基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)環(huán)控消防實驗室設(shè)計與實現(xiàn)探究

摘"要：隨著居民生活水平提高，智能樓宇自動控制技術(shù)日益發(fā)展，人們對生產(chǎn)生活的安全性、舒適性要求越來越高，所以物聯(lián)網(wǎng)自動控制技術(shù)在環(huán)控技術(shù)和消防技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。環(huán)控技術(shù)和消防技術(shù)是一系列實踐性很強(qiáng)的課程體系。如果學(xué)生要想學(xué)好這些課程，首先要學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識，再進(jìn)行實踐環(huán)節(jié)，通過設(shè)備進(jìn)行仿真調(diào)試深入學(xué)習(xí)。所以，基于環(huán)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)的實驗室是十分必要的。

關(guān)鍵詞：環(huán)控技術(shù)""消防技術(shù)""物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)""智能實驗室""消防環(huán)控系統(tǒng)模擬控制""模塊化功能設(shè)計

Design"and"Implementation"of"Environmental"Control"and"Fire"Protection"Laboratory"Based"on"Internet"of"Things"Technology

GUAN"Yue

（Changchun"Polytechnic，"Changchun，Jilin"Province，130000"China）

Abstract：With"the"improvement"of"residents'"living"standards，"the"automatic"control"technology"of"intelligent"buildings"has"advanced"significantly，"people's"demands"for"safety"and"comfort"in"production"and"life"are"becoming"increasingly"high，"So"the"application"of"IoT"automatic"control"technology"in"environmental"control"technology"and"fire"protection"technology"is"becoming"increasingly"widespread."Environmental"control"technology"and"fire"protection"technology"constitute"a"series"ofnbsp;highly"practical"courses."If"students"want"to"learn"these"courses"well，"firstly，"it"is"necessary"to"learn"relevant"theoretical"knowledge，"further"practical"exercises"will"be"conducted，"deeply"learn"through"simulation"and"debugging"of"equipment.Therefore，"laboratories"based"on"environmental"control"systems"and"fire"protection"systems"are"essential.

Key"Words：""Environmental"control"technology;"Fire"prevention;"The"Internet"of"Things;"Intelligent"laboratory;"Simulation"control"of"fire"environmental"control"system;"Modular"functional"design

在傳統(tǒng)的高職環(huán)控設(shè)備和機(jī)電設(shè)備實驗教學(xué)中，多數(shù)高校沒有相關(guān)實驗箱、實驗臺等設(shè)備來開展實驗教學(xué)，或有一些相關(guān)高校購買成型的空調(diào)機(jī)、氣滅系統(tǒng)、消防水系統(tǒng)等設(shè)施，但這種方式也有很明顯的不足之處，成型的產(chǎn)品不利于學(xué)生理解掌握內(nèi)部結(jié)構(gòu)，很難通過實驗課理解內(nèi)部原理，熟練使用技巧。同時，廠家生產(chǎn)的某種型號實驗臺的硬件配置是固定不變、結(jié)構(gòu)單一的，很難完成足夠的實驗教學(xué)和項目實訓(xùn)，因此很難讓學(xué)生有一個從仿真到動手、從理論到實踐的完整過程。

1.實驗室功能分析

實驗室具備仿真調(diào)試環(huán)控設(shè)備和消防設(shè)備，兩類設(shè)備都需要可編程控制器（Programmable"Logic"Controller，PLC）進(jìn)行程序控制，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程自動控制受控對象，如繼電器、接觸器等電氣元件，所以設(shè)計成一套系統(tǒng)，方便調(diào)試。下面具體分析以下兩類設(shè)備的功能需求。

1.1環(huán)控設(shè)備設(shè)置分析

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)在樓宇自動化必備技術(shù)，其設(shè)計原理是調(diào)節(jié)建筑物冷熱負(fù)荷、人體舒適溫度冷熱負(fù)荷、照明強(qiáng)度及其照明產(chǎn)熱源冷熱負(fù)荷、新風(fēng)冷熱負(fù)荷[1]。其核心是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將環(huán)境傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等結(jié)合，構(gòu)成的一套智能系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有溫濕度環(huán)境控制、電力系統(tǒng)監(jiān)控、電力照明系統(tǒng)控制、空調(diào)給排水系統(tǒng)控制等功能。

環(huán)控系統(tǒng)調(diào)試步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)使用仿真軟件模擬一次空調(diào)回路，進(jìn)行環(huán)控系統(tǒng)電路仿真；（2）分析仿真結(jié)果，判斷現(xiàn)場能耗環(huán)境等參數(shù)；（3）故障模式下調(diào)試設(shè)備，根據(jù)回路分析故障并提前排查故障。

