菲尼克斯電氣基于INTERBUS總線的智能樓宇控制系統(tǒng)
樓宇控制系統(tǒng)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。
在現(xiàn)代化的大型建筑中，一般都采用中央空高調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的作用就是對室內(nèi)空氣進(jìn)行處理，使空氣的溫度、流動速度及新鮮度、潔凈度等指標(biāo)符合場所的使用要求。為此必須對空氣進(jìn)行冷卻或加熱、除濕或加濕，以及過濾等處理措施。其相應(yīng)設(shè)備有制冷機(jī)組、熱水爐、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)、水管系統(tǒng)等。例如，空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組是由設(shè)備生產(chǎn)廠成套供應(yīng)的，它一般是根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理及規(guī)律等由微處理器自動控制的。冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成，壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸收，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入水冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量，如此循環(huán)不已，把房間的熱量帶出。[1]
1、INTERBUS總線[2][3]
INTERBUS是德國跨國集團(tuán)PHOENIX公司提供的工業(yè)現(xiàn)場總線，是最早的總線之一。現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、煙草工業(yè)、冶金工業(yè)、倉儲及傳送技術(shù)、造紙工業(yè)、包裝工業(yè)、智能建筑業(yè)、食品工業(yè)等等。
INTERBUS與Modbus、Profibus等合稱為八大現(xiàn)場總線，它既有總線的共同特點(diǎn)，如系統(tǒng)的開放、可靠；現(xiàn)場設(shè)備模塊化、智能化；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散、對現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)。同時，INTERBUS總線傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)達(dá)12.8km），遠(yuǎn)距離傳輸無需中繼，擴(kuò)充非常方便。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)充時只要將模塊接到總線上，硬件上無需更改設(shè)置，只需在控制軟件上更改一下系統(tǒng)組態(tài)（自動識別）和添加新的功能，總線運(yùn)行時，上位機(jī)可通過INTERBUS OPC Server讀寫過程數(shù)據(jù)和變量（寫只能對輸出變量而言），從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，并對收集的信息進(jìn)行處理，滿足生產(chǎn)管理信息化的需要。
2、系統(tǒng)概述
本文以PHOENIX廠房樓宇自動化系統(tǒng)為應(yīng)用背景，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)。各個控制部分距離上跨度比較大，而且I/O節(jié)點(diǎn)多達(dá)2000多個。
針對實(shí)際系統(tǒng)特點(diǎn)，我們采用INTERBUS總線設(shè)計如下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
BK模塊：總線耦合器
RFC：PLC控制器，PHOENIX 生產(chǎn)
RFC控制器9針D型口連接INTERBUS總線系統(tǒng)，通過RFC控制器上的以太網(wǎng)口連接工業(yè)以太網(wǎng)， RFC控制器之間可通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。INTERBUS總線相鄰兩個子站之間的距離為400米。根據(jù)現(xiàn)場安裝需要，在I/O點(diǎn)變化情況下，通過增加INTERBUS總線耦合器BK，可靈活掛出子站。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。INTERBUS總線為全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式,有極高的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
現(xiàn)場模塊采用Phoenix Contact的INLINE產(chǎn)品。BK模塊是每個子站的總線耦合器，每個BK模塊可帶63個輸入/輸出模塊，BK模塊之間用總線電纜進(jìn)行連接。Inline提供了所有的進(jìn)行控制所需要的信息采集、傳輸數(shù)據(jù)的模塊，本系統(tǒng)用到的有數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出模塊。
3、基于串級控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)
整個樓宇自動化系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)為控制部分的重點(diǎn)，以下是PHOENIX廠房樓宇自動化系統(tǒng)的1#空調(diào)機(jī)組運(yùn)行畫面。
我們選用了變風(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。
圖2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行畫面
對于象PHOENIX廠房這種空間比較大，而且溫度控制精度要求較高的空調(diào)系統(tǒng)，我們結(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3 空調(diào)末端控制過程
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。
圖4 控制系統(tǒng)方框圖
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)
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、結(jié)語
這套系統(tǒng)自2006年元月份運(yùn)行以來，穩(wěn)定性非常好，未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。并順利通過德方驗收。獲得一致好評。
本系統(tǒng)的程序開發(fā)是在PHOENIX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。上位機(jī)組態(tài)軟件我們選用Genesis-32，這款軟件不但非常容易進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，而且開放的VBA接口環(huán)境有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)，我們就利用VBA開發(fā)了短信報警模塊和整個系統(tǒng)運(yùn)行的時間計劃。
