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張龍（1974-），
男，安徽金寨人，1996年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動控制專業(yè)，研究方向?yàn)楝F(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)。
摘要：文章主要介紹了IEC61158國際標(biāo)準(zhǔn)之一的INTERBUS現(xiàn)場總線，以及基于INTERBUS總線的自動化控制系統(tǒng)在工業(yè)廠房樓宇自控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：INTERBUS；PCWORX；樓宇自控系統(tǒng)；PID
Abstract: This article chiefly introduces one kind of IEC61158 standard fieldbus system—INTERBUS, and the feature and the advantage of its application in Building Automation System.
Keywords: INTERBUS；PCWORX；Building Automation System；PID
1 引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，建筑物的智能化正在成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。樓宇自控系統(tǒng)(BAS，Building Automation System)是智能建筑的基礎(chǔ)，它是將建筑物（或建筑群）內(nèi)的電力、照明、空調(diào)、運(yùn)輸、防災(zāi)、保安、廣播等機(jī)電設(shè)備以集中監(jiān)視、控制和管理為目的而構(gòu)成的一個(gè)綜合系統(tǒng)。它的目的是使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活環(huán)境和工作環(huán)境，并保證系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和智能化。因此樓宇自動化系統(tǒng)在智能建筑中的作用至關(guān)重要。
樓宇自控系統(tǒng)包括了大量的自控元件和機(jī)電設(shè)備，設(shè)備分散且相互關(guān)聯(lián)，測控點(diǎn)多，因此采用何種控制技術(shù)和手段，是實(shí)現(xiàn)樓宇自動化的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)，存在著系統(tǒng)集成度低，可靠性、開放性和互操作性較差等不足，而現(xiàn)場總線的出現(xiàn)可以很好地解決這些問題。本文介紹了目前應(yīng)用非常廣泛的一種現(xiàn)場總線－INTERBUS，并結(jié)合其在某工業(yè)廠房樓宇自控系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討了基于INTERBUS總線的樓宇自控系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢。
2 INTERBUS總線簡介
INTERBUS是德國菲尼克斯電氣集團(tuán)提供的工業(yè)現(xiàn)場總線，于1987年正式推出，它是最早的工業(yè)控制總線之一。INTERBUS的國際組織為INTERBUS CLUB，現(xiàn)有超過1000個(gè)生產(chǎn)廠家，提供將近2500多種INTERBUS設(shè)備。INTERBUS于1992年成為德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19258，1998年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50254，2000年成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158。
INTERBUS廣泛地應(yīng)用于汽車行業(yè)、煙草行業(yè)、冶金行業(yè)、造紙行業(yè)、樓宇自動化、食品行業(yè)、水處理、物流倉儲技術(shù)等等。截止到2005年底，INTERBUS總線在全球已有超過800萬安裝節(jié)點(diǎn)和73萬個(gè)應(yīng)用，是應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。
INTERBUS總線為全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式。數(shù)據(jù)傳輸方式為面向過程數(shù)據(jù)的傳輸方法——獨(dú)特的集總幀協(xié)議。在面向過程數(shù)據(jù)的傳輸方法中，所有變送器和執(zhí)行器的信號都被放在一個(gè)通信幀內(nèi)，這個(gè)通信幀稱為集總幀。在這種情況下，整個(gè)包括所有設(shè)備的系統(tǒng)只有一個(gè)協(xié)議，所以也只需要一個(gè)幀信息（控制信息）。幀信息包括一個(gè)啟動信息（LOOPBACK環(huán)回字），數(shù)據(jù)安全/結(jié)束信息。在集總幀中，如果系統(tǒng)帶的設(shè)備越多，傳輸效率就越高。因此有效信息與控制信息的比例越高。INTERBUS的傳輸速率為固定的500K或者2M。
圖 1
