楼宇自控系统模块化训练设备的设计

余志强，叶 放

（1.浙江工商职业技术学院建筑与艺术学院，宁波 315012）2.宁波市科信工程咨询管理有限公司，宁波 315103）

1 引 言

楼宇自控系统 （Building Automation System，BAS）是智能建筑的重要组成部分，是楼宇智能化技术的核心。它对建筑内部的暖通空调、给排水、照明、变配电等设备的运行、能源使用进行监控，为人们提供一个既安全、可靠、节能，又舒适的人工环境，同时大大的提高大厦管理的科学性和智能化水平。楼宇自控训练设备起着培养受训者专业核心技能的重要作用。目前市场上已建的楼宇自控系统训练设备普遍存在着一些共性问题。因此，有必要研制一套能满足项目化技能训练需要、便于实践训练和技能考核的模块化楼宇自控实训装置。该设备将对各校深化专业教学改革和行业人才培养具有重要的意义，同时也具有很好的市场推广价值。

2 同类产品调研分析

笔者及其开发成员调研了如下几种典型的楼宇自控系统训练设备：

（1）华北电力大学智能建筑实验室

该实验室是教育部重点实验室资助项目，其内容之一是中央空调试验台楼宇自控系统。其空调设备选用Carrier公司制冷机组和空调处理机组，自动控制系统采用Honeywell公司EXCEL5000集散式控制系统。中央监控计算机的监控软件根据现场实际情况进行组态，采用图形操作界面。在空调机房设置现场控制器，通过控制总线将控制器与中央监控站连接起来，并将控制信息传递到中央监控站，从而实现联网控制。

（2）广东工业大学自动化学院智能楼宇综合实验系统

该系统通过开发、设计和编程可对系统内所有的真实的传感器、智能模块及机电装置进行自动测控。该实验系统做在一个大型实验演示板上，每个子系统在上面分别占据一个方块，在板上安装的都是实际使用的传感器、执行器、测试模块、控制模块以及受测控的器件。板面的正面由彩色框图和实物模块构成，展示基本工作原理及系统结构。并引进了一套LonWorks总线开发装置，具备开发智能节点模块的条件。该实验室还将在二期建设中引进另一种主流的现场总线BACtalk或Profibus。

（3）浙江求是科教设备有限公司BA-KT型楼宇自动控制系统实验装置

该公司开发的装置针对智能建筑中的中央空调系统，采用工业化设计，采用霍尼韦尔公司的传感器、执行器，再现了实际系统各环节的内容，可以满足编程、组态、开发的需要。

上述学校和厂商开发的楼宇自动化系统教学设备具有如下两方面的共性问题：

（1）具有较好的演示功能，并适于编程开发训练，比较适合本科教学。

（2）这些设备缺少智能建筑行业工程应用方面的考虑，可操作性差，难以满足动手实践的需求。

因此，现有设备与高职院校的培养目标定位不相符，难以适应高职院校的职业技能训练需求，难以适应当前高职院校广泛推广的基于工作过程的行动导向教学模式。

3 设计目标

边做边学、边学边做、学做结合是当前职业教育、培训的主要方向。因此，该训练系统应能使学员接触本行业的常用生产工具，掌握必备的行业技能。本系统的设计目标在于解决上述的共性问题，满足基于项目化教学的需要，便于实践训练和技能考核的模块化楼宇自控实训装置。该系统的目标要求如下：

1）既要体现生产现场的特点，又要适合课堂教学，适宜展开 “学做结合”的课堂模式；

2）采用当前实际工程中常用的器件设备，保证实训系统的通用性和先进性；

3）能满足 “智能楼宇管理师”职业资格证书对楼宇自控系统技能考核的要求。

4 设计方案

4.1 布置形式

楼宇自控实训设备是楼宇智能化专业综合实训项目的重要组成部分。图1是本项目组成员设计的一种布置形式。虚线框四周布置的是成套的暖通空调、给排水、供配电等建筑设备及对其实施监控的楼宇自动化设备，主要用于成套楼宇自控系统的演示和整体的操作管理训练。虚线框部分即为本项目所要研制对象，用于训练楼宇自控系统主要器件的安装调试技能。

