tǒng)的主/從工作站的站點管理?？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立的WEBStation AX Demo軟件,具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。在獨立實訓(xùn)時,學(xué)生操作臺可成為一套單獨的小型樓字自控系統(tǒng)。此時,學(xué)生的電腦主機充當(dāng)系統(tǒng)管理的服務(wù)器角色,根據(jù)教學(xué)安排,進行程序的調(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,負責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)中所有的學(xué)生控制臺,并與實際現(xiàn)場的末端演示設(shè)備連接,可進行現(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,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,最終連接到實際演示教學(xué)的受控設(shè)備上,實現(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實訓(xùn)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(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進行程序下載?，F(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)生計算機主機與所對應(yīng)的現(xiàn)場DDC控制器(Spyder) ,實現(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,立,互不干擾。BACnet路由器是BACnet協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備,實現(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。在實際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生操作臺主要進行程序下載與測試,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,實現(xiàn)學(xué)生計算機主機與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主控制器(DDC)附帶多個(2個以上)的擴展模塊。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。在該樓宇自控實訓(xùn)室中教師管理平臺直接接入實際的受控演示設(shè)備。以下是優(yōu)化后,對實際受控演示設(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。在實際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生的一次實訓(xùn)課程只進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實訓(xùn)平臺應(yīng)用
1·創(chuàng)建應(yīng)用程序庫
為了確保實訓(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)程序以一個獨立文件的形式存儲,可單獨調(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進行版本維護,教師可根據(jù)需要,對“程序庫”進行導(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,可隨時下載到實際的現(xiàn)場控制器中,進行程序的仿真、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)生在實訓(xùn)時用到的實驗程序、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、控制流程進行講解,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)程序的控制邏輯進行程序仿真。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)場實際的演示設(shè)備進行工作,進一步演示和驗證程序在實際物理設(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進行操作。
3·學(xué)生操作實訓(xùn)
在教師教學(xué)演示完成后,預(yù)留充分的時間供學(xué)生進行實際的操作實訓(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驗程序。
學(xué)生可通過每個控制臺配備的DDC對控制邏輯進行編程、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,在教師確認后，方可進入下一步實際驗證階段。
程序?qū)嶋H驗證
學(xué)生在自己的操作臺對教學(xué)實驗內(nèi)容進行驗證通過后,在獲得教師認可的前提下,可通過操作臺的計算機將自己實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)下載到實際現(xiàn)場相連的演示設(shè)備所對應(yīng)的DDC中,進一步實際驗證程序的準(zhǔn)確性。
需要說明的是:由于教師服務(wù)器是通過網(wǎng)絡(luò)控制器對程序進行下載,且現(xiàn)場實際的演示設(shè)備只有一套,因此,學(xué)生需輪流排隊,按先后順序進行程序的實際驗證。
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立的樓控系統(tǒng)。
由于每個學(xué)生操作臺相互獨立,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性,也防止學(xué)生作弊。
(2)教師閱卷與評分。考試結(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,調(diào)看學(xué)生具體編寫的程序邏輯,做進一步研判。此外,教師也可以通過計算機網(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立的WEBStation AXDemo軟件,因此可以直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行多工作站組網(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。
關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 實訓(xùn)設(shè)備 實訓(xùn)裝置 教學(xué)儀器 教學(xué)設(shè)備 實驗設(shè)備 實訓(xùn)臺 考核裝置 電工電子 實驗裝置 數(shù)控技術(shù) 實訓(xùn)考核 技能實訓(xùn) 數(shù)控系統(tǒng) 電氣控制 實訓(xùn)鑒定 自控實訓(xùn) 數(shù)控軟件 實驗系統(tǒng) 數(shù)控實訓(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實驗 變頻調(diào)速 PLC實訓(xùn) 單片機
智能樓宇仿真對象實訓(xùn)系統(tǒng)(Honeywell總線型)實訓(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實訓(xùn)室主要由實訓(xùn)演示成套設(shè)備(被控設(shè)備)、學(xué)生實訓(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套相互獨立的學(xué)生操作工位組成,內(nèi)部包括調(diào)試計算機、DDC、路由器等設(shè)備。教師管理平臺是整個實訓(xùn)系統(tǒng)的核心部分,內(nèi)部由主控計算機、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備組成。
