基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)控消防實驗室設計與實現(xiàn)探究

摘"要：隨著居民生活水平提高，智能樓宇自動控制技術(shù)日益發(fā)展，人們對生產(chǎn)生活的安全性、舒適性要求越來越高，所以物聯(lián)網(wǎng)自動控制技術(shù)在環(huán)控技術(shù)和消防技術(shù)的應用越來越廣泛。環(huán)控技術(shù)和消防技術(shù)是一系列實踐性很強的課程體系。如果學生要想學好這些課程，首先要學習相關(guān)理論知識，再進行實踐環(huán)節(jié)，通過設備進行仿真調(diào)試深入學習。所以，基于環(huán)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的實驗室是十分必要的。

關(guān)鍵詞：環(huán)控技術(shù)""消防技術(shù)""物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)""智能實驗室""消防環(huán)控系統(tǒng)模擬控制""模塊化功能設計

Design"and"Implementation"of"Environmental"Control"and"Fire"Protection"Laboratory"Based"on"Internet"of"Things"Technology

GUAN"Yue

（Changchun"Polytechnic，"Changchun，Jilin"Province，130000"China）

Abstract：With"the"improvement"of"residents'"living"standards，"the"automatic"control"technology"of"intelligent"buildings"has"advanced"significantly，"people's"demands"for"safety"and"comfort"in"production"and"life"are"becoming"increasingly"high，"So"the"application"of"IoT"automatic"control"technology"in"environmental"control"technology"and"fire"protection"technology"is"becoming"increasingly"widespread."Environmental"control"technology"and"fire"protection"technology"constitute"a"series"ofnbsp;highly"practical"courses."If"students"want"to"learn"these"courses"well，"firstly，"it"is"necessary"to"learn"relevant"theoretical"knowledge，"further"practical"exercises"will"be"conducted，"deeply"learn"through"simulation"and"debugging"of"equipment.Therefore，"laboratories"based"on"environmental"control"systems"and"fire"protection"systems"are"essential.

Key"Words：""Environmental"control"technology;"Fire"prevention;"The"Internet"of"Things;"Intelligent"laboratory;"Simulation"control"of"fire"environmental"control"system;"Modular"functional"design

在傳統(tǒng)的高職環(huán)控設備和機電設備實驗教學中，多數(shù)高校沒有相關(guān)實驗箱、實驗臺等設備來開展實驗教學，或有一些相關(guān)高校購買成型的空調(diào)機、氣滅系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等設施，但這種方式也有很明顯的不足之處，成型的產(chǎn)品不利于學生理解掌握內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很難通過實驗課理解內(nèi)部原理，熟練使用技巧。同時，廠家生產(chǎn)的某種型號實驗臺的硬件配置是固定不變、結(jié)構(gòu)單一的，很難完成足夠的實驗教學和項目實訓，因此很難讓學生有一個從仿真到動手、從理論到實踐的完整過程。

1.實驗室功能分析

實驗室具備仿真調(diào)試環(huán)控設備和消防設備，兩類設備都需要可編程控制器（Programmable"Logic"Controller，PLC）進行程序控制，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠程自動控制受控對象，如繼電器、接觸器等電氣元件，所以設計成一套系統(tǒng)，方便調(diào)試。下面具體分析以下兩類設備的功能需求。

1.1環(huán)控設備設置分析

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)在樓宇自動化必備技術(shù)，其設計原理是調(diào)節(jié)建筑物冷熱負荷、人體舒適溫度冷熱負荷、照明強度及其照明產(chǎn)熱源冷熱負荷、新風冷熱負荷[1]。其核心是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將環(huán)境傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等結(jié)合，構(gòu)成的一套智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有溫濕度環(huán)境控制、電力系統(tǒng)監(jiān)控、電力照明系統(tǒng)控制、空調(diào)給排水系統(tǒng)控制等功能。

環(huán)控系統(tǒng)調(diào)試步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)使用仿真軟件模擬一次空調(diào)回路，進行環(huán)控系統(tǒng)電路仿真；（2）分析仿真結(jié)果，判斷現(xiàn)場能耗環(huán)境等參數(shù)；（3）故障模式下調(diào)試設備，根據(jù)回路分析故障并提前排查故障。

