智能楼宇仿真对象实训系统(Honeywell总线型)
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智能楼宇拟真对象实训系统(Honeywell总线型)实训室应用功能优越的美国霍尼韦尔(Honeywell)公司的楼宇自动化控制系统--WEBs系统。该BAS实训室主要采用实训演示成套设备(被控设备)、学员实训实操台和系统包括管理控制平台(教师主控台)三个部分构成。其中,被控设备部分含有概括智能照明系统、给排水系统、空调系统、配电系统、电梯系统等几套被控系统。学员实操台部分由16套相互单独的学员实操工位构成,内部含有概括调节测试计算机数值、DDC、路由器等设备。教师管理平台是整个实训系统的核心部分,内部由主控计算机数值、WEBS控制器、互联网交换机等设备构成。
该BAS实训室可以完成"楼宇自控系统工程技术"专业课程的实训教学,学员可以在学员实训工位上动手完成整个楼宇控制系统工程从系统设计、控制设备装配与布线到软硬件调节测试的全过程,学员在该课程课程理论学习掌控把握的基础上,完成楼宇设备自控各子系统的配备、装配与调节测试以及编程运行等实训实操。
二、系统架构设计
该BAS实训室系统应用Honeywell WEBs AX作为楼宇控制系统日常教学和实训的平台。总体按照1套教师管理平台和16套学员实操台实行设计,每套学员实操台可容纳2名学员按照教学要求实行单独的楼宇自控课程实训和程序检验。
1,互联网层架构设计
考虑到目前楼宇自控的行业发展,选用BACnet协议作为系统互联网组建的基础。上层控制互联网可完成基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系统包括实训;下层现场控制器基于BACnet MS/TP组网,可实行实际现场设备的编程、调节测试、拟真等实训。
教师管理平台与学员实操台经过TCP/IP组建单独的局域网,可完成计算机数值互联网管理,并可经过WEBStation AX系统实行楼宇自控系统的主/从作业站的站点管理。考虑到教学的灵活性,系统可直接运用现有设计的局域网完成基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系统包括,无需额外多加或更改系统设计与配备,为日后开展基于BACnet互联网层包括实训提供设础。
教师管理平台和每套学员实操台均配备一套单独的WEBStation AX Demo系统,设定有WEBs AX系统全部的功能。在单独实训时,学员实操台可成为一套单独的小型楼字自控系统。此时,学员的电脑主机充当系统管理的服务器角色,按照教学安排,实行程序的调节测试、下载、检验和其他实训课程。在整体组网教学时,教师管理平台在整个系统互联网中承担主服务器的功能,此时,学员实操台成为客户端或从站,教师经过权限的维护与分配,可管理全部学员实操台。学员可按照教学计划,开展系统包括和楼宇互联网管理相关的实训。
2.教师管理平台设计
教师管理平台是整个系统的核心服务器,负责管理和维护互联网中全部的学员控制台,并与实际现场的末端演示设备连接,可实行现场设备的程序检验、测量试验和演示。
教师管理平台配备一台装配备有WEBStation AX Demo系统的服务器主机,设定有WEBs AX系统全部的功能。服务器经过TCP/IP互联网与一台互联网控制器(WEB-600E)连接,用以完成楼宇控制系统的全局管理。互联网控制器向下提供两条BACnetMS/TP总线,一条与演示系统的现场控制器(Spyder)连接,最终连接到实际演示教学的受控设备上,完成教学演示和检验功能;另一条BACnet MS/TP总线连接每个学员实操台的现场控制器,在需要时,可经过线路变换,切断与学员实操台的连接,改由教师管理平台接管,可完成多控制器组网等复杂的演示和教学。
3、学员实操台设计
该BAS实训室一共配备16套相互单独的学员实操台,每套实操台配备一台装配备有WEBStation AX Demo系统的计算机数值主机,本身具备WEBs AX系统全部的功能,但考虑到教学的需要,可经过权限的设定,只在教师授权允许的基础上,学员实操台才可完成较高级别的管理功能,避免因误实操而造成系统性损害。
