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張龍（1974-），
男，安徽金寨人，1996年畢業于北京理工大學自動控制專業，研究方向為現場總線和工業以太網等技術。
摘要：文章主要介紹了IEC61158國際標準之一的INTERBUS現場總線，以及基于INTERBUS總線的自動化控制系統在工業廠房樓宇自控系統的實際應用和優點。
關鍵詞：INTERBUS；PCWORX；樓宇自控系統；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
隨著計算機技術和通信技術的發展，建筑物的智能化正在成為一個新興的產業。樓宇自控系統(BAS，Building Automation System)是智能建筑的基礎，它是將建筑物（或建筑群）內的電力、照明、空調、運輸、防災、保安、廣播等機電設備以集中監視、控制和管理為目的而構成的一個綜合系統。它的目的是使建筑物成為安全、健康、舒適、溫馨的生活環境和工作環境，并保證系統運行的經濟性和智能化。因此樓宇自動化系統在智能建筑中的作用至關重要。
樓宇自控系統包括了大量的自控元件和機電設備，設備分散且相互關聯，測控點多，因此采用何種控制技術和手段，是實現樓宇自動化的關鍵。傳統的樓宇自控系統，存在著系統集成度低，可靠性、開放性和互操作性較差等不足，而現場總線的出現可以很好地解決這些問題。本文介紹了目前應用非常廣泛的一種現場總線－INTERBUS，并結合其在某工業廠房樓宇自控系統中的應用，探討了基于INTERBUS總線的樓宇自控系統的應用特點和優勢。
2 INTERBUS總線簡介
INTERBUS是德國菲尼克斯電氣集團提供的工業現場總線，于1987年正式推出，它是最早的工業控制總線之一。INTERBUS的國際組織為INTERBUS CLUB，現有超過1000個生產廠家，提供將近2500多種INTERBUS設備。INTERBUS于1992年成為德國國家標準DIN19258，1998年成為歐洲標準EN50254，2000年成為國際標準IEC61158。
INTERBUS廣泛地應用于汽車行業、煙草行業、冶金行業、造紙行業、樓宇自動化、食品行業、水處理、物流倉儲技術等等。截止到2005年底，INTERBUS總線在全球已有超過800萬安裝節點和73萬個應用，是應用最為廣泛的現場總線之一。
INTERBUS總線為全雙工數據傳輸方式。數據傳輸方式為面向過程數據的傳輸方法——獨特的集總幀協議。在面向過程數據的傳輸方法中，所有變送器和執行器的信號都被放在一個通信幀內，這個通信幀稱為集總幀。在這種情況下，整個包括所有設備的系統只有一個協議，所以也只需要一個幀信息（控制信息）。幀信息包括一個啟動信息（LOOPBACK環回字），數據安全/結束信息。在集總幀中，如果系統帶的設備越多，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、數據鏈路層和應用層。INTERBUS總線可分為遠程總線和本地總線。遠程總線用于遠距離的數據通信，采用RS-485傳輸，網絡本身不供電。本地總線通過總線終端模塊連接到遠程總線上。在INTERBUS現場總線中，可以采用多種傳輸介質，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。當采用雙絞線時，遠程總線設備間的距離可達400m，整個總線的總距離可達12.8km。
INTERBUS為主從結構，單個系統中遠程總線子站的數量可達255個，如果加上本地總線設備，可達512個設備。每個主站可連接8192個輸入信號和8192個輸出信號。系統通常采用樹狀網絡結構，可靈活地根據系統結構進行布線。在INTERBUS G4總線系統中，可以構建一個多達16層的樹形結構。
由于采用了集總幀協議，INTERBUS具有結構簡單、實時性高、總線周期時間固定、傳輸效率高等特點。INTERBUS總線不需終端電阻,現場I/O模塊及設備不需作專門的地址設置。另外，INTERBUS總線具有非常強大的診斷功能。在總線出故障時，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”或專用診斷工具Diag+軟件可以查看故障代碼的含義、潛在原因和解決方法，從而使得現場工程師可以非?？焖俚嘏懦收?，使系統停機的時間減到最小。
3 工業廠房樓宇自控系統的設計
在國內某知名跨國企業的大型廠房樓宇自動化系統中，包括了生產車間、裝配車間、辦公樓、庫房、餐廳、CLUB中心等建筑，自控系統覆蓋區域達8萬平米。該控制系統以空調系統控制為主，控制部分包含空調機組、冷水系統、熱水系統、照明系統、排風系統、空壓機系統、配電監控等。各個控制部分距離上跨度比較大，I/O節點多達3000多個。
經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。整個系統的結構如圖2：
圖2 系統結構圖