INTERBUS采用ISO/OSI參考模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。INTERBUS總線可分為遠(yuǎn)程總線和本地總線。遠(yuǎn)程總線用于遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)通信，采用RS-485傳輸，網(wǎng)絡(luò)本身不供電。本地總線通過總線終端模塊連接到遠(yuǎn)程總線上。在INTERBUS現(xiàn)場總線中，可以采用多種傳輸介質(zhì)，包括雙絞線、光纜、紅外線以及無線等等，它們可以自由混合使用。當(dāng)采用雙絞線時(shí)，遠(yuǎn)程總線設(shè)備間的距離可達(dá)400m，整個(gè)總線的總距離可達(dá)12.8km。
INTERBUS為主從結(jié)構(gòu)，單個(gè)系統(tǒng)中遠(yuǎn)程總線子站的數(shù)量可達(dá)255個(gè)，如果加上本地總線設(shè)備，可達(dá)512個(gè)設(shè)備。每個(gè)主站可連接8192個(gè)輸入信號和8192個(gè)輸出信號。系統(tǒng)通常采用樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可靈活地根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行布線。在INTERBUS G4總線系統(tǒng)中，可以構(gòu)建一個(gè)多達(dá)16層的樹形結(jié)構(gòu)。
由于采用了集總幀協(xié)議，INTERBUS具有結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性高、總線周期時(shí)間固定、傳輸效率高等特點(diǎn)。INTERBUS總線不需終端電阻,現(xiàn)場I/O模塊及設(shè)備不需作專門的地址設(shè)置。另外，INTERBUS總線具有非常強(qiáng)大的診斷功能。在總線出故障時(shí)，INTERBUS可以精確地找出故障的位置、故障類型和故障代碼，通過“INTERBUS故障診斷手冊”或?qū)Ｓ迷\斷工具Diag+軟件可以查看故障代碼的含義、潛在原因和解決方法，從而使得現(xiàn)場工程師可以非常快速地排除故障，使系統(tǒng)停機(jī)的時(shí)間減到最小。
3 工業(yè)廠房樓宇自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
在國內(nèi)某知名跨國企業(yè)的大型廠房樓宇自動化系統(tǒng)中，包括了生產(chǎn)車間、裝配車間、辦公樓、庫房、餐廳、CLUB中心等建筑，自控系統(tǒng)覆蓋區(qū)域達(dá)8萬平米。該控制系統(tǒng)以空調(diào)系統(tǒng)控制為主，控制部分包含空調(diào)機(jī)組、冷水系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、配電監(jiān)控等。各個(gè)控制部分距離上跨度比較大，I/O節(jié)點(diǎn)多達(dá)3000多個(gè)。
經(jīng)過對多種自控方案的對比，最終確定采用了INTERBUS總線控制方案。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2：
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
PLC控制器采用帶以太網(wǎng)接口和INTERBUS總線接口的遠(yuǎn)程現(xiàn)場控制器 (Remote Field Controller, RFC)。按照區(qū)域劃分，共采用了6臺RFC430控制器。RFC控制器之間直接通過以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
RFC430控制器采用INTEL 486DX處理器，可安裝在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上，運(yùn)行速度快，功能強(qiáng)大。RFC控制器自身集成了液晶顯示屏，可以直觀清晰地顯示控制器本身和INTERBUS總線的運(yùn)行狀態(tài)。通過面板上的鍵盤可以查看總線的運(yùn)行記錄和診斷信息。通過INTERBUS總線出向接口，可以向下連接INTERBUS從站。通過以太網(wǎng)，可以非常方便地連接到公司的局域網(wǎng)中，既可以進(jìn)行程序下載、在線調(diào)試、監(jiān)控和診斷，也可通過OPC與運(yùn)行在中央控制室的組態(tài)監(jiān)控軟件交換數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場從站模塊采用菲尼克斯電氣的INLINE產(chǎn)品。INLINE系列產(chǎn)品包括數(shù)字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、熱電阻/熱電偶、編碼器、計(jì)數(shù)器、電機(jī)啟動器等多種模塊。INLINE模塊采用彈簧接線方式，具有體積小、接線方便、配置靈活、擴(kuò)展簡單等優(yōu)點(diǎn)，大大節(jié)省了空間，具有很高的性價(jià)比。每個(gè)INLINE子站可帶63個(gè)輸入/輸出模塊。
控制軟件采用基于IEC61131-3和IEC61131-5編程標(biāo)準(zhǔn)的PCWORX軟件。PCWORX集成了IEC61131編程、現(xiàn)場總線組態(tài)和系統(tǒng)診斷功能。支持多種IEC61131語言，包括指令表（IL）、功能塊圖（FBD）、梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、結(jié)構(gòu)化文本（ST）以及可選用的機(jī)器順序功能圖（MSFC）等。IEC61131的基本語言IL、FBD和LD可直接而自由地進(jìn)行交叉編譯。同時(shí)，交叉參考表為編程人員顯示了在應(yīng)用程序中所用到的變量和功能塊的情況。
上位監(jiān)控軟件則選用Genesis-32軟件。該軟件包含圖形界面GraphWorX32、趨勢圖TrendWorX32、報(bào)警界面AlarmWorX32等功能，并集成VBA接口。Genesis-32與RFC控制器之間通過INTERBUS OPC Server進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。