学员实操台经过BACnet IP互联网连接一台BACnet路由器,路由器向下经过BACnet MS/TP总线与一台现场DDC控制器和若干个写入/输出(1/0)模型块连接。学员可经过路由器直接对DDC实行程序下载。现场控制器与一块程序检验板连接,学员可在程序检验板上对下载的程序实行拟真和检验测量试验。考虑到教学的需要和线路的复用,学员实操台的BACnet路由器与DDC之间的BACnet MS/TP总线连接可被断开,变换到教师管理平台,由教师管理平台完成包括管理。
4. BACnet路由器设计
每个学员实操台配备一台BACnet路由器,用来连接学员计算机数值主机与所对应的现场DDC控制器(Spyder) ,完成程序下载、数值读取与收集等功能,并保证每套学员实操台相互独,立,互不干扰。BACnet路由器是BACnet协议变换设备,完成BACnet IP与BACnet MS/TP之间的协议相互变换。由于系统应用BACnet协议构造,教师管理平台可经过配备的WEBs AX互联网控制器直接对下层的BACnet设备(Spyder)实行实操,含有概括:程序下载与调节测试、数值读取与写入、BACnet设备管理、通讯调谐等。在实际的教学应用中,学员实操台主要实行程序下载与测量试验,以及相对简便的数值读写实操。因此,考虑到系统建造设计成本,应用BACnet路由器代理WEBs AX控制器,完成学员计算机数值主机与DDC之间的交互,含有概括程序下载与调节测试、数值读取与写入等,已足够适用教学需求,无需更高级的BACnet管理功能。
三、系统配备与选型
1. DDC的配备
目前主流的楼宇自控系统,在现场DDC控制器的选型设计中,多应用主控制器(DDC) +拓展模型块(1/0)的形式。这样可以在保证控制单元相对单独的前提下,降低DDC控制器的投入成本。但笔者并不推荐一个主控制器(DDC)附带多个(2个以上)的拓展模型块。这样可以最大程度的保证因单个DDC故障而引起大面积的系统失效。
(1)教师管理平台的DDC配备。在该楼宇自控实训室中教师管理平台直接接入实际的受控演示设备。以下是优化后,对实际受控演示设备重新配备的DDC和1/0模型块的数量,具体配备参见表1。
(2)学员实操台的DDC配备。在实际的教学应用中,学员的一次实训课程只实行单个特定程序的编程与检验。按照上述4个系统部分的DDC模型块配备情况,只需为学员实操台按照空调系统配备DDC和1/0模型块,就可适用全部系统的教学需求。因此,为学员实操台配备的DDC和1/0模型块的数量表单,具体配备参见表2。
2.互联网控制器的配备
互联网控制器应用Honeywell WEB-600E,考虑到系统功能和平稳性,选用256MB内部存储配备。集合实际BACnet MS/TP总线数量,需要配备一块RS-485通讯卡,可为控制器多加2条RS-485总线。
另外,考虑到系统需接入Modbus RTU设备(如: PLC设备经过Modbus RTU协议接入到楼控系统中),因此,为WEB600E控制器配备一个Modbus RTU Master连接口,可直接经过RS-485总线收集Modbus RTU设备数值。集合上述需求,为互联网控制器做如下配备,参见表3。
四、BAS实训台应用
1·创建应用程序库
为了保证实训教学的顺利开展,提升教学效率,在系统投入初期,教师按照教学需要集合课程设计和实训内容,对每一个教学过程中可能用到的程序提前设计一套标准的控制逻辑,以"程序库"的形式存档在教师服务器的WEBStation AX系统中。每一个标准程序以一个单独文件的形式存储,可单独调用或发送给学员供教学参考。"程序库"使用WEBStation AX系统自带的SpyderLibrary实行版本维护,教师可按照需要,对"程序库"实行导入、导出、更新等实操。"程序库"中的每一个程序全部对应一个单一控制器的应用逻辑,可随时下载到实际的现场控制器中,实行程序的拟真、演示和检验。"程序库"可以含有概括(但不局限于)以下几类标准程序:教师在教学中需要使用到的完整的演示程序、学员在实训时用到的实训程序、学员考核时用到的程序试题、用来检验学员提供并上交的程序是否正确的辅助程序等。--教学内容的不断深入和积累,程序库可以不断得到丰富,并逐步完善。
