空調(diào)工程仿真模擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

劉潤東 李 娟 孫志高 倪 敏 劉婷婷

蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇蘇州 215009

1 仿真實(shí)驗(yàn)的意義

空調(diào)工程是一門傳統(tǒng)型的注重于工程實(shí)踐的工學(xué)學(xué)科，培養(yǎng)具有空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和管理能力的應(yīng)用型工程技術(shù)人才。在新工科背景下，以現(xiàn)代建筑技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)為基礎(chǔ)的智能建筑開始逐漸進(jìn)入公眾視線，實(shí)際建筑中的空調(diào)系統(tǒng)也越來越先進(jìn)，多數(shù)不再由人工或者氣動(dòng)控制，而是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，同時(shí)還配備空調(diào)監(jiān)控平臺(tái)。因此本專業(yè)的教學(xué)方式必須與智能建筑的發(fā)展同步，結(jié)合虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的推行，如果能夠成功搭建高度仿真的空調(diào)工程的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生能充分、直觀地了解本專業(yè)涉及的設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理和故障原因等，將有利于學(xué)生踏入社會(huì)后，在工業(yè)與民用建筑環(huán)境控制及能源應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮所長，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展。

虛擬仿真技術(shù)是一種用虛擬模擬真實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)。虛擬系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及各種傳感器構(gòu)成的一個(gè)集三維視覺、聽覺和觸覺于一體的全方位人工環(huán)境[1,2]。這些屬性非常適合于工科類的環(huán)境的模擬，而且虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)在一些高校的專業(yè)中取得了良好的教學(xué)效果[3-7]。根據(jù)上述本專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的問題，建立本專業(yè)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)變得刻不容緩，同時(shí)，江蘇省教育廳在2016年就開展了省級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(共享平臺(tái))和省級(jí)在線開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作[8]。根據(jù)政策的引導(dǎo)和實(shí)際的需求，著手建立空調(diào)工程的仿真模擬平臺(tái)將具有重大的作用及意義，有助于完善實(shí)驗(yàn)體系，降低教學(xué)成本，同時(shí)具備容錯(cuò)功能，提高綜合水平。

2 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)

仿真模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)空調(diào)工程專業(yè)的特點(diǎn)，以實(shí)際工程中高頻出現(xiàn)的空調(diào)系統(tǒng)為原型[9]，把空調(diào)系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)、原理等作為主要內(nèi)容，結(jié)合實(shí)際工程中樓宇自控的相關(guān)知識(shí)，同時(shí)應(yīng)當(dāng)發(fā)揮仿真模擬技術(shù)的優(yōu)勢，在“故障模擬”及“自動(dòng)控制”方向上有所體現(xiàn)。

本仿真模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)將選用實(shí)際工程高頻出現(xiàn)的“全空氣空調(diào)系統(tǒng)”作為原型，工程中的全空氣空調(diào)機(jī)組體積龐大，功能部件都在箱體內(nèi)部，無法直觀觀察其運(yùn)行過程，如圖1所示。

圖1 工程中的空調(diào)機(jī)組

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)在平臺(tái)搭建過程中至關(guān)重要，本仿真模擬平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要分為平臺(tái)的實(shí)體操作部件及網(wǎng)絡(luò)通信部件。

(1)平臺(tái)實(shí)體操作部件：平臺(tái)的實(shí)體操作部件是學(xué)生手動(dòng)操作接觸及觀看的重要部分，安全作為最基礎(chǔ)的要求[10]，在此基礎(chǔ)上要求盡量直觀，方便學(xué)生觀察，控制，模擬操控等按照上述的要求，本平臺(tái)設(shè)計(jì)把實(shí)體操作部件分為兩個(gè)模塊：電控箱模塊和展示操作模塊。

電控箱模塊：主要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換強(qiáng)弱電的功能，保證平臺(tái)在弱電環(huán)境下運(yùn)行，學(xué)生安全地使用是最為基本的。其次根據(jù)要求和功能設(shè)計(jì)對應(yīng)的自動(dòng)手動(dòng)模式。

