空调工程仿真模拟教学实验平台的设计与实践

刘润东 李 娟 孙志高 倪 敏 刘婷婷

苏州科技大学环境科学与工程学院 江苏苏州 215009

1 仿真实验的意义

空调工程是一门传统型的注重于工程实践的工学学科，培养具有空调系统的设计、安装和管理能力的应用型工程技术人才。在新工科背景下，以现代建筑技术、计算机技术、通信技术和控制技术为基础的智能建筑开始逐渐进入公众视线，实际建筑中的空调系统也越来越先进，多数不再由人工或者气动控制，而是由计算机自动控制，同时还配备空调监控平台。因此本专业的教学方式必须与智能建筑的发展同步，结合虚拟仿真实验教学项目的推行，如果能够成功搭建高度仿真的空调工程的实验环境，让学生能充分、直观地了解本专业涉及的设备内部结构、运行原理和故障原因等，将有利于学生踏入社会后，在工业与民用建筑环境控制及能源应用技术领域发挥所长，推动社会发展。

虚拟仿真技术是一种用虚拟模拟真实系统的技术。虚拟系统是由计算机硬件、软件以及各种传感器构成的一个集三维视觉、听觉和触觉于一体的全方位人工环境[1,2]。这些属性非常适合于工科类的环境的模拟，而且虚拟仿真技术已经在一些高校的专业中取得了良好的教学效果[3-7]。根据上述本专业实验教学面临的问题，建立本专业的虚拟仿真实验平台变得刻不容缓，同时，江苏省教育厅在2016年就开展了省级实验教学示范中心(共享平台)和省级在线开放虚拟仿真实验教学项目的建设工作[8]。根据政策的引导和实际的需求，着手建立空调工程的仿真模拟平台将具有重大的作用及意义，有助于完善实验体系，降低教学成本，同时具备容错功能，提高综合水平。

2 仿真实验平台的设计开发

仿真模拟平台的设计应当根据空调工程专业的特点，以实际工程中高频出现的空调系统为原型[9]，把空调系统的功能、结构、原理等作为主要内容，结合实际工程中楼宇自控的相关知识，同时应当发挥仿真模拟技术的优势，在“故障模拟”及“自动控制”方向上有所体现。

本仿真模拟实验台将选用实际工程高频出现的“全空气空调系统”作为原型，工程中的全空气空调机组体积庞大，功能部件都在箱体内部，无法直观观察其运行过程，如图1所示。

图1 工程中的空调机组

2.1 系统的设计

2.1.1 硬件系统设计

硬件系统在平台搭建过程中至关重要，本仿真模拟平台的硬件系统主要分为平台的实体操作部件及网络通信部件。

(1)平台实体操作部件：平台的实体操作部件是学生手动操作接触及观看的重要部分，安全作为最基础的要求[10]，在此基础上要求尽量直观，方便学生观察，控制，模拟操控等按照上述的要求，本平台设计把实体操作部件分为两个模块：电控箱模块和展示操作模块。

电控箱模块：主要实现转换强弱电的功能，保证平台在弱电环境下运行，学生安全地使用是最为基本的。其次根据要求和功能设计对应的自动手动模式。

展示操作模块：学生观察和操作的关键区域，直观性和便利性将作为此模块设计时的重中之重。

(2)平台的网络通信部件：平台的网络通信部件是整个虚拟仿真教学实验台的“大脑”，能串联平台中各个硬件，并进行控制是最关键的。还要求能与计算机的软件或者程序进行数据交换，所以本平台将设计对应的DDC(Direct Digital Controler，直接数字控制器)控制模块。

DDC控制模块：平台控制及通信的核心区，选用合适的控制器将提高平台控制的效率，实现更多的功能，大大地提高平台的拓展性。

2.1.2 控制系统的设计

设计控制系统时，最重要的功能就是能够在平台上完成实际工程中常见的楼宇自动控制功能，能够模拟部件的运行逻辑，模拟故障报警，过载报警等常规控制，同时发挥虚拟仿真的特点，能够完成实际工程中无法尝试的故障模拟及参数调整、性能分析等实验。

2.2 硬件的选择和搭建

2.2.1 平台实体操作部件

根据硬件系统搭建的要求和设计，分别选用了不同的设备和部件来完成。

电控箱模块：设计了指示型灯，可按压式按钮以及旋转式按钮。三个指示型灯分别为：电源指示(黄色)、运行指示(绿色)、过负荷信号(红色)；两个可按压式按钮分别为：启动按钮(绿色)、停止按钮(红色)；一个旋转式钮为：手动/自动(黑色)。如图2所示。