1.2消防設備設置分析

消防設備系統(tǒng)是預警火災、消滅火災、給人員疏散提供條件、減小火災破壞性、保障火場中設備安全的重要設施，其原理是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將探測器檢測環(huán)境中的溫度、煙霧濃度、光照強度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為報警信號，經(jīng)過邏輯判斷進行滅火作業(yè)，為人員疏散和消防員滅火救援行動提供寶貴的時間和幫助。

1.3實驗臺設計分析

環(huán)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)是綜合性學科，既包括物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、電氣控制、電機運動控制、PLC、給排水系統(tǒng)等方面的知識。所以，實驗臺的建設基礎是由利用三維建模軟件對虛擬仿真實驗中所需的調(diào)速閥、三相異步電動機、消防水泵、給水泵、排水泵、通水管道等部件進行三維建模[2]。PLC來進行環(huán)境傳感器參數(shù)輸入、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制、仿真系統(tǒng)等內(nèi)容。

2"實驗臺硬件結(jié)構(gòu)分析

環(huán)控消防實驗室是利用傳感器、繼電器、觸摸屏和PLC進行聯(lián)合調(diào)試，編譯程序并下載，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，進行現(xiàn)場仿真調(diào)試的綜合性實驗室。其核心是根據(jù)消防系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)的控制設備、邏輯觸發(fā)條件進行設計，通過PLC進行電氣控制調(diào)試進行遠程數(shù)據(jù)檢測并控制設備動作，完成實驗教學中的各種實驗項目。該系統(tǒng)由學校教師自行設計開發(fā)，使教學更加靈活，貼近理論，學生分組練習，根據(jù)設計的電路圖進行連接調(diào)試，讓學生從實際調(diào)試理解設備的運行與控制機制。

實驗室分為以下模塊進行設計。

2.1給排水系統(tǒng)模塊

給排水系統(tǒng)負責建筑物給水和排水，實驗臺可模擬排廢水系統(tǒng)、排污水系統(tǒng)等；由三相異步電動機模擬排污水泵啟停，控制燈模擬排水管道中水流方向，控制開關(guān)模擬手動控制，以及程序操作等進行調(diào)試。

2.2環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)模塊

環(huán)控系統(tǒng)可控制建筑物溫濕度，相關(guān)設備有水泵、冷卻塔、制冷劑壓縮機等。可模擬環(huán)控核心原理，由三相異步電動機模擬冷凍水泵和冷卻水泵啟停，由繼電器模擬蒸發(fā)器、冷凝器等設備設計回路，以信號燈來模擬冷卻劑、冷凍水和冷卻水的流動；學生可進行系統(tǒng)控制、程序調(diào)試操作。

同時，根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能需求，設計自動控制結(jié)構(gòu)，模擬后期專業(yè)人員進行后期調(diào)試和運行維護，優(yōu)化系統(tǒng)設計根據(jù)天氣預報、預測客流、安全隱患等進行運維工作[3]。

2.3排風系統(tǒng)

排風系統(tǒng)由風機管道組成，可排除建筑物內(nèi)部不凈空氣。實驗臺可模擬排風系統(tǒng)中風機、管道；由三相異步電動機模擬隧道風機、射流風機、推力風機、排煙風機、防煙風機啟停；以信號燈來模擬管道通過的風向，以繼電器來模擬排煙防火閥、排煙閥的啟閉；通過程序來控制模擬操作；同時，實訓臺設置真實閥門，可以通過手動和程序進行控制啟閉。

2.4氣滅系統(tǒng)

氣體滅火系統(tǒng)的應用范圍廣泛，它可以滅掉水系統(tǒng)滅不了的火災，如數(shù)據(jù)中心、通信機房、檔案庫、資料庫、文物保護等多個重要領域[4]。氣體滅火系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)，其通過繼電器來模擬氣滅系統(tǒng)瓶口閥的啟閉、啟動氣瓶的啟閉、選擇閥的啟閉；通過信號來模擬氣體的流動過程；通過控制系統(tǒng)以及程序運行來模擬操作等。