4 INTERBUS總線在工業(yè)廠房樓宇自控中應(yīng)用的特點(diǎn)
由INTERBUS總線組成的樓宇自動化系統(tǒng)除了具備現(xiàn)有的樓宇自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)外，此系統(tǒng)還有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
4.1 編程軟件的先進(jìn)性和多功能
本系統(tǒng)的程序開發(fā)是在德國菲尼克斯電氣公司PC WorX 3.03下進(jìn)行的，該編譯器功能非常強(qiáng)大，能對語句、功能塊、梯形圖混合編譯，并支持在線調(diào)試、交叉參考和仿真。
上位機(jī)組態(tài)軟件選用Genesis-32，這款軟件不但非常容易進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，而且開放的VBA接口環(huán)境有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)，筆者就利用VBA開發(fā)了短信報(bào)警模塊和整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間計(jì)劃。這種組合有著非常好的靈活性，對軟件工程師來說很方便。
4.2 基于串級控制的控制系統(tǒng)
整個(gè)樓宇自動化系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)為控制部分的重點(diǎn)，為提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性能使用了很多串級控制的控制系統(tǒng)。
以下是廠房樓宇自動化系統(tǒng)的1#空調(diào)機(jī)組運(yùn)行畫面。
圖3 空調(diào)機(jī)組運(yùn)行畫面
筆者選用了變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)相比，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，控制靈活而且空調(diào)品質(zhì)高。但是系統(tǒng)一次投資有所提高，控制相對復(fù)雜，管理水平要求較高。
對于像廠房空間比較大，而且溫度控制精度要求較高的空調(diào)系統(tǒng)，結(jié)合過程控制理論，提出基于串級控制的VAV末端控制方案。控制過程如下：
圖4 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行畫面
以房間各點(diǎn)的平均溫度作為主控制參數(shù)，送風(fēng)溫度作為副
圖5 空調(diào)末端控制過程
控制參數(shù)構(gòu)成串級回路。主副調(diào)節(jié)器都是PID調(diào)節(jié)器。
y1 ：主控制參數(shù)(室內(nèi)平均溫度); y2 ：副控制參數(shù)(送風(fēng)溫度)
圖6 控制系統(tǒng)方框圖
主PID調(diào)節(jié)器的輸出是送風(fēng)溫度的設(shè)定值，副PID的輸出是閥門的開度，通過PLC的AO口輸出到風(fēng)閥執(zhí)行器，控制閥門的開度。
4.3 按照德國標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施和通過德方驗(yàn)收的系統(tǒng)
德國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)了德國對空調(diào)自控系統(tǒng)要求：
（１）系統(tǒng)的開放性
各種I/O模塊、功能模塊可根據(jù)生產(chǎn)需要分布安裝，控制器與各模塊之間通過一根總線電纜相連，擴(kuò)充時(shí)只要將模塊連到總線上，硬件上無需更改設(shè)置，直接從PC WorX中可以操作相應(yīng)模塊。再加上本系統(tǒng)選用組態(tài)的VBA接口，可以操作上位機(jī)所有資源，大大拓展了系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的短信報(bào)警功能模塊就是用VBA接口調(diào)用上位機(jī)串口實(shí)現(xiàn)的。
（２） 系統(tǒng)隨季節(jié)（室外溫度）和時(shí)鐘而進(jìn)行的設(shè)置和調(diào)節(jié)
（３）系統(tǒng)通訊上的診斷和保護(hù)
圖8 系統(tǒng)通訊故障診斷畫面
（４）大空間中各空調(diào)機(jī)組之間合理的控制
（５）系統(tǒng)功能的強(qiáng)大
本系統(tǒng)集成了空調(diào)機(jī)組、冷熱源、空壓機(jī)及照明系統(tǒng)等很多復(fù)雜系統(tǒng)的控制，多個(gè)系統(tǒng)之間協(xié)同控制，整個(gè)廠區(qū)被控設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)自動化管理，大大節(jié)約了管理成本。
5 結(jié)束語
基于INTERBUS現(xiàn)場總線的工業(yè)廠房樓宇自動化系統(tǒng)，具有開放性、先進(jìn)性以及強(qiáng)大的通信處理和系統(tǒng)診斷能力，實(shí)現(xiàn)了樓宇控制的智能化和完全分散化。這套系統(tǒng)自運(yùn)行以來，穩(wěn)定性非常好，獲得一致好評。
作者信息：
張 龍（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司，江蘇 南京 211100）
劉新天 （中國科技大學(xué)，安徽 合肥 230026）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號