1.2消防設(shè)備設(shè)置分析

消防設(shè)備系統(tǒng)是預(yù)警火災(zāi)、消滅火災(zāi)、給人員疏散提供條件、減小火災(zāi)破壞性、保障火場中設(shè)備安全的重要設(shè)施，其原理是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將探測器檢測環(huán)境中的溫度、煙霧濃度、光照強(qiáng)度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為報警信號，經(jīng)過邏輯判斷進(jìn)行滅火作業(yè)，為人員疏散和消防員滅火救援行動提供寶貴的時間和幫助。

1.3實驗臺設(shè)計分析

環(huán)控系統(tǒng)和消防系統(tǒng)是綜合性學(xué)科，既包括物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)、電氣控制、電機(jī)運動控制、PLC、給排水系統(tǒng)等方面的知識。所以，實驗臺的建設(shè)基礎(chǔ)是由利用三維建模軟件對虛擬仿真實驗中所需的調(diào)速閥、三相異步電動機(jī)、消防水泵、給水泵、排水泵、通水管道等部件進(jìn)行三維建模[2]。PLC來進(jìn)行環(huán)境傳感器參數(shù)輸入、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)控制、仿真系統(tǒng)等內(nèi)容。

2"實驗臺硬件結(jié)構(gòu)分析

環(huán)控消防實驗室是利用傳感器、繼電器、觸摸屏和PLC進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，編譯程序并下載，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場仿真調(diào)試的綜合性實驗室。其核心是根據(jù)消防系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)的控制設(shè)備、邏輯觸發(fā)條件進(jìn)行設(shè)計，通過PLC進(jìn)行電氣控制調(diào)試進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)檢測并控制設(shè)備動作，完成實驗教學(xué)中的各種實驗項目。該系統(tǒng)由學(xué)校教師自行設(shè)計開發(fā)，使教學(xué)更加靈活，貼近理論，學(xué)生分組練習(xí)，根據(jù)設(shè)計的電路圖進(jìn)行連接調(diào)試，讓學(xué)生從實際調(diào)試?yán)斫庠O(shè)備的運行與控制機(jī)制。

實驗室分為以下模塊進(jìn)行設(shè)計。

2.1給排水系統(tǒng)模塊

給排水系統(tǒng)負(fù)責(zé)建筑物給水和排水，實驗臺可模擬排廢水系統(tǒng)、排污水系統(tǒng)等；由三相異步電動機(jī)模擬排污水泵啟停，控制燈模擬排水管道中水流方向，控制開關(guān)模擬手動控制，以及程序操作等進(jìn)行調(diào)試。

2.2環(huán)控空調(diào)系統(tǒng)模塊

環(huán)控系統(tǒng)可控制建筑物溫濕度，相關(guān)設(shè)備有水泵、冷卻塔、制冷劑壓縮機(jī)等?？赡M環(huán)控核心原理，由三相異步電動機(jī)模擬冷凍水泵和冷卻水泵啟停，由繼電器模擬蒸發(fā)器、冷凝器等設(shè)備設(shè)計回路，以信號燈來模擬冷卻劑、冷凍水和冷卻水的流動；學(xué)生可進(jìn)行系統(tǒng)控制、程序調(diào)試操作。

同時，根據(jù)環(huán)控系統(tǒng)節(jié)能需求，設(shè)計自動控制結(jié)構(gòu)，模擬后期專業(yè)人員進(jìn)行后期調(diào)試和運行維護(hù)，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)天氣預(yù)報、預(yù)測客流、安全隱患等進(jìn)行運維工作[3]。

2.3排風(fēng)系統(tǒng)

排風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)管道組成，可排除建筑物內(nèi)部不凈空氣。實驗臺可模擬排風(fēng)系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)、管道；由三相異步電動機(jī)模擬隧道風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī)、推力風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、防煙風(fēng)機(jī)啟停；以信號燈來模擬管道通過的風(fēng)向，以繼電器來模擬排煙防火閥、排煙閥的啟閉；通過程序來控制模擬操作；同時，實訓(xùn)臺設(shè)置真實閥門，可以通過手動和程序進(jìn)行控制啟閉。

2.4氣滅系統(tǒng)

氣體滅火系統(tǒng)的應(yīng)用范圍廣泛，它可以滅掉水系統(tǒng)滅不了的火災(zāi)，如數(shù)據(jù)中心、通信機(jī)房、檔案庫、資料庫、文物保護(hù)等多個重要領(lǐng)域[4]。氣體滅火系統(tǒng)是自動控制系統(tǒng)，其通過繼電器來模擬氣滅系統(tǒng)瓶口閥的啟閉、啟動氣瓶的啟閉、選擇閥的啟閉；通過信號來模擬氣體的流動過程；通過控制系統(tǒng)以及程序運行來模擬操作等。