2.5消火栓系統(tǒng)

消火栓系統(tǒng)是建筑物內(nèi)手持滅火設施，由管道、消防水泵等組成。由信號燈來模擬室內(nèi)消火栓栓口的啟閉，用繼電器模擬開關(guān)動作，由三相異步電動機模擬消防水泵的啟停。通過信號來模擬消防水的流動過程，通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.6自動噴水系統(tǒng)

消火栓系統(tǒng)是建筑物內(nèi)自動滅火設施，由管道、消防水泵、報警閥等組成。由信號燈來模擬室內(nèi)消火栓栓口的啟閉，用繼電器模擬報警閥。壓力開關(guān)動作，由三相異步電動機模擬消防水泵的啟停；通過信號來模擬消防水的流動過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.7"BAS系統(tǒng)

建筑自動化系統(tǒng)（Building"Automation"System，BAS）是環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)，智能調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)空氣和溫濕度。由繼電器來BAS系統(tǒng)上各個控制終端，通過信號燈模擬終端的反饋信號與控制過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.8"FAS系統(tǒng)

火災報警系統(tǒng)（Fire"Alarm"System，?FAS）是火災自動報警控制系統(tǒng)，用來監(jiān)測建筑物內(nèi)部火災情況。由繼電器來FAS系統(tǒng)上各個輸入輸出控制終端，通過傳感器、探測器檢測模擬機環(huán)境，通過手報按鈕的報警信號與控制過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作，讓學生模擬城市綜合性消防救援隊的角色去學習設計，提高學生緊急情況下處理能力[5]。

3.實驗臺仿真調(diào)試分析

在教學設計中，以實驗臺硬件結(jié)構(gòu)分析進行拆解，通過任務分析，學生進行不同系統(tǒng)的設計；根據(jù)設計進行軟件仿真、硬件調(diào)試。

3.1仿真實訓室設計調(diào)試

仿真具有不浪費耗材、不用真實啟動設施、方便學生動手設計的優(yōu)勢，使學生更深的理解系統(tǒng)運行。

仿真通過電腦的三維軟件進行設計，按以下幾個步驟進行。

第一步：由模擬搭建建筑物的構(gòu)造圖，如醫(yī)院、學校、綜合大樓等。根據(jù)不同的建筑物性質(zhì)，來設計建筑物內(nèi)部的消防需求、環(huán)控需求。

第二步：根據(jù)制定的需求添加環(huán)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，如在圖書庫添加氣體滅火系統(tǒng)；在舞臺添加雨淋系統(tǒng)；在地下一層添加消防控制室、空調(diào)機房等設施。

第三步：確定消防系統(tǒng)啟動邏輯關(guān)系、觸發(fā)機制；確定環(huán)控系統(tǒng)控制的環(huán)境參數(shù)、能耗參數(shù)等。

第四步：模擬啟動條件，觀察仿真結(jié)果，如模擬某個防火分區(qū)發(fā)生火災，那么該分區(qū)的滅火系統(tǒng)開啟，排煙系統(tǒng)排煙，防煙系統(tǒng)加壓；疏散人群開始根據(jù)設計好的程序疏散。

第五步：手持模擬滅火器，根據(jù)火災種類、面積、形態(tài)進行輔助滅火。同時，確定當前火場狀況[6]。

讓學生根據(jù)不同的情景建立模擬設計消防系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)仿真模型，搭建冷水泵、冷卻泵、壓縮機、隧道風機、消防水泵、消火栓、照明系統(tǒng)等進行系統(tǒng)設計，在軟件仿真技術(shù)中，所有的設備、設施和管路都是用相應軟件模塊模擬的，可以根據(jù)實際需要隨時修改和更新實驗項目，也可以隨時開發(fā)新的實驗項目。