展示操作模塊：學(xué)生觀察和操作的關(guān)鍵區(qū)域，直觀性和便利性將作為此模塊設(shè)計(jì)時(shí)的重中之重。

(2)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信部件：平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信部件是整個(gè)虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“大腦”，能串聯(lián)平臺(tái)中各個(gè)硬件，并進(jìn)行控制是最關(guān)鍵的。還要求能與計(jì)算機(jī)的軟件或者程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以本平臺(tái)將設(shè)計(jì)對應(yīng)的DDC(Direct Digital Controler，直接數(shù)字控制器)控制模塊。

DDC控制模塊：平臺(tái)控制及通信的核心區(qū)，選用合適的控制器將提高平臺(tái)控制的效率，實(shí)現(xiàn)更多的功能，大大地提高平臺(tái)的拓展性。

2.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，最重要的功能就是能夠在平臺(tái)上完成實(shí)際工程中常見的樓宇自動(dòng)控制功能，能夠模擬部件的運(yùn)行邏輯，模擬故障報(bào)警，過載報(bào)警等常規(guī)控制，同時(shí)發(fā)揮虛擬仿真的特點(diǎn)，能夠完成實(shí)際工程中無法嘗試的故障模擬及參數(shù)調(diào)整、性能分析等實(shí)驗(yàn)。

2.2 硬件的選擇和搭建

2.2.1 平臺(tái)實(shí)體操作部件

根據(jù)硬件系統(tǒng)搭建的要求和設(shè)計(jì)，分別選用了不同的設(shè)備和部件來完成。

電控箱模塊：設(shè)計(jì)了指示型燈，可按壓式按鈕以及旋轉(zhuǎn)式按鈕。三個(gè)指示型燈分別為：電源指示(黃色)、運(yùn)行指示(綠色)、過負(fù)荷信號(hào)(紅色)；兩個(gè)可按壓式按鈕分別為：啟動(dòng)按鈕(綠色)、停止按鈕(紅色)；一個(gè)旋轉(zhuǎn)式鈕為：手動(dòng)/自動(dòng)(黑色)。如圖2所示。

圖2 電控箱模塊

展示操作模塊：根據(jù)實(shí)際空調(diào)機(jī)組的原理及剖面圖，繪制了圖片作為此模塊的背景圖片，如圖3所示。同時(shí)根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)要求，選用了7個(gè)液晶顯示屏，3個(gè)故障模擬按鈕，4個(gè)旋轉(zhuǎn)式按鈕，1個(gè)指示型按鈕以及1個(gè)仿真小風(fēng)機(jī)。

圖3 原理及繪制的背景圖片

2.2.2 平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)通信部件

DDC控制模塊：如圖4所示，控制器選用了Alerton公司的產(chǎn)品VLC-853，它是Alerton公司為中央設(shè)備系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)、大型終端設(shè)備及其他控制處理設(shè)備空調(diào)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一種多功能可編程控制器。網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備選用了BACnet以太網(wǎng)路由器，型號(hào)為ETH-Y。

圖4 DDC控制模塊

2.3 控制系統(tǒng)的搭建

根據(jù)全空氣空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行控制系統(tǒng)的要求，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)和條件設(shè)計(jì)了控制邏輯示意圖，如圖5所示。

圖5 控制邏輯示意圖

根據(jù)本平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求和網(wǎng)絡(luò)通信硬件的配置，選用了BACtalk系統(tǒng)軟件與Visual Logic圖像編程軟件。BACtalk系統(tǒng)軟件是基于電腦PC端的一套設(shè)備管理與控制的系統(tǒng)軟件，主要可通過頁面的編輯和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互系統(tǒng)，內(nèi)容上既可以直觀顯示由VLC(Visual Logic Controler，可編程的多功能控制器)控制器下的設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)等，也可以將Visual Logic編程好的程序通過BACnet建筑智能通信協(xié)議發(fā)送給VLC控制器來操控其連接的設(shè)備，起到了人與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接的橋梁作用。工程師可以在Visual Logic上根據(jù)VLC控制器連接的各個(gè)傳感器和執(zhí)行器，對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、提升、調(diào)試等操作，完成程序上的編輯和修改，通過BACtalk系統(tǒng)軟件與VLC控制器形成聯(lián)系。

