關鍵詞：建築智能化WEBs系統樓宇自控實訓室建設
一、樓宇自控系統實訓室的總體設計
樓宇自控系統（簡稱BAS）實訓室采用性能優越的美國霍尼韋爾（Honeywell）公司的樓宇自動化控制系統——WEBs系統。該BAS實訓室主要由實訓演示成套設備（被控設備）、學生實訓操作台和系統集成管理控制平台（教師主控台）三個部分組成。其中，被控設備部分包括智能照明系統、給排水系統、空調系統、配電系統、電梯系統等幾套被控系統。學生操作台部分由16套相互獨立的學生操作工位組成，内部包括調試計算機、DDC、路由器等設備。教師管理平台是整個實訓系統的核心部分，内部由主控計算機、WEBS控制器、網絡交換機等設備組成。
該BAS實訓室可以實現“樓宇自控系統工程技術”專業課程的實訓教學，學生可以在學生實訓工位上動手完成整個樓宇控制系統工程從系統設計、控制設備安裝與布線到軟硬件調試的全過程，學生在該課程理論學習的基礎上，完成樓宇設備自控各子系統的配置、安裝與調試以及編程運行等實訓操作。
二、系統架構設計
該BAS實訓室系統采用HoneywellWEBsAX作為樓宇控制系統日常教學和實訓的平台。總體按照1套教師管理平台和16套學生操作台進行設計，每套學生操作台可容納2名學生根據教學要求進行獨立的樓宇自控課程實訓和程序驗證。
1.網絡層架構設計
考慮到目前樓宇自控的行業發展，選擇BACnet協議作為系統網絡構建的基礎。上層控制網絡可實現基于BACnetIP或BACnetEthernet的系統集成實訓；下層現場控制器基于BACnetMS/TP組網，可進行實際現場設備的編程、調試、仿真等實訓。
教師管理平台與學生操作台通過TCP/IP構建獨立的局域網，可實現計算機網絡管理，并可通過WEBStationAX軟件進行樓宇自控系統的主/從工作站的站點管理。考慮到教學的靈活性，系統可直接利用現有設計的局域網實現基于BACnetIP或BACnetEthernet的系統集成，無需額外增加或更改系統設計與配置，為日後開展基于BACnet網絡層集成實訓提供設計基礎。
教師管理平台和每套學生操作台均配置一套獨立的WEBStationAXDemo軟件，具有WEBsAX系統全部的功能。在獨立實訓時，學生操作台可成為一套單獨的小型樓宇自控系統。此時，學生的電腦主機充當系統管理的服務器角色，根據教學安排，進行程序的調試、下載、驗證和其他訓練課程。在整體組網教學時，教師管理平台在整個系統網絡中承擔主服務器的功能，此時，學生操作台成為客戶端或從站，教師通過權限的維護與分配，可管理所有學生操作台。學生可根據教學計劃，開展系統集成和樓宇網絡管理相關的實訓。
2.教師管理平台設計
教師管理平台是整個系統的核心服務器，負責管理和維護網絡中所有的學生控制台，并與實際現場的末端演示設備連接，可進行現場設備的程序驗證、測試和演示。
教師管理平台配置一台安裝有WEBStationAXDemo軟件的服務器主機，具有WEBsAX系統全部的功能。服務器通過TCP/IP網絡與一台網絡控制器（WEB-600E）連接，用以實現樓宇控制系統的全局管理。網絡控制器向下提供兩條BACnetMS/TP總線，一條與演示系統的現場控制器（Spyder）連接，最終連接到實際演示教學的受控設備上，實現教學演示和驗證功能；另一條BACnetMS/TP總線連接每個學生操作台的現場控制器，在需要時，可通過線路切換，切斷與學生操作台的連接，改由教師管理平台接管，可實現多控制器組網等複雜的演示和教學。
3.學生操作台設計
該BAS實訓室一共配置16套相互獨立的學生操作台，每套操作台配置一台安裝有WEBStationAXDemo軟件的計算機主機，本身具備WEBsAX系統全部的功能，但考慮到教學的需要，可通過權限的設置，隻在教師授權允許的基礎上，學生操作台才可實現較高級别的管理功能，避免因誤操作而造成系統性損害。學生操作台通過BACnetIP網絡連接一台BACnet路由器，路由器向下通過BACnetMS/TP總線與一台現場DDC控制器和若幹個輸入/輸出（I/O）模塊連接。學生可通過路由器直接對DDC進行程序下載。現場控制器與一塊程序驗證闆連接，學生可在程序驗證闆上對下載的程序進行仿真和驗證測試。考慮到教學的需要和線路的複用，學生操作台的BACnet路由器與DDC之間的BACnetMS/TP總線連接可被斷開，切換到教師管理平台，由教師管理平台實現集成管理。