PLC控制器采用帶以太網接口和INTERBUS總線接口的遠程現場控制器 (Remote Field Controller, RFC)。按照區域劃分，共采用了6臺RFC430控制器。RFC控制器之間直接通過以太網進行數據交換。
RFC430控制器采用INTEL 486DX處理器，可安裝在標準導軌上，運行速度快，功能強大。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總線的運行狀態。通過面板上的鍵盤可以查看總線的運行記錄和診斷信息。通過INTERBUS總線出向接口，可以向下連接INTERBUS從站。通過以太網，可以非常方便地連接到公司的局域網中，既可以進行程序下載、在線調試、監控和診斷，也可通過OPC與運行在中央控制室的組態監控軟件交換數據。
現場從站模塊采用菲尼克斯電氣的INLINE產品。INLINE系列產品包括數字量輸入/輸出、模擬量輸入/輸出、熱電阻/熱電偶、編碼器、計數器、電機啟動器等多種模塊。INLINE模塊采用彈簧接線方式，具有體積小、接線方便、配置靈活、擴展簡單等優點，大大節省了空間，具有很高的性價比。每個INLINE子站可帶63個輸入/輸出模塊。
控制軟件采用基于IEC61131-3和IEC61131-5編程標準的PCWORX軟件。PCWORX集成了IEC61131編程、現場總線組態和系統診斷功能。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）、結構化文本（ST）以及可選用的機器順序功能圖（MSFC）等。IEC61131的基本語言IL、FBD和LD可直接而自由地進行交叉編譯。同時，交叉參考表為編程人員顯示了在應用程序中所用到的變量和功能塊的情況。
上位監控軟件則選用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進行實時數據交換。
4 INTERBUS總線在工業廠房樓宇自控中應用的特點
由INTERBUS總線組成的樓宇自動化系統除了具備現有的樓宇自動化系統的特點外，此系統還有以下幾方面的優點：
4.1 編程軟件的先進性和多功能
本系統的程序開發是在德國菲尼克斯電氣公司PC WorX 3.03下進行的，該編譯器功能非常強大，能對語句、功能塊、梯形圖混合編譯，并支持在線調試、交叉參考和仿真。
上位機組態軟件選用Genesis-32，這款軟件不但非常容易進行組態設計，而且開放的VBA接口環境有利于系統的二次開發，筆者就利用VBA開發了短信報警模塊和整個系統運行的時間計劃。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
整個樓宇自動化系統，空調機組系統為控制部分的重點，為提高系統的自適應性能使用了很多串級控制的控制系統。
以下是廠房樓宇自動化系統的1#空調機組運行畫面。
圖3 空調機組運行畫面
筆者選用了變風量空調系統，與定風量空調系統相比，變風量空調系統節能效果明顯，控制靈活而且空調品質高。但是系統一次投資有所提高，控制相對復雜，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系統，結合過程控制理論，提出基于串級控制的VAV末端控制方案。控制過程如下：
圖4 空調系統運行畫面
以房間各點的平均溫度作為主控制參數，送風溫度作為副
圖5 空調末端控制過程
控制參數構成串級回路。主副調節器都是PID調節器。
y1 ：主控制參數(室內平均溫度); y2 ：副控制參數(送風溫度)
圖6 控制系統方框圖
主PID調節器的輸出是送風溫度的設定值，副PID的輸出是閥門的開度，通過PLC的AO口輸出到風閥執行器，控制閥門的開度。
4.3 按照德國標準實施和通過德方驗收的系統
德國的技術標準在以下幾個方面體現了德國對空調自控系統要求：
（１）系統的開放性
各種I/O模塊、功能模塊可根據生產需要分布安裝，控制器與各模塊之間通過一根總線電纜相連，擴充時只要將模塊連到總線上，硬件上無需更改設置，直接從PC WorX中可以操作相應模塊。再加上本系統選用組態的VBA接口，可以操作上位機所有資源，大大拓展了系統功能。系統的短信報警功能模塊就是用VBA接口調用上位機串口實現的。
（２） 系統隨季節（室外溫度）和時鐘而進行的設置和調節
（３）系統通訊上的診斷和保護
圖8 系統通訊故障診斷畫面
（４）大空間中各空調機組之間合理的控制
（５）系統功能的強大
本系統集成了空調機組、冷熱源、空壓機及照明系統等很多復雜系統的控制，多個系統之間協同控制，整個廠區被控設備全部實現自動化管理，大大節約了管理成本。
5 結束語
基于INTERBUS現場總線的工業廠房樓宇自動化系統，具有開放性、先進性以及強大的通信處理和系統診斷能力，實現了樓宇控制的智能化和完全分散化。這套系統自運行以來，穩定性非常好，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，安徽 合肥 230026）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號