智能楼宇仿真对象实训系统(Honeywell总线型)_楼宇自动化实训设备

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智能楼宇仿真对象实训系统(Honeywell总线型)

一、楼宇自控系统实训室的总体设计
智能楼宇仿真对象实训系统(Honeywell总线型)实训室采用性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实训室主要由实训演示成套设备(被控设备)、学生实训操作台和系统集成管理控制平台(教师主控台)三个部分组成。其中,被控设备部分包括智能照明系统、给排水系统、空调系统、配电系统、电梯系统等几套被控系统。学生操作台部分由16套相互独立的学生操作工位组成,内部包括调试计算机、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、WEBS控制器、网络交换机等设备组成。
该BAS实训室可以实现“楼宇自控系统工程技术”专业课程的实训教学,学生可以在学生实训工位上动手完成整个楼宇控制系统工程从系统设计、控制设备安装与布线到软硬件调试的全过程,学生在该课程理论学习的基础上,完成楼宇设备自控各子系统的配置、安装与调试以及编程运行等实训操作。

二、系统架构设计
该BAS实训室系统采用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套学生操作台进行设计,每套学生操作台可容纳2名学生根据教学要求进行独立的楼宇自控课程实训和程序验证。
1,网络层架构设计
考虑到目前楼宇自控的行业发展,选择BACnet协议作为系统网络构建的基础。上层控制网络可实现基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系统集成实训;下层现场控制器基于BACnet MS/TP组网,可进行实际现场设备的编程、调试、仿真等实训。
教师管理平台与学生操作台通过TCP/IP构建独立的局域网,可实现计算机网络管理,并可通过WEBStation AX软件进行楼宇自控系统的主/从工作站的站点管理。考虑到教学的灵活性,系统可直接利用现有设计的局域网实现基于BACnet IP或BACnet Ethernet的系统集成,无需额外增加或更改系统设计与配置,为日后开展基于BACnet网络层集成实训提供设础。
教师管理平台和每套学生操作台均配置一套独立的WEBStation AX Demo软件,具有WEBs AX系统全部的功能。在独立实训时,学生操作台可成为一套单独的小型楼字自控系统。此时,学生的电脑主机充当系统管理的服务器角色,根据教学安排,进行程序的调试、下载、验证和其他训练课程。在整体组网教学时,教师管理平台在整个系统网络中承担主服务器的功能,此时,学生操作台成为客户端或从站,教师通过权限的维护与分配,可管理所有学生操作台。学生可根据教学计划,开展系统集成和楼宇网络管理相关的实训。
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,负责管理和维护网络中所有的学生控制台,并与实际现场的末端演示设备连接,可进行现场设备的程序验证、测试和演示。
教师管理平台配置一台安装有WEBStation AX Demo软件的服务器主机,具有WEBs AX系统全部的功能。服务器通过TCP/IP网络与一台网络控制器(WEB-600E)连接,用以实现楼宇控制系统的全局管理。网络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,实现教学演示和验证功能;另一条BACnet MS/TP总线连接每个学生操作台的现场控制器,在需要时,可通过线路切换,切断与学生操作台的连接,改由教师管理平台接管,可实现多控制器组网等复杂的演示和教学。
3、学生操作台设计
该BAS实训室一共配置16套相互独立的学生操作台,每套操作台配置一台安装有WEBStation AX Demo软件的计算机主机,本身具备WEBs AX系统全部的功能,但考虑到教学的需要,可通过权限的设置,只在教师授权允许的基础上,学生操作台才可实现较高级别的管理功能,避免因误操作而造成系统性损害。
学生操作台通过BACnet IP网络连接一台BACnet路由器,路由器向下通过BACnet MS/TP总线与一台现场DDC控制器和若干个输入/输出(1/0)模块连接。学生可通过路由器直接对DDC进行程序下载。现场控制器与一块程序验证板连接,学生可在程序验证板上对下载的程序进行仿真和验证测试。考虑到教学的需要和线路的复用,学生操作台的BACnet路由器与DDC之间的BACnet MS/TP总线连接可被断开,切换到教师管理平台,由教师管理平台实现集成管理。
4. BACnet路由器设计
每个学生操作台配置一台BACnet路由器,用于连接学生计算机主机与所对应的现场DDC控制器(Spyder) ,实现程序下载、数据读取与采集等功能,并确保每套学生操作台相互独,立,互不干扰。BACnet路由器是BACnet协议转换设备,实现BACnet IP与BACnet MS/TP之间的协议相互转换。由于系统采用BACnet协议结构,教师管理平台可通过配置的WEBs AX网络控制器直接对下层的BACnet设备(Spyder)进行操作,包括:程序下载与调试、数据读取与写入、BACnet设备管理、通讯调谐等。在实际的教学应用中,学生操作台主要进行程序下载与测试,以及相对简单的数据读写操作。因此,考虑到系统建设成本,采用BACnet路由器代理WEBs AX控制器,实现学生计算机主机与DDC之间的交互,包括程序下载与调试、数据读取与写入等,已足够满足教学需求,无需更高级的BACnet管理功能。
三、系统配置与选型
1. DDC的配置
目前主流的楼宇自控系统,在现场DDC控制器的选型设计中,多采用主控制器(DDC) +扩展模块(1/0)的形式。这样可以在确保控制单元相对独立的前提下,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)的扩展模块。这样可以最大程度的确保因单个DDC故障而引起大面积的系统失效。
(1)教师管理平台的DDC配置。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置的DDC和1/0模块的数量,具体配置参见表1。