以氣體滅火系統(tǒng)工作機制為例來進行教學模式探究：

第一步，兩個煙霧或者溫度探測器發(fā)現(xiàn)火災，同時報出火情。

第二步，設備判斷是否“自動”，如果設置在自動擋，則自行啟動；如果設置在手動擋，則不啟動。

第三步，如果自動控制啟動，則先啟動聲光警報器，噴氣系統(tǒng)現(xiàn)場延時30"s啟動，如果設備手動控制，則消防人員根據(jù)火情進行判斷，是否啟動滅火系統(tǒng)；

第四步，等待時間，如果時間已過，沒收到停止信號，則滅火系統(tǒng)自動啟動時，同時啟動防排煙系統(tǒng)。

學生通過以上步驟調(diào)試，基本可以掌握系統(tǒng)的設備原理、觸發(fā)機制等知識，接下來就進入實際電路調(diào)試環(huán)節(jié)。

3.2實驗臺調(diào)試分析

3.2.1連接電路

根據(jù)實驗的要求，進行圖紙分析，并找到相關(guān)設備區(qū)，實驗臺上選擇相應的實驗區(qū)域和實驗器件，并按照指導書進行連線，填寫工單。

例如：選擇火災報警系統(tǒng)相關(guān)模塊，找到探測器1、探測器2、手動報警1、手動報警2，并進行連線，不同信號線根據(jù)顏色區(qū)分，紅黑色是直流24"V電源線，綠色是信號線，藍色是總線；進行連接調(diào)試。

3.2.2調(diào)試程序

在電路連接好以后，通過萬用表測試是否短路，如果連接沒有問題，則調(diào)試PLC程序，梯形圖編寫好以后，再進行編譯，最終需要生成可以寫入PLC文件。

3.2.3觸摸屏設計

觸摸屏采用威綸通模塊，首先進行頁面設計，選擇FAS系統(tǒng)頁面，其次進行動作設計，按鈕和數(shù)據(jù)模塊選擇，PLC地址選擇，最后下載運行，測試代碼的運行結(jié)果是否正確（如圖3所示）。

3.2.4綜合調(diào)試

在硬件連線和軟件程序調(diào)試成功之后，進行綜合調(diào)試，根據(jù)觸摸屏上反饋數(shù)據(jù)進行分析，觀察結(jié)果。

4.實驗室教學應用

實驗室可以將課堂上的理論知識、消防系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)情境模式等一系列教學環(huán)節(jié)可視化，讓學生更好地學習并提高學生的動手能力。同時，仿真系統(tǒng)和實驗臺可以很好地更新硬件設備和軟件系統(tǒng)，教師可以通過企業(yè)教師、行業(yè)專家、技術(shù)領軍人物等學習溝通，進行設備升級，緊跟行業(yè)技術(shù)發(fā)展。實訓臺在實驗課程教學中的應用，將綜合能力、綜合素質(zhì)、理論知識、實踐技能作為智能化實驗室設計要素，設計多層體系結(jié)構(gòu)，按照模擬、仿真、實施和評估4個步驟實現(xiàn)多層次教學[7]。增加了實驗教學的靈活性，使實驗教學的效果得到改善和提高，提高了解決實際問題的能力實驗實訓室任務管理。同時，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)課程標準教學任務要求，安排實驗實訓室的工作任務，學校與企業(yè)、部門與專業(yè)相互配合，組織實驗教學體系的構(gòu)建和調(diào)整，實訓室在線開放，使教學質(zhì)量和科研水平不斷提高[8]。將理實一體化教學融入各個環(huán)節(jié)中，使學生的應用能力和社會適應能力得到鍛煉，培養(yǎng)學生的職業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)課程教學的最終目標。

5"結(jié)語

環(huán)控消防實驗室系統(tǒng)在教學實踐會越來越廣泛，可以提供電氣自動控制方向、樓宇控制方向、消防技術(shù)方向、環(huán)控技術(shù)方向，實驗教學以及實訓課程，提升教學質(zhì)量，而虛實結(jié)合的教學模式讓學生得到理論知識體系與實踐技能，讓學生學會行業(yè)先進技術(shù)，達到高職教育與企業(yè)準確銜接，實現(xiàn)學習資源實時更新，實現(xiàn)信息化教學與時俱進，實現(xiàn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。

參考文獻

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