2.3.1 BACtalk軟件的人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

把根據(jù)實(shí)際空調(diào)機(jī)組的原理及剖面圖而繪制的同一背景圖片作為BACtalk軟件的背景界面，與實(shí)際操作部分一一對應(yīng)，加強(qiáng)了視覺直觀性，教學(xué)過程更為高效，如圖6所示。

圖6 BACtalk軟件的人機(jī)交互界面

2.3.2 Visual Logic編程

在Visual Logic編程時(shí)，先確定需要控制的點(diǎn)位，見表1，將點(diǎn)位根據(jù)屬性分類并編號(hào)，通過圖形編程時(shí)，將點(diǎn)位進(jìn)行組合，編輯出符合控制系統(tǒng)要求的全空氣空調(diào)系統(tǒng)程序，由于篇幅有限，展示在不同的工況下，盤管水閥的控制邏輯的轉(zhuǎn)換，夏天正比例控制，冬天反比例控制，通過Visual Logic編輯程序如圖7所示，控制系統(tǒng)的其他對應(yīng)要求和功能皆可進(jìn)行一一編輯和調(diào)整。

表1 點(diǎn)位與硬件

圖7 盤管控制圖形編輯程序

3 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)踐教學(xué)

通過多次對空調(diào)工程的虛擬仿真平臺(tái)硬件與控制系統(tǒng)的搭建和調(diào)試，成功搭建了“全空氣空調(diào)系統(tǒng)模擬平臺(tái)”，并于2018年在蘇州科技大學(xué)空氣調(diào)節(jié)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)踐教學(xué)，課后學(xué)生對于新型的實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)備反應(yīng)熱烈，并給出良好的反饋。

教學(xué)形式上，除了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作外，仿真模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種操作可能，并將 BACtalk軟件安裝于學(xué)校機(jī)房電腦上，讓每個(gè)學(xué)生都能直觀地觀察到仿真模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)的數(shù)據(jù)反饋和狀態(tài)，如圖8所示。

圖8 空氣調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

教學(xué)內(nèi)容上，完成了空氣調(diào)節(jié)課程中理論知識(shí)的高效轉(zhuǎn)化，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模擬了全空氣空調(diào)機(jī)組的自動(dòng)控制與設(shè)備監(jiān)控，模擬空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過程中一次回風(fēng)過程的送、回風(fēng)與空氣處理過程，使學(xué)生認(rèn)識(shí)了整套系統(tǒng)中所用的設(shè)備和裝置，掌握新風(fēng)閥、回風(fēng)閥和排風(fēng)閥的啟停、調(diào)節(jié)回風(fēng)比、改變送風(fēng)溫濕度以及其他運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)控制過程，分析了不同工況運(yùn)行時(shí)，設(shè)備閥門的參數(shù)變化及各運(yùn)行部件之間的相互關(guān)系及控制策略的選擇。同時(shí)，通過故障仿真模擬的操作，讓學(xué)生進(jìn)一步理解了全空氣空調(diào)系統(tǒng)故障后的運(yùn)行及各部件的故障形式，如圖9所示。

圖9 故障仿真模擬操作

4 結(jié)語

全空氣空調(diào)系統(tǒng)仿真模擬平臺(tái)的搭建，較好地解決了空調(diào)工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題，并以空氣調(diào)節(jié)課程為主體，開展了虛擬仿真教學(xué)改革的實(shí)踐，形成了新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和方法，更加符合新工科背景下的教育方針，培養(yǎng)出實(shí)踐能力更強(qiáng)，集各種技術(shù)于一身的綜合型空調(diào)工程專業(yè)的學(xué)生。同時(shí)，意味著空調(diào)工程專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平踏上了一層新的臺(tái)階，也將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)研究，開發(fā)出更多與專業(yè)相關(guān)的仿真模擬平臺(tái)。