(2)学生操作台的DDC配置。在实际的教学应用中,学生的一次实训课程只进行单个特定程序的编程与验证。根据上述4个系统部分的DDC模块配置情况,只需为学生操作台按照空调系统配置DDC和1/0模块,就可满足所有系统的教学需求。因此,为学生操作台配置的DDC和1/0模块的数量清单,具体配置参见表2。
2.网络控制器的配置
网络控制器采用Honeywell WEB-600E,考虑到系统性能和稳定性,选用256MB内存配置。结合实际BACnet MS/TP总线数量,需要配置一块RS-485通讯卡,可为控制器增加2条RS-485总线。
另外,考虑到系统需接入Modbus RTU设备(如: PLC设备通过Modbus RTU协议接入到楼控系统中),因此,为WEB600E控制器配置一个Modbus RTU Master接口,可直接通过RS-485总线采集Modbus RTU设备数据。结合上述需求,为网络控制器做如下配置,参见表3。
四、BAS实训平台应用
1·创建应用程序库
为了确保实训教学的顺利开展,提高教学效率,在系统投入初期,教师根据教学需要结合课程设计和实验内容,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”的形式保存在教师服务器的WEBStation AX系统中。每一个标准程序以一个独立文件的形式存储,可单独调用或发送给学生供教学参考。“程序库”使用WEBStation AX系统自带的SpyderLibrary进行版本维护,教师可根据需要,对“程序库”进行导入、导出、更新等操作。“程序库”中的每一个程序都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,进行程序的仿真、演示和验证。“程序库”可以包括(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、学生在实训时用到的实验程序、学生考核时用到的程序试题、用来验证学生提交的程序是否正确的辅助程序等。随着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
教师根据课程安排,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、控制流程进行讲解,并结合标准程序的控制逻辑进行程序仿真。学生可以清晰地看到程序中每个功能块的工作顺序、实时仿真数据和控制逻辑,加深对教学内容的理解。
在对程序讲解之后,教师可通过网络控制器(WEB-600E)将标准程序下载到实际演示设备所对应的DDC中, DDC根据程序控制现场实际的演示设备进行工作,进一步演示和验证程序在实际物理设备上的工作状态,让学生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,学生操作台上的DDC线路被切换到教师管理平台,学生无法对自己控制台的DDC进行操作,需专心听讲,待教师讲解演示完之后,将线路切换回给学生控制台,学生才可以对自己控制台的DDC进行操作。
3·学生操作实训
在教师教学演示完成后,预留充分的时间供学生进行实际的操作实训,此时,将学生操作台的DDC线路切换给每个学生控制台,学生在充分理解了课程内容之后,在自己的操作台上编写课程要求的实验程序。
学生可通过每个控制台配备的DDC对控制逻辑进行编程、仿真、调试、下载、测试。学生控制台的DDC与一块程序验证板相连,学生可通过操作程序验证板验证自己设计的控制逻辑是否正确。在程序验证板测试通过后,学生可举手向教师报告,在教师确认后，方可进入下一步实际验证阶段。
程序实际验证
学生在自己的操作台对教学实验内容进行验证通过后,在获得教师认可的前提下,可通过操作台的计算机将自己实验编写的程序提交到教师服务器上。教师在管理服务器上,可将学生提交的程序通过网络控制器(WEB-600E)下载到实际现场相连的演示设备所对应的DDC中,进一步实际验证程序的准确性。
需要说明的是:由于教师服务器是通过网络控制器对程序进行下载,且现场实际的演示设备只有一套,因此,学生需轮流排队,按先后顺序进行程序的实际验证。
5·学生成绩考核
(1)学生考试与答题。学生在参加考核之前,随机抽取考题,并通过学生操作台在指定路径下载试题需要的考核程序。而后根据题目要求,在规定的时间内在自己的操作台上编写、调试、测试和验证程序。在考试结束后,离开考场。在整个考试期间,每个学生操作台的DDC都与自己所对应的路由器连接,每个操作台都是一套完全独立的楼控系统。
由于每个学生操作台相互独立,因此,可以设计多套不同考题,既增加考核的灵活性和随机性,也防止学生作弊。
(2)教师阅卷与评分。考试结束后,教师将DDC的通讯线路切换到教师管理平台,可通过网络控制器(WEB-600E)访问到所有学生操作台的DDC (DDC内保存有学生完成的考试程序)。教师根据每个学生的试题内容,从“程序库”中找到对应的辅助验证程序,通过验证程序输出的程序结果,可判定学生答题的准确程度,并给出得分。
对于可能存在不确定性的程序,教师也可通过服务器平台,直接通过Niagara网络访问对应生的主机,调看学生具体编写的程序逻辑,做进一步研判。此外,教师也可以通过计算机网络,将学生操作台上考试时做的项目工程备份到服务器存档,或要求学生在答题完毕后将自己所做的项目工程打包提交到教师服务器。
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,可以直接利用现有的网络架构轻松实现更高级别的教学课程。教师管理平台和学生操作台都有一套独立的WEBStation AXDemo软件,因此可以直接利用现有网络进行多工作站组网、系统集成、权限控制管理、系统联动等更多复杂的实训演练。WEBStation AX Demo软件具有WEBs AX的全部功能,因此也可利用这套系统开展更高层次的软件和平台应用培训与教学。此外,现有的网络层结构可直接同时支持包括Niagara网络、BACnet IP网络、BACnet Ethernet网络等在内的多种网络应用和实验的需求,无需额外投入和更改系统架构,为教学拓展提供可能。

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