在現(xiàn)代化的大型建筑中，一般都采用中央空高調(diào)系統(tǒng)。空調(diào)系統(tǒng)的作用就是對室內(nèi)空氣進(jìn)行處理，使空氣的溫度、流動速度及新鮮度、潔凈度等指標(biāo)符合場所的使用要求。為此必須對空氣進(jìn)行冷卻或加熱、除濕或加濕，以及過濾等處理措施。其相應(yīng)設(shè)備有制冷機(jī)組、熱水爐、風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)、風(fēng)管系統(tǒng)、水管系統(tǒng)等。例如，空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組是由設(shè)備生產(chǎn)廠成套供應(yīng)的，它一般是根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理及規(guī)律等由微處理器自動控制的。冷水機(jī)組由壓縮機(jī)、冷凝器與蒸發(fā)器組成，壓縮機(jī)把制冷劑壓縮，壓縮后的制冷劑進(jìn)入冷凝器，被冷卻水冷卻后，變成液體，析出的熱量由冷卻水帶走，并在冷卻塔里排入大氣。液體制冷劑由冷凝器進(jìn)入蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)吸收，使冷凍水降溫，然后冷凍水進(jìn)入水冷風(fēng)機(jī)盤管吸收空氣中的熱量，如此循環(huán)不已，把房間的熱量帶出。[1]
1、INTERBUS總線[2][3]
INTERBUS是德國跨國集團(tuán)PHOENIX公司提供的工業(yè)現(xiàn)場總線，是最早的總線之一。現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)、汽車工業(yè)、煙草工業(yè)、冶金工業(yè)、倉儲及傳送技術(shù)、造紙工業(yè)、包裝工業(yè)、智能建筑業(yè)、食品工業(yè)等等。
INTERBUS與Modbus、Profibus等合稱為八大現(xiàn)場總線，它既有總線的共同特點(diǎn)，如系統(tǒng)的開放、可靠；現(xiàn)場設(shè)備模塊化、智能化；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散、對現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)。同時，INTERBUS總線傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)達(dá)12.8km），遠(yuǎn)距離傳輸無需中繼，擴(kuò)充非常方便。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)充時只要將模塊接到總線上，硬件上無需更改設(shè)置，只需在控制軟件上更改一下系統(tǒng)組態(tài)（自動識別）和添加新的功能，總線運(yùn)行時，上位機(jī)可通過INTERBUS OPC Server讀寫過程數(shù)據(jù)和變量（寫只能對輸出變量而言），從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控，并對收集的信息進(jìn)行處理，滿足生產(chǎn)管理信息化的需要。
2、系統(tǒng)概述
本文以PHOENIX廠房樓宇自動化系統(tǒng)為應(yīng)用背景，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)。各個控制部分距離上跨度比較大，而且I/O節(jié)點(diǎn)多達(dá)2000多個。
針對實(shí)際系統(tǒng)特點(diǎn)，我們采用INTERBUS總線設(shè)計如下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
BK模塊：總線耦合器
RFC：PLC控制器，PHOENIX 生產(chǎn)
RFC控制器9針D型口連接INTERBUS總線系統(tǒng)，通過RFC控制器上的以太網(wǎng)口連接工業(yè)以太網(wǎng)， RFC控制器之間可通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。INTERBUS總線相鄰兩個子站之間的距離為400米。根據(jù)現(xiàn)場安裝需要，在I/O點(diǎn)變化情況下，通過增加INTERBUS總線耦合器BK，可靈活掛出子站。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。INTERBUS總線為全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式,有極高的數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
現(xiàn)場模塊采用Phoenix Contact的INLINE產(chǎn)品。BK模塊是每個子站的總線耦合器，每個BK模塊可帶63個輸入/輸出模塊，BK模塊之間用總線電纜進(jìn)行連接。Inline提供了所有的進(jìn)行控制所需要的信息采集、傳輸數(shù)據(jù)的模塊，本系統(tǒng)用到的有數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、模擬輸入、模擬輸出模塊。
3、基于串級控制的變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)
整個樓宇自動化系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組系統(tǒng)為控制部分的重點(diǎn)，以下是PHOENIX廠房樓宇自動化系統(tǒng)的1#空調(diào)機(jī)組運(yùn)行畫面。
我們選用了變風(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。
圖2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行畫面
對于象PHOENIX廠房這種空間比較大，而且溫度控制精度要求較高的空調(diào)系統(tǒng)，我們結(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3 空調(diào)末端控制過程
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。
圖4 控制系統(tǒng)方框圖
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)
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、結(jié)語
這套系統(tǒng)自2006年元月份運(yùn)行以來，穩(wěn)定性非常好，未出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障。并順利通過德方驗收。獲得一致好評。
本系統(tǒng)的程序開發(fā)是在PHOENIX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。上位機(jī)組態(tài)軟件我們選用Genesis-32，這款軟件不但非常容易進(jìn)行組態(tài)設(shè)計，而且開放的VBA接口環(huán)境有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)，我們就利用VBA開發(fā)了短信報警模塊和整個系統(tǒng)運(yùn)行的時間計劃。
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