樓宇自控系統模塊化訓練設備的設計

余志強，葉 放

（1.浙江工商職業技術學院建筑與藝術學院，寧波 315012）2.寧波市科信工程咨詢管理有限公司，寧波 315103）

1 引 言

樓宇自控系統 （Building Automation System，BAS）是智能建筑的重要組成部分，是樓宇智能化技術的核心。它對建筑內部的暖通空調、給排水、照明、變配電等設備的運行、能源使用進行監控，為人們提供一個既安全、可靠、節能，又舒適的人工環境，同時大大的提高大廈管理的科學性和智能化水平。樓宇自控訓練設備起著培養受訓者專業核心技能的重要作用。目前市場上已建的樓宇自控系統訓練設備普遍存在著一些共性問題。因此，有必要研制一套能滿足項目化技能訓練需要、便于實踐訓練和技能考核的模塊化樓宇自控實訓裝置。該設備將對各校深化專業教學改革和行業人才培養具有重要的意義，同時也具有很好的市場推廣價值。

2 同類產品調研分析

筆者及其開發成員調研了如下幾種典型的樓宇自控系統訓練設備：

（1）華北電力大學智能建筑實驗室

該實驗室是教育部重點實驗室資助項目，其內容之一是中央空調試驗臺樓宇自控系統。其空調設備選用Carrier公司制冷機組和空調處理機組，自動控制系統采用Honeywell公司EXCEL5000集散式控制系統。中央監控計算機的監控軟件根據現場實際情況進行組態，采用圖形操作界面。在空調機房設置現場控制器，通過控制總線將控制器與中央監控站連接起來，并將控制信息傳遞到中央監控站，從而實現聯網控制。

（2）廣東工業大學自動化學院智能樓宇綜合實驗系統

該系統通過開發、設計和編程可對系統內所有的真實的傳感器、智能模塊及機電裝置進行自動測控。該實驗系統做在一個大型實驗演示板上，每個子系統在上面分別占據一個方塊，在板上安裝的都是實際使用的傳感器、執行器、測試模塊、控制模塊以及受測控的器件。板面的正面由彩色框圖和實物模塊構成，展示基本工作原理及系統結構。并引進了一套LonWorks總線開發裝置，具備開發智能節點模塊的條件。該實驗室還將在二期建設中引進另一種主流的現場總線BACtalk或Profibus。

（3）浙江求是科教設備有限公司BA-KT型樓宇自動控制系統實驗裝置

該公司開發的裝置針對智能建筑中的中央空調系統，采用工業化設計，采用霍尼韋爾公司的傳感器、執行器，再現了實際系統各環節的內容，可以滿足編程、組態、開發的需要。

上述學校和廠商開發的樓宇自動化系統教學設備具有如下兩方面的共性問題：

（1）具有較好的演示功能，并適于編程開發訓練，比較適合本科教學。

（2）這些設備缺少智能建筑行業工程應用方面的考慮，可操作性差，難以滿足動手實踐的需求。

因此，現有設備與高職院校的培養目標定位不相符，難以適應高職院校的職業技能訓練需求，難以適應當前高職院校廣泛推廣的基于工作過程的行動導向教學模式。

3 設計目標

邊做邊學、邊學邊做、學做結合是當前職業教育、培訓的主要方向。因此，該訓練系統應能使學員接觸本行業的常用生產工具，掌握必備的行業技能。本系統的設計目標在于解決上述的共性問題，滿足基于項目化教學的需要，便于實踐訓練和技能考核的模塊化樓宇自控實訓裝置。該系統的目標要求如下：

1）既要體現生產現場的特點，又要適合課堂教學，適宜展開 “學做結合”的課堂模式；

2）采用當前實際工程中常用的器件設備，保證實訓系統的通用性和先進性；

3）能滿足 “智能樓宇管理師”職業資格證書對樓宇自控系統技能考核的要求。

4 設計方案

4.1 布置形式

樓宇自控實訓設備是樓宇智能化專業綜合實訓項目的重要組成部分。圖1是本項目組成員設計的一種布置形式。虛線框四周布置的是成套的暖通空調、給排水、供配電等建筑設備及對其實施監控的樓宇自動化設備，主要用于成套樓宇自控系統的演示和整體的操作管理訓練。虛線框部分即為本項目所要研制對象，用于訓練樓宇自控系統主要器件的安裝調試技能。