4.2 系统架构

当前楼宇自控行业中应用最为广泛的是集散型的控制系统。它通过系统的中央监控管理中心的集中管理和各现场控制器的分散控制实现对建筑物内水、暖、电等各类设备综合监控与管理。管理者可以通过中央监控管理中心上的可视化的图形界面对所有设备进行操作、管理、警报等，同时通过网络实时地获取各种设备运行状态的报告和运行参数，可以有效的提高管理水平和工作效率。利用计算机网络和接口技术将分散在各个子系统中不同楼层的直接数字控制器 （Direct Digital Control，DDC）连接起来，通过联网实现各个子系统与中央监控管理级计算机之间及子系统相互之间的信息通信，达到分散控制、集中管理的功能模式，即集散控制系统。

该楼宇自控实训设备即基于集散型控制系统进行开发，该系统的组成和架构如图2所示。上位机作为中央监控管理计算机，装有建筑设备监控软件，可根据实际情况进行组态。实训台上每个工位配一台DDC控制器模块和六个受控模块，可以容纳2人。受控模块可根据教学内容在实训台上更换，各DDC模块以控制总线连接到中央监控计算机，并将控制信息传递到中央监控站，从而实现联网控制。学生可在工作站 （图1下方的一排电脑，中央监控计算机联网）上练习组态、编程等技能。

学生还可把实训室内的演示用的现场实际设备（传感器、执行器）连接到DDC模块上，甚至把现场的DDC设备连接到工作站进行调试练习。

作为试验研究，本项目试制的样机包括1台上位机 （管理计算机）、1套DDC模块、6套受控模块。其中上位机主要采用厂商的楼宇自控软件，DDC控制器模块和受控模块则需要项目组成员设计制作。

4.3 若干关键问题

（1）上位机 （管理计算机）

硬件采用装有Windows XP专业版操作系统的、当前主流配置的PC机。软件采用本地行业常用厂商 （如西门子、霍尼韦尔、江森、同方、海湾、中控等）的监控软件。根据DDC和受控设备分项目编程和组态设计，并构建良好的图形操作界面。

（2）DDC控制器模块

DDC通过AI通道和DI通道采集实时数据，经运算处理后发出控制信号，并通过AO通道和DO通道直接控制建筑设备运行。DDC控制器模块采用24VDC电源，根据目前智能楼宇自动化专业的内容配置有各种输入输出的模拟，构成通用实践模块。对外通道功能特性要求有：

1）I/O数量：8个UI，8个DO，8个UO，8个AO。

2）输入信号类型：AI 0～10VDC、0～20mADC、0～10K模拟量信号，12位A/D；DI无源开关量信号。

3）输出信号类型：DO，具手/自动转换开关，可选常开或常闭；AO 0～10VDC，具手/自动输出转换开关，10位D/A；UO可作DO/AO输出用，具手/自动输出转换开关。

通过配置，可使控制器内部各软件功能模块任意组合，相互作用，从而实现各种逻辑运算与算术运算功能。

为便于调试练习，采用 0～10VDC、0～20mADC、0～10K电阻信号模拟AI信号，设置若干个常开点动型开关、常开自锁型开关模拟DI信号，采用 0～10VDC电压表查看AO信号，采用24VDC指示灯查看DO信号。

（3）受控模块

受控模块的工作电源为24VDC，与DDC控制模块连接。本项目拟定6种类型的受控对象。以新风机组监控对象为例，该受控模块的I/O设置情况如图3所示。实现的方法为以0～10VDC电压信号、0～10K电阻信号模拟AI信号，以常开自锁型开关信号模拟DI信号，以0～10VDC电压表查看AO信号，以24VDC指示灯查看DO信号。

图3 新风机组监控模块的监控原理图

5 小结

该楼宇自控系统的训练设备由上位机、DDC控制器模块，受控设备模块组成。能实现机电设备的控制，室内温度的控制，风机、过滤网的报警控制，设备运行监视，对暖通空调系统运行的实时监控，与消防报警及联动系统配合，实现暖通空调系统与防火阀自动切换等功能。该设备弥补了当前市场上现有设备的诸多缺陷 （可操作性差、不能满足深入动手实践的需求等），具有较好的市场需求和经济价值。

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