基于网络楼宇自动化实训系统的开发与应用

基于网络楼宇自动化实训系统的开发与应用

作者：胡力勤

来源：《科技视界》2015年第12期

【摘 要】针对目前楼宇自动化实训系统设备存在的问题，设计提升技术方案，增加了现场层的典型传感器、变送器、执行机构；管理层增加了iLON100路由器、软件也开发出上位机管理实训系统，解决了楼宇自动化实训系统连接到网络的问题，增加实训设备的利用率，为基于网络化楼宇自动化实训系统开发做出了尝试，满足实训教学的要求。 【关键词】楼宇自动化；实训；iLON100；LonMaker 0 引言

智能建筑是多种高新技术的结晶，是建筑技术、计算机技术、信息技术和自动控制技术相结合的产物，21世纪，智能建筑将成为建筑业发展的主流，建筑智能化技术与绿色生态建筑的结合；正在向智能小区、智能化城市发展；智能建筑市场的迅猛发展，直接拉动了对智能楼宇新职业人才的需求。智能建筑人才已被住房与城乡建设部列为紧缺性技能型人才。楼宇自动化是智能建筑专业的核心课程，也是该专业学习的重点、难点。国内知名教仪公司主产的楼宇自动化实训设备广泛应用于各大专院校。在实际使用发现存在以下问题；

（1）实训设备缺乏真实还原工程现场。楼宇自动化监控对象基本都是模拟运行过程，对监控对象底层的传感器数据采集没有真实还原展现，还停留在模拟示意图的基础上.与工程真实工作环境相差太大，达不到训练实际工作技能的效果。

（2）实训设备的DDC与中央站通过USB、232串口连接，中央站只有一台计算机，教师在上课时候只能演示，上课学生参与操作的机会非常小，实训效果比较低。

（3）考虑到成本等因素，无法做到为职业院校单独设计，设备使用基本处于长时间“展示”状态，没有起到实际教学效果。

考虑到院校楼宇自动化实训设备投入与产出，设备实际使用效率，以及自身实际教学需求出发，我们分析教仪公司生产实训设备功能拓展可能性，利用已有设备的基础上，根据自身需求充分利用与升级改造现有实训设备，开发出基于网络化的楼宇自动化实训教学系统。以满足实训教学的要求。 1 设计方案

图1 楼宇自动化实训系统结构图

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楼宇自动化系统（Building Automation System， BAS）主要对供配电子系统、给排水控制子系统、照明控制子系统、空气调节子系统、冷水机组子系统进行监测、控制和科学管理，以实现舒适、安全、高效、节能，降低设备损耗，延长使用寿命。楼宇自动化实训系统现场被控对象有给排水系统、空调系统、照明、供配电系统、电梯系统，本项目只把前3项作为主流的被控对象。图1构建起利用路由器iLON100路由器连接到网络的楼宇自动化实训系统。楼宇自动化实训系统分为2层现场层和管理层。现场层包括了传感器、执行机构、DDC。管理层包括了i.Lon 100路由器、网络交换机、教师机、学生机、服务器。 1.1 现场层

在现场层我们设计增加四种类型接口的传感器、执行机构。传感器是运用一定的转换手段，将非电量（温度、压力等）转换为适于传输和测量的器件。适于传输和测量值：0～10V，0～20mA等电参量，与DDC连接有四种典型类型。

模拟量输入（AI）：温度、压力、液位等物理量通过相应的测量传感器转变为标准的电信号，如：0～10V、4～20mA等。这些标准的电信号进入DDC的模拟量输入接口，经过内部的A/D转换器变成数字量，再由DDC计算机进行分析处理。

数字量输入（DI）：DDC计算机可以直接判断DI通道上的开关信号，并将其转化成数字信号（通为“1”、断为0”），这些数字量经过DDC进行逻辑运算和处理。

模拟量输出（AO）：当外部需要模拟量输出时，系统经过D/A转换器转换后变成标准电信号。如：0～10V、0～20mA等。电动执行器是通过DDC输出模拟量电信号直接控制，一般用来控制电动风阀或水阀。

数字量输出（DO）：当外部需要数字量输出时，系统直接提供开关信号来驱动外部设备。这些数字量开关信号可以是继电器的触点、晶闸管等。它们被用来控制接触器、变频器、电磁阀、照明灯等。

变送器：运用一定的转换手段，将电量（电压、电流等）转换为适于传输和测量的器件。设计增加电压、电流变送器。

以上传感器的接入和输出完全满足0～10V、4～20mA

DDC设计沿用原有实训设备上DDC，空调、给排水沿用BA1108，照明沿用HW5201，它们的技术特点是选用LonWorks总线技术。 图2 LonTalk/IP通道 1.2 管理层

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现场层采集的信息以网络变量的形式传递给管理层上位机实训管理系统。在管理层我们通过路由器将双绞线传输的Lontalk协议也能在以太网传输。图2就是建立LonTalk/IP通道的原理图。i.Lon 100路由器是Echelon公司推出的将控制网络和信息网络集成的产品，它不仅可以作为远程网络接口，充当IP网络和LonWorks网络之间路由的角色，还可以作为一个Web服务器工作于控制现场，采集现场数据，修改控制系统中的参数[1]。通过i.LON 100 Internet服务器的一个10BaseT接口，它可以将基于LONWORKSR的日常设备连结到因特网

