余志強(qiáng)，葉 放

（1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與藝術(shù)學(xué)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(tǒng) （Building Automation System，BAS）是智能建筑的重要組成部分，是樓宇智能化技術(shù)的核心。它對建筑內(nèi)部的暖通空調(diào)、給排水、照明、變配電等設(shè)備的運(yùn)行、能源使用進(jìn)行監(jiān)控，為人們提供一個既安全、可靠、節(jié)能，又舒適的人工環(huán)境，同時大大的提高大廈管理的科學(xué)性和智能化水平。樓宇自控訓(xùn)練設(shè)備起著培養(yǎng)受訓(xùn)者專業(yè)核心技能的重要作用。目前市場上已建的樓宇自控系統(tǒng)訓(xùn)練設(shè)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(xùn)練需要、便于實踐訓(xùn)練和技能考核的模塊化樓宇自控實訓(xùn)裝置。該設(shè)備將對各校深化專業(yè)教學(xué)改革和行業(yè)人才培養(yǎng)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(chǎn)品調(diào)研分析

筆者及其開發(fā)成員調(diào)研了如下幾種典型的樓宇自控系統(tǒng)訓(xùn)練設(shè)備：

（1）華北電力大學(xué)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(nèi)容之一是中央空調(diào)試驗臺樓宇自控系統(tǒng)。其空調(diào)設(shè)備選用Carrier公司制冷機(jī)組和空調(diào)處理機(jī)組，自動控制系統(tǒng)采用Honeywell公司EXCEL5000集散式控制系統(tǒng)。中央監(jiān)控計算機(jī)的監(jiān)控軟件根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行組態(tài)，采用圖形操作界面。在空調(diào)機(jī)房設(shè)置現(xiàn)場控制器，通過控制總線將控制器與中央監(jiān)控站連接起來，并將控制信息傳遞到中央監(jiān)控站，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。

（2）廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院智能樓宇綜合實驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過開發(fā)、設(shè)計和編程可對系統(tǒng)內(nèi)所有的真實的傳感器、智能模塊及機(jī)電裝置進(jìn)行自動測控。該實驗系統(tǒng)做在一個大型實驗演示板上，每個子系統(tǒng)在上面分別占據(jù)一個方塊，在板上安裝的都是實際使用的傳感器、執(zhí)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(gòu)成，展示基本工作原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。并引進(jìn)了一套LonWorks總線開發(fā)裝置，具備開發(fā)智能節(jié)點模塊的條件。該實驗室還將在二期建設(shè)中引進(jìn)另一種主流的現(xiàn)場總線BACtalk或Profibus。

（3）浙江求是科教設(shè)備有限公司BA-KT型樓宇自動控制系統(tǒng)實驗裝置

該公司開發(fā)的裝置針對智能建筑中的中央空調(diào)系統(tǒng)，采用工業(yè)化設(shè)計，采用霍尼韋爾公司的傳感器、執(zhí)行器，再現(xiàn)了實際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的內(nèi)容，可以滿足編程、組態(tài)、開發(fā)的需要。

上述學(xué)校和廠商開發(fā)的樓宇自動化系統(tǒng)教學(xué)設(shè)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(fā)訓(xùn)練，比較適合本科教學(xué)。

（2）這些設(shè)備缺少智能建筑行業(yè)工程應(yīng)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(xiàn)有設(shè)備與高職院校的培養(yǎng)目標(biāo)定位不相符，難以適應(yīng)高職院校的職業(yè)技能訓(xùn)練需求，難以適應(yīng)當(dāng)前高職院校廣泛推廣的基于工作過程的行動導(dǎo)向教學(xué)模式。

3 設(shè)計目標(biāo)

邊做邊學(xué)、邊學(xué)邊做、學(xué)做結(jié)合是當(dāng)前職業(yè)教育、培訓(xùn)的主要方向。因此，該訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)能使學(xué)員接觸本行業(yè)的常用生產(chǎn)工具，掌握必備的行業(yè)技能。本系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)在于解決上述的共性問題，滿足基于項目化教學(xué)的需要，便于實踐訓(xùn)練和技能考核的模塊化樓宇自控實訓(xùn)裝置。該系統(tǒng)的目標(biāo)要求如下：

1）既要體現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場的特點，又要適合課堂教學(xué)，適宜展開 “學(xué)做結(jié)合”的課堂模式；