2·教师实训教学演示
教师按照课程安排,从教师服务器的程序库(SpyderLibrary)中将教学所需的标准程序调取出来。可在课堂上对控制原理、控制流程实行讲解,并集合标准程序的控制逻辑实行程序拟真。学员可以清晰地看到程序中每个功能块的作业顺序、就地实时拟真数值和控制逻辑,深入对教学内容的理解。
在对程序讲解之后,教师可经过互联网控制器(WEB-600E)将标准程序下载到实际演示设备所对应的DDC中, DDC按照程序控制现场实际的演示设备实行作业,进一步演示和检验程序在实际物理设备上的作业状态,让学员能够更直观和深刻地理解教学内容。
在整个教学演示过程中,学员实操台上的DDC线路被变换到教师管理平台,学员无法对自己控制台的DDC实行实操,需专心听讲,待教师讲解演示完之后,将线路变换回给学员控制台,学员才可以对自己控制台的DDC实行实操。
3·学员实操实训
在教师教学演示完成后,预留充分的时间供学员实行实际的实操实训,此时,将学员实操台的DDC线路变换给每个学员控制台,学员在充分理解了课程内容之后,在自己的实操台上编写课程要求的实训程序。
学员可经过每个控制台配备装备的DDC对控制逻辑实行编程、拟真、调节测试、下载、测量试验。学员控制台的DDC与一块程序检验板相连,学员可经过实操程序检验板检验自己设计的控制逻辑是否正确。在程序检验板测量试验经过后,学员可举手向教师报告,在教师确认后，方可进入下一步实际检验阶段。
程序实际检验
学员在自己的实操台对教学实训内容实行检验经过后,在获取教师认可的前提下,可经过实操台的计算机数值将自己实训编写的程序提供并上交到教师服务器上。教师在管理服务器上,可将学员提供并上交的程序经过互联网控制器(WEB-600E)下载到实际现场相连的演示设备所对应的DDC中,进一步实际检验程序的准确性。
需要说明的是:由于教师服务器是经过互联网控制器对程序实行下载,而且现场实际的演示设备只有一套,因此,学员需轮流排队,按先后顺序实行程序的实际检验。
5·学员成绩考核
(1)学员考试与答题。学员在参加考核之前,随机抽取考题,并经过学员实操台在指定路径下载试题需要的考核程序。而后按照题目要求,在规定的时间内在自己的实操台上编写、调节测试、测量试验和检验程序。在考试结束后,离开考场。在整个考试期间,每个学员实操台的DDC全部与自己所对应的路由器连接,每个实操台全部是一套完全单独的楼控系统。
由于每个学员实操台相互单独,因此,可以设计多套不一样考题,既多加考核的灵活性和随机性,也防止学员作弊。
(2)教师阅卷与评定分数。考试结束后,教师将DDC的通讯线路变换到教师管理平台,可经过互联网控制器(WEB-600E)访问到全部学员实操台的DDC (DDC内部存储档有学员完成的考试程序)。教师按照每个学员的试题内容,从"程序库"中找到对应的辅助检验程序,经过检验程序输出的程序成果,可判定学员答题的准确程度,并给出得分。
对于可能存在不确定性的程序,教师也可经过服务器平台,直接经过Niagara互联网访问对应生的主机,调看学员具体编写的程序逻辑,做进一步研判。此外,教师也可以经过计算机数值互联网,将学员实操台上考试时做的项目工程备份到服务器存档,或要求学员在答题完毕后将自己所做的项目工程打包提供并上交到教师服务器。
五、小结
在整个实训室系统中,考虑到了日后教学的拓展需要,可以直接运用现有的互联网架构轻松完成更高级别的教学课程。教师管理平台和学员实操台全部有一套单独的WEBStation AXDemo系统,因此可以直接运用现有互联网实行多作业站组网、系统包括、权限控制管理、系统联动等更多复杂的实训演练。WEBStation AX Demo系统设定有WEBs AX的全部功能,因此也可运用这套系统开展更高层次的系统和平台应用培训与教学。此外,现有的互联网层构造可直接同时支持含有概括Niagara互联网、BACnet IP互联网、BACnet Ethernet互联网等在内的多种互联网应用和实训的需求,无需额外投入和更改系统架构,为教学拓展提供可能。