4.2 系統架構

當前樓宇自控行業中應用最為廣泛的是集散型的控制系統。它通過系統的中央監控管理中心的集中管理和各現場控制器的分散控制實現對建筑物內水、暖、電等各類設備綜合監控與管理。管理者可以通過中央監控管理中心上的可視化的圖形界面對所有設備進行操作、管理、警報等，同時通過網絡實時地獲取各種設備運行狀態的報告和運行參數，可以有效的提高管理水平和工作效率。利用計算機網絡和接口技術將分散在各個子系統中不同樓層的直接數字控制器 （Direct Digital Control，DDC）連接起來，通過聯網實現各個子系統與中央監控管理級計算機之間及子系統相互之間的信息通信，達到分散控制、集中管理的功能模式，即集散控制系統。

該樓宇自控實訓設備即基于集散型控制系統進行開發，該系統的組成和架構如圖2所示。上位機作為中央監控管理計算機，裝有建筑設備監控軟件，可根據實際情況進行組態。實訓臺上每個工位配一臺DDC控制器模塊和六個受控模塊，可以容納2人。受控模塊可根據教學內容在實訓臺上更換，各DDC模塊以控制總線連接到中央監控計算機，并將控制信息傳遞到中央監控站，從而實現聯網控制。學生可在工作站 （圖1下方的一排電腦，中央監控計算機聯網）上練習組態、編程等技能。

學生還可把實訓室內的演示用的現場實際設備（傳感器、執行器）連接到DDC模塊上，甚至把現場的DDC設備連接到工作站進行調試練習。

作為試驗研究，本項目試制的樣機包括1臺上位機 （管理計算機）、1套DDC模塊、6套受控模塊。其中上位機主要采用廠商的樓宇自控軟件，DDC控制器模塊和受控模塊則需要項目組成員設計制作。

4.3 若干關鍵問題

（1）上位機 （管理計算機）

硬件采用裝有Windows XP專業版操作系統的、當前主流配置的PC機。軟件采用本地行業常用廠商 （如西門子、霍尼韋爾、江森、同方、海灣、中控等）的監控軟件。根據DDC和受控設備分項目編程和組態設計，并構建良好的圖形操作界面。

（2）DDC控制器模塊

DDC通過AI通道和DI通道采集實時數據，經運算處理后發出控制信號，并通過AO通道和DO通道直接控制建筑設備運行。DDC控制器模塊采用24VDC電源，根據目前智能樓宇自動化專業的內容配置有各種輸入輸出的模擬，構成通用實踐模塊。對外通道功能特性要求有：

1）I/O數量：8個UI，8個DO，8個UO，8個AO。

2）輸入信號類型：AI 0～10VDC、0～20mADC、0～10K模擬量信號，12位A/D；DI無源開關量信號。

3）輸出信號類型：DO，具手/自動轉換開關，可選常開或常閉；AO 0～10VDC，具手/自動輸出轉換開關，10位D/A；UO可作DO/AO輸出用，具手/自動輸出轉換開關。

通過配置，可使控制器內部各軟件功能模塊任意組合，相互作用，從而實現各種邏輯運算與算術運算功能。

為便于調試練習，采用 0～10VDC、0～20mADC、0～10K電阻信號模擬AI信號，設置若干個常開點動型開關、常開自鎖型開關模擬DI信號，采用 0～10VDC電壓表查看AO信號，采用24VDC指示燈查看DO信號。

（3）受控模塊

受控模塊的工作電源為24VDC，與DDC控制模塊連接。本項目擬定6種類型的受控對象。以新風機組監控對象為例，該受控模塊的I/O設置情況如圖3所示。實現的方法為以0～10VDC電壓信號、0～10K電阻信號模擬AI信號，以常開自鎖型開關信號模擬DI信號，以0～10VDC電壓表查看AO信號，以24VDC指示燈查看DO信號。

圖3 新風機組監控模塊的監控原理圖

5 小結

該樓宇自控系統的訓練設備由上位機、DDC控制器模塊，受控設備模塊組成。能實現機電設備的控制，室內溫度的控制，風機、過濾網的報警控制，設備運行監視，對暖通空調系統運行的實時監控，與消防報警及聯動系統配合，實現暖通空調系統與防火閥自動切換等功能。該設備彌補了當前市場上現有設備的諸多缺陷 （可操作性差、不能滿足深入動手實踐的需求等），具有較好的市場需求和經濟價值。

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