該BAS實訓(xùn)室可以實現(xiàn)“樓宇自控系統(tǒng)工程技術(shù)”專業(yè)課程的實訓(xùn)教學(xué),學(xué)生可以在學(xué)生實訓(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)試以及編程運行等實訓(xùn)操作。
二、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計
該BAS實訓(xùn)室系統(tǒng)采用Honeywell WEBs AX作為樓宇控制系統(tǒng)日常教學(xué)和實訓(xùn)的平臺。總體按照1套教師管理平臺和16套學(xué)生操作臺進行設(shè)計,每套學(xué)生操作臺可容納2名學(xué)生根據(jù)教學(xué)要求進行獨立的樓宇自控課程實訓(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)可實現(xiàn)基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系統(tǒng)集成實訓(xùn);下層現(xiàn)場控制器基于BACnet MS/TP組網(wǎng),可進行實際現(xiàn)場設(shè)備的編程、調(diào)試、仿真等實訓(xùn)。
教師管理平臺與學(xué)生操作臺通過TCP/IP構(gòu)建獨立的局域網(wǎng),可實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)管理,并可通過WEBStation AX軟件進行樓宇自控系統(tǒng)的主/從工作站的站點管理?？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立的WEBStation AX Demo軟件,具有WEBs AX系統(tǒng)全部的功能。在獨立實訓(xùn)時,學(xué)生操作臺可成為一套單獨的小型樓字自控系統(tǒng)。此時,學(xué)生的電腦主機充當(dāng)系統(tǒng)管理的服務(wù)器角色,根據(jù)教學(xué)安排,進行程序的調(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,負責(zé)管理和維護網(wǎng)絡(luò)中所有的學(xué)生控制臺,并與實際現(xiàn)場的末端演示設(shè)備連接,可進行現(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,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,最終連接到實際演示教學(xué)的受控設(shè)備上,實現(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實訓(xùn)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(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進行程序下載?，F(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)生計算機主機與所對應(yīng)的現(xiàn)場DDC控制器(Spyder) ,實現(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,立,互不干擾。BACnet路由器是BACnet協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備,實現(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。在實際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生操作臺主要進行程序下載與測試,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,實現(xiàn)學(xué)生計算機主機與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主控制器(DDC)附帶多個(2個以上)的擴展模塊。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。在該樓宇自控實訓(xùn)室中教師管理平臺直接接入實際的受控演示設(shè)備。以下是優(yōu)化后,對實際受控演示設(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。在實際的教學(xué)應(yīng)用中,學(xué)生的一次實訓(xùn)課程只進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實訓(xùn)平臺應(yīng)用
1·創(chuàng)建應(yīng)用程序庫
為了確保實訓(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)程序以一個獨立文件的形式存儲,可單獨調(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進行版本維護,教師可根據(jù)需要,對“程序庫”進行導(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,可隨時下載到實際的現(xiàn)場控制器中,進行程序的仿真、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)生在實訓(xùn)時用到的實驗程序、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、控制流程進行講解,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)程序的控制邏輯進行程序仿真。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)場實際的演示設(shè)備進行工作,進一步演示和驗證程序在實際物理設(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進行操作。
3·學(xué)生操作實訓(xùn)
在教師教學(xué)演示完成后,預(yù)留充分的時間供學(xué)生進行實際的操作實訓(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驗程序。
學(xué)生可通過每個控制臺配備的DDC對控制邏輯進行編程、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,在教師確認后，方可進入下一步實際驗證階段。
程序?qū)嶋H驗證
學(xué)生在自己的操作臺對教學(xué)實驗內(nèi)容進行驗證通過后,在獲得教師認可的前提下,可通過操作臺的計算機將自己實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)下載到實際現(xiàn)場相連的演示設(shè)備所對應(yīng)的DDC中,進一步實際驗證程序的準(zhǔn)確性。
需要說明的是:由于教師服務(wù)器是通過網(wǎng)絡(luò)控制器對程序進行下載,且現(xiàn)場實際的演示設(shè)備只有一套,因此,學(xué)生需輪流排隊,按先后順序進行程序的實際驗證。
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立的樓控系統(tǒng)。
由于每個學(xué)生操作臺相互獨立,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性,也防止學(xué)生作弊。
(2)教師閱卷與評分。考試結(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,調(diào)看學(xué)生具體編寫的程序邏輯,做進一步研判。此外,教師也可以通過計算機網(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立的WEBStation AXDemo軟件,因此可以直接利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進行多工作站組網(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。