4.BACnet路由器設計
每個學生操作台配置一台BACnet路由器，用于連接學生計算機主機與所對應的現場DDC控制器（Spyder），實現程序下載、數據讀取與采集等功能，并确保每套學生操作台相互獨立，互不幹擾。
BACnet路由器是BACnet協議轉換設備，實現BACnetIP與BACnetMS/TP之間的協議相互轉換。由于系統采用BACnet協議結構，教師管理平台可通過配置的WEBsAX網絡控制器直接對下層的BACnet設備（Spyder）進行操作，包括：程序下載與調試、數據讀取與寫入、BACnet設備管理、通訊調諧等。在實際的教學應用中，學生操作台主要進行程序下載與測試，以及相對簡單的數據讀寫操作。因此，考慮到系統建設成本，采用BACnet路由器代理WEBsAX控制器，實現學生計算機主機與DDC之間的交互，包括程序下載與調試、數據讀取與寫入等，已足夠滿足教學需求，無需更高級的BACnet管理功能。
三、系統配置與選型
1.DDC的配置
目前主流的樓宇自控系統，在現場DDC控制器的選型設計中，多采用主控制器（DDC）+擴展模塊（I/O）的形式。這樣可以在确保控制單元相對獨立的前提下，降低DDC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）的擴展模塊。這樣可以最大程度的确保因單個DDC故障而引起大面積的系統失效。
（1）教師管理平台的DDC配置。在該樓宇自控實訓室中，教師管理平台直接接入實際的受控演示設備。以下是優化後，對實際受控演示設備重新配置的DDC和I/O模塊的數量，具體配置參見表1。
（2）學生操作台的DDC配置。在實際的教學應用中，學生的一次實訓課程隻進行單個特定程序的編程與驗證。根據上述4個系統部分的DDC模塊配置情況，隻需為學生操作台按照空調系統配置DDC和I/O模塊，就可滿足所有系統的教學需求。因此，為學生操作台配置的DDC和I/O模塊的數量清單，具體配置參見表2。
2.網絡控制器的配置
網絡控制器采用HoneywellWEB-600E，考慮到系統性能和穩定性，選用256MB内存配置。結合實際BACnetMS/TP總線數量，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，考慮到系統需接入ModbusRTU設備（如：PLC設備通過ModbusRTU協議接入到樓控系統中），因此，為WEB-600E控制器配置一個ModbusRTUMaster接口，可直接通過RS-485總線采集ModbusRTU設備數據。結合上述需求，為網絡控制器做如下配置，參見表3。
四、BAS實訓平台應用
1.創建應用程序庫
為了确保實訓教學的順利開展，提高教學效率，在系統投入初期，教師根據教學需要結合課程設計和實驗内容，對每一個教學過程中可能用到的程序提前設計一套标準的控制邏輯，以“程序庫”的形式保存在教師服務器的WEBStationAX系統中。每一個标準程序以一個獨立文件的形式存儲，可單獨調用或發送給學生供教學參考。
“程序庫”使用WEBStationAX系統自帶的SpyderLibrary進行版本維護，教師可根據需要，對“程序庫”進行導入、導出、更新等操作。“程序庫”中的每一個程序都對應一個單一控制器的應用邏輯，可随時下載到實際的現場控制器中，進行程序的仿真、演示和驗證。“程序庫”可以包括（但不局限于）以下幾類标準程序：教師在教學中需要使用到的完整的演示程序、學生在實訓時用到的實驗程序、學生考核時用到的程序試題、用來驗證學生提交的程序是否正确的輔助程序等。随着教學内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.教師實訓教學演示