图2 电控箱模块

展示操作模块：根据实际空调机组的原理及剖面图，绘制了图片作为此模块的背景图片，如图3所示。同时根据实际系统的控制设计要求，选用了7个液晶显示屏，3个故障模拟按钮，4个旋转式按钮，1个指示型按钮以及1个仿真小风机。

图3 原理及绘制的背景图片

2.2.2 平台的网络通信部件

DDC控制模块：如图4所示，控制器选用了Alerton公司的产品VLC-853，它是Alerton公司为中央设备系统、空调机、大型终端设备及其他控制处理设备空调系统而设计的一种多功能可编程控制器。网络通信设备选用了BACnet以太网路由器，型号为ETH-Y。

图4 DDC控制模块

2.3 控制系统的搭建

根据全空气空调系统运行控制系统的要求，结合现有的技术和条件设计了控制逻辑示意图，如图5所示。

图5 控制逻辑示意图

根据本平台的设计要求和网络通信硬件的配置，选用了BACtalk系统软件与Visual Logic图像编程软件。BACtalk系统软件是基于电脑PC端的一套设备管理与控制的系统软件，主要可通过页面的编辑和设计，实现良好的人机交互系统，内容上既可以直观显示由VLC(Visual Logic Controler，可编程的多功能控制器)控制器下的设备的数据和状态等，也可以将Visual Logic编程好的程序通过BACnet建筑智能通信协议发送给VLC控制器来操控其连接的设备，起到了人与实验平台连接的桥梁作用。工程师可以在Visual Logic上根据VLC控制器连接的各个传感器和执行器，对系统进行设计、提升、调试等操作，完成程序上的编辑和修改，通过BACtalk系统软件与VLC控制器形成联系。

2.3.1 BACtalk软件的人机交互界面设计

把根据实际空调机组的原理及剖面图而绘制的同一背景图片作为BACtalk软件的背景界面，与实际操作部分一一对应，加强了视觉直观性，教学过程更为高效，如图6所示。

图6 BACtalk软件的人机交互界面

2.3.2 Visual Logic编程

在Visual Logic编程时，先确定需要控制的点位，见表1，将点位根据属性分类并编号，通过图形编程时，将点位进行组合，编辑出符合控制系统要求的全空气空调系统程序，由于篇幅有限，展示在不同的工况下，盘管水阀的控制逻辑的转换，夏天正比例控制，冬天反比例控制，通过Visual Logic编辑程序如图7所示，控制系统的其他对应要求和功能皆可进行一一编辑和调整。

表1 点位与硬件

图7 盘管控制图形编辑程序

3 仿真实验平台的实践教学

通过多次对空调工程的虚拟仿真平台硬件与控制系统的搭建和调试，成功搭建了“全空气空调系统模拟平台”，并于2018年在苏州科技大学空气调节课程的实验教学中实践教学，课后学生对于新型的实验台设备反应热烈，并给出良好的反馈。

教学形式上，除了传统的实验操作外，仿真模拟实验台实现了多种操作可能，并将 BACtalk软件安装于学校机房电脑上，让每个学生都能直观地观察到仿真模拟实验台的数据反馈和状态，如图8所示。

图8 空气调节实验教学

教学内容上，完成了空气调节课程中理论知识的高效转化，本实验平台模拟了全空气空调机组的自动控制与设备监控，模拟空调机组运行过程中一次回风过程的送、回风与空气处理过程，使学生认识了整套系统中所用的设备和装置，掌握新风阀、回风阀和排风阀的启停、调节回风比、改变送风温湿度以及其他运行参数的自动控制过程，分析了不同工况运行时，设备阀门的参数变化及各运行部件之间的相互关系及控制策略的选择。同时，通过故障仿真模拟的操作，让学生进一步理解了全空气空调系统故障后的运行及各部件的故障形式，如图9所示。

图9 故障仿真模拟操作

4 结语

全空气空调系统仿真模拟平台的搭建，较好地解决了空调工程实验教学存在的问题，并以空气调节课程为主体，开展了虚拟仿真教学改革的实践，形成了新的实验教学模式和方法，更加符合新工科背景下的教育方针，培养出实践能力更强，集各种技术于一身的综合型空调工程专业的学生。同时，意味着空调工程专业的实验教学水平踏上了一层新的台阶，也将在此基础上继续研究，开发出更多与专业相关的仿真模拟平台。