基于HoneywellWEBs系統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)室建設(shè)研究與實踐

摘 要：本文從建筑智能化工程技術(shù)專業(yè)建設(shè)需求出發(fā)，結(jié)合目前建筑智能化專業(yè)的樓宇自控系統(tǒng)工程技術(shù)的實訓(xùn)教學(xué)實際狀況，探討基于Honeywell WEBs系統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)室的總體設(shè)計、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)備配置與選型和實訓(xùn)平臺的應(yīng)用等，從而提供一套完整的樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)室建設(shè)范式。

關(guān)鍵詞：建筑智能化 WEBs系統(tǒng) 樓宇自控 實訓(xùn)室建設(shè)

一、樓宇自控系統(tǒng)實訓(xùn)室的總體設(shè)計

樓宇自控系統(tǒng)（簡稱BAS）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(jī)、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(jī)、WEBS控制器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)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(yùn)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?？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(jìn)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(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)計基礎(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宇自控系統(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BACnet MS/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(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（I/O）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。考慮到教學(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(jī)主機(jī)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(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（I/O）的形式。這樣可以在確?？刂茊卧鄬Κ毩⒌那疤嵯拢档虳DC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I/O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(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I/O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I/O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WEB-600E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Spyder Library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?！俺绦驇臁敝械拿恳粋€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(jìn)行程序的仿真、演示和驗證?！俺绦驇臁笨梢园ǎǖ痪窒抻冢┮韵聨最悩?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（Spyder Library）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(jìn)行工作，進(jìn)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(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(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)入下一步實際驗證階段。

4.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(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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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(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)學(xué)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 AX Demo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。

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（作者單位：江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院、南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校）