2.5消火栓系統(tǒng)

消火栓系統(tǒng)是建筑物內(nèi)手持滅火設(shè)施，由管道、消防水泵等組成。由信號燈來模擬室內(nèi)消火栓栓口的啟閉，用繼電器模擬開關(guān)動作，由三相異步電動機(jī)模擬消防水泵的啟停。通過信號來模擬消防水的流動過程，通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.6自動噴水系統(tǒng)

消火栓系統(tǒng)是建筑物內(nèi)自動滅火設(shè)施，由管道、消防水泵、報警閥等組成。由信號燈來模擬室內(nèi)消火栓栓口的啟閉，用繼電器模擬報警閥。壓力開關(guān)動作，由三相異步電動機(jī)模擬消防水泵的啟停；通過信號來模擬消防水的流動過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.7"BAS系統(tǒng)

建筑自動化系統(tǒng)（Building"Automation"System，BAS）是環(huán)境綜合監(jiān)控系統(tǒng)，智能調(diào)節(jié)建筑物內(nèi)空氣和溫濕度。由繼電器來BAS系統(tǒng)上各個控制終端，通過信號燈模擬終端的反饋信號與控制過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作等。

2.8"FAS系統(tǒng)

火災(zāi)報警系統(tǒng)（Fire"Alarm"System，?FAS）是火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)，用來監(jiān)測建筑物內(nèi)部火災(zāi)情況。由繼電器來FAS系統(tǒng)上各個輸入輸出控制終端，通過傳感器、探測器檢測模擬機(jī)環(huán)境，通過手報按鈕的報警信號與控制過程；通過控制系統(tǒng)與程序運行來模擬操作，讓學(xué)生模擬城市綜合性消防救援隊的角色去學(xué)習(xí)設(shè)計，提高學(xué)生緊急情況下處理能力[5]。

3.實驗臺仿真調(diào)試分析

在教學(xué)設(shè)計中，以實驗臺硬件結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行拆解，通過任務(wù)分析，學(xué)生進(jìn)行不同系統(tǒng)的設(shè)計；根據(jù)設(shè)計進(jìn)行軟件仿真、硬件調(diào)試。

3.1仿真實訓(xùn)室設(shè)計調(diào)試

仿真具有不浪費耗材、不用真實啟動設(shè)施、方便學(xué)生動手設(shè)計的優(yōu)勢，使學(xué)生更深的理解系統(tǒng)運行。

仿真通過電腦的三維軟件進(jìn)行設(shè)計，按以下幾個步驟進(jìn)行。

第一步：由模擬搭建建筑物的構(gòu)造圖，如醫(yī)院、學(xué)校、綜合大樓等。根據(jù)不同的建筑物性質(zhì)，來設(shè)計建筑物內(nèi)部的消防需求、環(huán)控需求。

第二步：根據(jù)制定的需求添加環(huán)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，如在圖書庫添加氣體滅火系統(tǒng)；在舞臺添加雨淋系統(tǒng)；在地下一層添加消防控制室、空調(diào)機(jī)房等設(shè)施。

第三步：確定消防系統(tǒng)啟動邏輯關(guān)系、觸發(fā)機(jī)制；確定環(huán)控系統(tǒng)控制的環(huán)境參數(shù)、能耗參數(shù)等。

第四步：模擬啟動條件，觀察仿真結(jié)果，如模擬某個防火分區(qū)發(fā)生火災(zāi)，那么該分區(qū)的滅火系統(tǒng)開啟，排煙系統(tǒng)排煙，防煙系統(tǒng)加壓；疏散人群開始根據(jù)設(shè)計好的程序疏散。

第五步：手持模擬滅火器，根據(jù)火災(zāi)種類、面積、形態(tài)進(jìn)行輔助滅火。同時，確定當(dāng)前火場狀況[6]。

讓學(xué)生根據(jù)不同的情景建立模擬設(shè)計消防系統(tǒng)和環(huán)控系統(tǒng)仿真模型，搭建冷水泵、冷卻泵、壓縮機(jī)、隧道風(fēng)機(jī)、消防水泵、消火栓、照明系統(tǒng)等進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，在軟件仿真技術(shù)中，所有的設(shè)備、設(shè)施和管路都是用相應(yīng)軟件模塊模擬的，可以根據(jù)實際需要隨時修改和更新實驗項目，也可以隨時開發(fā)新的實驗項目。

以氣體滅火系統(tǒng)工作機(jī)制為例來進(jìn)行教學(xué)模式探究：

第一步，兩個煙霧或者溫度探測器發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，同時報出火情。

第二步，設(shè)備判斷是否“自動”，如果設(shè)置在自動擋，則自行啟動；如果設(shè)置在手動擋，則不啟動。

第三步，如果自動控制啟動，則先啟動聲光警報器，噴氣系統(tǒng)現(xiàn)場延時30"s啟動，如果設(shè)備手動控制，則消防人員根據(jù)火情進(jìn)行判斷，是否啟動滅火系統(tǒng)；