教師根據課程安排，從教師服務器的程序庫（SpyderLibrary）中将教學所需的标準程序調取出來。可在課堂上對控制原理、控制流程進行講解，并結合标準程序的控制邏輯進行程序仿真。學生可以清晰地看到程序中每個功能塊的工作順序、實時仿真數據和控制邏輯，加深對教學内容的理解。
在對程序講解之後，教師可通過網絡控制器（WEB-600E）将标準程序下載到實際演示設備所對應的DDC中，DDC根據程序控制現場實際的演示設備進行工作，進一步演示和驗證程序在實際物理設備上的工作狀态，讓學生能夠更直觀和深刻地理解教學内容。
在整個教學演示過程中，學生操作台上的DDC線路被切換到教師管理平台，學生無法對自己控制台的DDC進行操作，需專心聽講，待教師講解演示完之後，将線路切換回給學生控制台，學生才可以對自己控制台的DDC進行操作。
3.學生操作實訓
在教師教學演示完成後，預留充分的時間供學生進行實際的操作實訓，此時，将學生操作台的DDC線路切換給每個學生控制台，學生在充分理解了課程内容之後，在自己的操作台上編寫課程要求的實驗程序。
學生可通過每個控制台配備的DDC對控制邏輯進行編程、仿真、調試、下載、測試。學生控制台的DDC與一塊程序驗證闆相連，學生可通過操作程序驗證闆驗證自己設計的控制邏輯是否正确。在程序驗證闆測試通過後，學生可舉手向教師報告，在教師确認後，方可進入下一步實際驗證階段。
4.程序實際驗證
學生在自己的操作台對教學實驗内容進行驗證通過後，在獲得教師認可的前提下，可通過操作台的計算機将自己實驗編寫的程序提交到教師服務器上。教師在管理服務器上，可将學生提交的程序通過網絡控制器（WEB-600E）下載到實際現場相連的演示設備所對應的DDC中，進一步實際驗證程序的準确性。
需要說明的是：由于教師服務器是通過網絡控制器對程序進行下載，且現場實際的演示設備隻有一套，因此，學生需輪流排隊，按先後順序進行程序的實際驗證。
5.學生成績考核
（1）學生考試與答題。學生在參加考核之前，随機抽取考題，并通過學生操作台在指定路徑下載試題需要的考核程序。而後根據題目要求，在規定的時間内在自己的操作台上編寫、調試、測試和驗證程序。在考試結束後，離開考場。在整個考試期間，每個學生操作台的DDC都與自己所對應的路由器連接，每個操作台都是一套完全獨立的樓控系統。
由于每個學生操作台相互獨立，因此，可以設計多套不同考題，既增加考核的靈活性和随機性，也防止學生作弊。
（2）教師閱卷與評分。考試結束後，教師将DDC的通訊線路切換到教師管理平台，可通過網絡控制器（WEB-600E）訪問到所有學生操作台的DDC（DDC内保存有學生完成的考試程序）。教師根據每個學生的試題内容，從“程序庫”中找到對應的輔助驗證程序，通過驗證程序輸出的程序結果，可判定學生答題的準确程度，并給出得分。
對于可能存在不确定性的程序，教師也可通過服務器平台，直接通過Niagara網絡訪問對應學生的主機，調看學生具體編寫的程序邏輯，做進一步研判。此外，教師也可以通過計算機網絡，将學生操作台上考試時做的項目工程備份到服務器存檔，或要求學生在答題完畢後将自己所做的項目工程打包提交到教師服務器。
五、小結
在整個實訓室系統中，考慮到了日後教學的拓展需要，可以直接利用現有的網絡架構輕松實現更高級别的教學課程。教師管理平台和學生操作台都有一套獨立的WEBStationAXDemo軟件，因此可以直接利用現有網絡進行多工作站組網、系統集成、權限控制管理、系統聯動等更多複雜的實訓演練。WEBStationAXDemo軟件具有WEBsAX的全部功能，因此也可利用這套系統開展更高層次的軟件和平台應用培訓與教學。此外，現有的網絡層結構可直接同時支持包括Niagara網絡、BACnetIP網絡、BACnetEthernet網絡等在内的多種網絡應用和實驗的需求，無需額外投入和更改系統架構，為教學拓展提供可能。
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（作者單位：江蘇聯合職業技術學院南京分院、南京高等職業技術學校）