2）采用當(dāng)前實際工程中常用的器件設(shè)備，保證實訓(xùn)系統(tǒng)的通用性和先進(jìn)性；

3）能滿足 “智能樓宇管理師”職業(yè)資格證書對樓宇自控系統(tǒng)技能考核的要求。

4 設(shè)計方案

4.1 布置形式

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

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)前樓宇自控行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的是集散型的控制系統(tǒng)。它通過系統(tǒng)的中央監(jiān)控管理中心的集中管理和各現(xiàn)場控制器的分散控制實現(xiàn)對建筑物內(nèi)水、暖、電等各類設(shè)備綜合監(jiān)控與管理。管理者可以通過中央監(jiān)控管理中心上的可視化的圖形界面對所有設(shè)備進(jìn)行操作、管理、警報等，同時通過網(wǎng)絡(luò)實時地獲取各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的報告和運(yùn)行參數(shù)，可以有效的提高管理水平和工作效率。利用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和接口技術(shù)將分散在各個子系統(tǒng)中不同樓層的直接數(shù)字控制器 （Direct Digital Control，DDC）連接起來，通過聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)各個子系統(tǒng)與中央監(jiān)控管理級計算機(jī)之間及子系統(tǒng)相互之間的信息通信，達(dá)到分散控制、集中管理的功能模式，即集散控制系統(tǒng)。

該樓宇自控實訓(xùn)設(shè)備即基于集散型控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，該系統(tǒng)的組成和架構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)作為中央監(jiān)控管理計算機(jī)，裝有建筑設(shè)備監(jiān)控軟件，可根據(jù)實際情況進(jìn)行組態(tài)。實訓(xùn)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(jù)教學(xué)內(nèi)容在實訓(xùn)臺上更換，各DDC模塊以控制總線連接到中央監(jiān)控計算機(jī)，并將控制信息傳遞到中央監(jiān)控站，從而實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制。學(xué)生可在工作站 （圖1下方的一排電腦，中央監(jiān)控計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)）上練習(xí)組態(tài)、編程等技能。

學(xué)生還可把實訓(xùn)室內(nèi)的演示用的現(xiàn)場實際設(shè)備（傳感器、執(zhí)行器）連接到DDC模塊上，甚至把現(xiàn)場的DDC設(shè)備連接到工作站進(jìn)行調(diào)試練習(xí)。

作為試驗研究，本項目試制的樣機(jī)包括1臺上位機(jī) （管理計算機(jī)）、1套DDC模塊、6套受控模塊。其中上位機(jī)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(shè)計制作。

4.3 若干關(guān)鍵問題

（1）上位機(jī) （管理計算機(jī)）

硬件采用裝有Windows XP專業(yè)版操作系統(tǒng)的、當(dāng)前主流配置的PC機(jī)。軟件采用本地行業(yè)常用廠商 （如西門子、霍尼韋爾、江森、同方、海灣、中控等）的監(jiān)控軟件。根據(jù)DDC和受控設(shè)備分項目編程和組態(tài)設(shè)計，并構(gòu)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(shù)據(jù)，經(jīng)運(yùn)算處理后發(fā)出控制信號，并通過AO通道和DO通道直接控制建筑設(shè)備運(yùn)行。DDC控制器模塊采用24VDC電源，根據(jù)目前智能樓宇自動化專業(yè)的內(nèi)容配置有各種輸入輸出的模擬，構(gòu)成通用實踐模塊。對外通道功能特性要求有：

1）I/O數(shù)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(guān)量信號。

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

通過配置，可使控制器內(nèi)部各軟件功能模塊任意組合，相互作用，從而實現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算與算術(shù)運(yùn)算功能。

為便于調(diào)試練習(xí)，采用 0～10VDC、0～20mADC、0～10K電阻信號模擬AI信號，設(shè)置若干個常開點動型開關(guān)、常開自鎖型開關(guān)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(fēng)機(jī)組監(jiān)控對象為例，該受控模塊的I/O設(shè)置情況如圖3所示。實現(xiàn)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(guān)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(fēng)機(jī)組監(jiān)控模塊的監(jiān)控原理圖

5 小結(jié)

該樓宇自控系統(tǒng)的訓(xùn)練設(shè)備由上位機(jī)、DDC控制器模塊，受控設(shè)備模塊組成。能實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的控制，室內(nèi)溫度的控制，風(fēng)機(jī)、過濾網(wǎng)的報警控制，設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視，對暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的實時監(jiān)控，與消防報警及聯(lián)動系統(tǒng)配合，實現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)與防火閥自動切換等功能。該設(shè)備彌補(bǔ)了當(dāng)前市場上現(xiàn)有設(shè)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(jīng)濟(jì)價值。

[1] 荊有印，荊睿，等.中央空調(diào)試驗臺樓宇自控系統(tǒng)與控制策略[J].實驗技術(shù)與管理，2006，23（3）：60-62

[2] 萬頻，鮑鴻，谷剛.智能樓宇綜合實驗系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J].實驗技術(shù)與管理，2004，21（1）：19-22

[3] 楊婉.智能冷熱源教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計[J].成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2008，24（1）：19-23

[4] 金文，李保林等.樓宇自動化專業(yè)實驗教學(xué)系統(tǒng)[J].實驗技術(shù)與管理，2003（3）：10-14

[5] 陳西玉.樓宇自動化實驗裝置[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2006，28（2）：118-120

[6] 建設(shè)部.JGJ16-2008民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008，6