第四步，等待時間，如果時間已過，沒收到停止信號，則滅火系統(tǒng)自動啟動時，同時啟動防排煙系統(tǒng)。

學(xué)生通過以上步驟調(diào)試，基本可以掌握系統(tǒng)的設(shè)備原理、觸發(fā)機(jī)制等知識，接下來就進(jìn)入實際電路調(diào)試環(huán)節(jié)。

3.2實驗臺調(diào)試分析

3.2.1連接電路

根據(jù)實驗的要求，進(jìn)行圖紙分析，并找到相關(guān)設(shè)備區(qū)，實驗臺上選擇相應(yīng)的實驗區(qū)域和實驗器件，并按照指導(dǎo)書進(jìn)行連線，填寫工單。

例如：選擇火災(zāi)報警系統(tǒng)相關(guān)模塊，找到探測器1、探測器2、手動報警1、手動報警2，并進(jìn)行連線，不同信號線根據(jù)顏色區(qū)分，紅黑色是直流24"V電源線，綠色是信號線，藍(lán)色是總線；進(jìn)行連接調(diào)試。

3.2.2調(diào)試程序

在電路連接好以后，通過萬用表測試是否短路，如果連接沒有問題，則調(diào)試PLC程序，梯形圖編寫好以后，再進(jìn)行編譯，最終需要生成可以寫入PLC文件。

3.2.3觸摸屏設(shè)計

觸摸屏采用威綸通模塊，首先進(jìn)行頁面設(shè)計，選擇FAS系統(tǒng)頁面，其次進(jìn)行動作設(shè)計，按鈕和數(shù)據(jù)模塊選擇，PLC地址選擇，最后下載運行，測試代碼的運行結(jié)果是否正確（如圖3所示）。

3.2.4綜合調(diào)試

在硬件連線和軟件程序調(diào)試成功之后，進(jìn)行綜合調(diào)試，根據(jù)觸摸屏上反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，觀察結(jié)果。

4.實驗室教學(xué)應(yīng)用

實驗室可以將課堂上的理論知識、消防系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)情境模式等一系列教學(xué)環(huán)節(jié)可視化，讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)并提高學(xué)生的動手能力。同時，仿真系統(tǒng)和實驗臺可以很好地更新硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，教師可以通過企業(yè)教師、行業(yè)專家、技術(shù)領(lǐng)軍人物等學(xué)習(xí)溝通，進(jìn)行設(shè)備升級，緊跟行業(yè)技術(shù)發(fā)展。實訓(xùn)臺在實驗課程教學(xué)中的應(yīng)用，將綜合能力、綜合素質(zhì)、理論知識、實踐技能作為智能化實驗室設(shè)計要素，設(shè)計多層體系結(jié)構(gòu)，按照模擬、仿真、實施和評估4個步驟實現(xiàn)多層次教學(xué)[7]。增加了實驗教學(xué)的靈活性，使實驗教學(xué)的效果得到改善和提高，提高了解決實際問題的能力實驗實訓(xùn)室任務(wù)管理。同時，根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)任務(wù)要求，安排實驗實訓(xùn)室的工作任務(wù)，學(xué)校與企業(yè)、部門與專業(yè)相互配合，組織實驗教學(xué)體系的構(gòu)建和調(diào)整，實訓(xùn)室在線開放，使教學(xué)質(zhì)量和科研水平不斷提高[8]。將理實一體化教學(xué)融入各個環(huán)節(jié)中，使學(xué)生的應(yīng)用能力和社會適應(yīng)能力得到鍛煉，培養(yǎng)學(xué)生的職業(yè)素養(yǎng)，實現(xiàn)課程教學(xué)的最終目標(biāo)。

5"結(jié)語

環(huán)控消防實驗室系統(tǒng)在教學(xué)實踐會越來越廣泛，可以提供電氣自動控制方向、樓宇控制方向、消防技術(shù)方向、環(huán)控技術(shù)方向，實驗教學(xué)以及實訓(xùn)課程，提升教學(xué)質(zhì)量，而虛實結(jié)合的教學(xué)模式讓學(xué)生得到理論知識體系與實踐技能，讓學(xué)生學(xué)會行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，達(dá)到高職教育與企業(yè)準(zhǔn)確銜接，實現(xiàn)學(xué)習(xí)資源實時更新，實現(xiàn)信息化教學(xué)與時俱進(jìn)，實現(xiàn)產(chǎn)教融合，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才。

參考文獻(xiàn)

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