（Internet）、局域网（LAN）或者广域网（WAN）。可以实施管理层教师机和学生机在同一个网络中楼宇自动化实训系统进行数据交换，采集控制命令的传递。将i.Lon 100路由器和DDC、交换机、教师机线路连接好，通电测试好，我们在教师机、学生机上安装LonMaker、LNS DDE Server、力控组态软件，开发基于DDE协议的上位机楼宇自动化实训教学管理系统。

2 软件开发

楼宇自动化实训的重点与难点在于软件与硬件的统一实训设备下操作。通过上位机组态软件的开发，能够构建起与网络通信进行数据交换的实训组态操作平台。 2.1 LonMaker组网

采用网络变量把LonWorks底层控制网与上层Internet网连接起来，实现实训对象采集数据的实时传送。其过程是在LonMaker窗口中创建一个i.LON 100服务器模块和三个DDC节点模块，三个DDC节点模块分别是空调、给排水、照明。i.LON 100服务器作为中问桥梁，实现具体步骤就见图3。 2.2 DDE使用

作为基于Windows消息机制的DDE（Dynamic Data Exchange）是连接现场总线与控制网络、监控软件与现场信号的桥梁，它允许在两个Windows应用程序之间通过相互传递DDE消息进行会话，从而完成数据的请求、应答和传输。网络连接后须实现上位机与下层节点之间的通信， 我们采用动态数据交换 DDE 技术来实现。上位机监控系统采用力控组态软件，它也提供了DDE接口。只要配置好 DDE 的主题和项目，就能建立LonWorks控制网络与上位机的数据通信。LNS DDE 服务器主要作用是在现场层设备与组态监控系统之间交换网络变量。为了使DDE 请求准确地传递到特定的DDE服务器， 必须编址方案。DDE包括应用、主题、项目三个部分，应用是直接连接服务器的名字； 主题是接收和发送消息的类型； 项目用来标志客户发送和接收的特定信息。 图3 LonMaker组网 2.3 LNS DDE 服务器

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是基于LNS操作系统的网络服务工具，支持微软DDE协议，它的主要功能实现LonWorks网络与和上位机Windows客户应用程序之间数据的交换。LNS DDE 服务器操作无需编程，任何一个Windows应用都可作为一个DDE客户机，通过LNS DDE 服务器，可以实现监控成网的所有的LonWorks节点设备，观察LonWorks网络中设备状态，改变应用消息、配置属性和网络变量。有了LNS DDE Server，允许各种可以与DDE兼容的Windows应用程序去监控一个或多个LonWorks网络[2] 。LNS DDE 服务器应用在数据记录和趋势应用程序和人机界面应用程序。 2.4 主要界面的开发

Forcecontrol6.1系统组态软件是以计算机为基本工具，为实施数据采集、过程监控、生产控制提供的基础平台，软件主要由工程管理器、开发系统、界面运行系统、实时数据库、I/O驱动程序等组成。

工程管理器（Project Manager）：工程管理器用于工程管理包括用于创建、删除、备份、恢复、选择工程等。

开发系统（Draw）：开发系统是一个集成环境，可以完成创建工程画面、配置各种系统参数、脚本、动画、启动力控其它程序组件等功能。

界面运行系统（View）：界面运行系统用来运行由开发系统Draw创建的画面，脚本、动画连接等工程，操作人员通过它来实现实时监控。

实时数据库（DB）：实时数据库是力控软件系统的数据处理核心，构建分布式应用系统的基础，它负责实时数据处理、历史数据存储、统计数据处理、报警处理、数据服务请求处理等。

I/O驱动程序（I/O Server）：I/O驱动程序负责力控与控制设备的通信，它将I/O设备寄存器中的数据读出后，传送到力控的实时数据库，最后界面运行系统会在画面上动态显示。 通过组态、建点、 画面组态等步骤开发出空调图4、给排水图5、照明系统图6界面。 3 总结

楼宇自动化系统是一个跨学科的应用技术，其实训系统应满足的要求是：（1）全面展示楼宇自动化系统的典型结构和主要设备，能逼真实现楼宇自动化系统的主要功能，完成楼宇自动化系统的原理性实验教学与技能型操作训练；（2）该实训系统应该能做到让数十位学生同时做实验；（3）通过与设备提供方的进一步合作，为今后的教师科研提供一个开放的系统平台，进一步跟踪、提高楼宇自动化系统集成技术水平；（4）为楼宇自动化系统的设计和运行管理提供一个全面的实训环境。因此不仅要学生了解楼宇自动化实训装置面板的操作步骤，其主要实训内容是要求学生掌握计算机控制和信息处理的软件模块，通过编写计算机控制流程和

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软件，在数字化的层次上了解智能建筑运营和管理的方法。基于这种指导思想，本课题提出一种基于网络的楼宇自动化实训系统，利用组态软，发掘已有实训设备的潜力，促进校内实训设备的建设与功能的完善；通过开发与应用研究，积累经验，为更好地提高现有实训设备的利用途径做有益的探索。从而节约实验室设备的资金投入，更重要的是应用于开放式实验环境，可以方便学生从事创新实训项目的开发。旨在通过设立一些具有启发性、现实性的实训题目，培养学生的动手能力和创新意识。使学生形成解决问题和难题的正确意识，从而能够习惯性地多方位思考，深入分析问题的原因，系统地策划解决方案，并且有效地组织解决问题的行动，并高效地做出成果。 【参考文献】

[1]Echelon Corporation. i.Lon 100 Internet Server User’s Guide[Z]. Echelon Corporation， 2001. [2]Echelon Corporation. LNS DDE Server User’s Guide[Z]. Echelon. 2001：25-29. [责任编辑：汤静]

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