控制网

刘朝晖

1  INTERBUS控制网络概述
INTERBUS现场总线技术是德国Phoenix Contact公司80年代中期推出的一种用于自动控制领域的网络技术。以OSI七层参考模型兼容的INTERBUS协议控制网络为基础，结合Phoenix Contact公司全系列的自动化产品，实现了分布式控制。INTERBUS技术体现了控制网络技术发展的最新趋势，具有真正的分布性、开放性、互操作性和适应性。它已经被工业界广泛接受，成为EN50254欧洲标准以及IEC61158国际标准的现场总线系统，及控制网络的实际主流标准之一。在全球有3000多个总线设备生产厂家，安装的现场设备超过35万套系统，400万个节点。INTERBUS自动化技术被广泛应用于工业领域，如汽车工业、机械制造、化工石油、交通、仪器加工、烟草及造纸等行业。
2  INTERBUS的技术特点
INTERBUS现场总线包括远程总线网络和本地总线网络，如图1所示，两种网络传输相同的信号。远程总线网络用于远距离传输数据，本地总线网络连接到远程总线网络上，用于将传感器、执行器和智能设备连入总线网络，网络上的总线终端BT（Bus Terminal）上的BK模块负责将远程总线数据转换为本地总线数据。通过远程总线分支功能，可以设置更复杂的树状拓扑网络结构，以适应各种厂房结构。INTERBUS 通讯采用传输效率极高的集总帧型的数据方式，保证数据传输严格的同步性和周期性；全双工的通讯方式和500K 的一致速率保证了数据通讯的实时性，4096个I/O数据扫描时间小于7.8ms，真正符合“以较低的传输速率与较高的协议效率保证极高的传输可靠性”这一现场总线传输基本要求。INTERBUS总线采用的树型结构，可连接255 个子站，易于扩展、分层，总长达12.8 公里。在同一个系统中，三种传输媒介（双绞线电缆、光纤、红外）可以根据需要混合使用。

图1  INTERBUS总线网络结构图

由于所采用集总帧通讯的特殊的通讯协议和组网方式，使INTERBUS具有许多独有的特点和优点，其中强大的诊断功能是区别于其它总线最典型的一点。INTERBUS的诊断功能提供了详细的故障信息（故障地址、故障类型和故障历史记录），诊断寄存器提供了用户程序处理故障信息的工具，控制板3行16段LCD显示直观醒目。特别是准确的故障地址为快速排除故障提供了保障；故障历史记录为排除难于把握的随机干扰提供了可能。基于RS-485的差分信号传输和专门的总线环路检查更保证了INTERBUS的抗干扰性和设备实时监控。更重要的是所有这些特性均经过了十几年的工业现场实际应用的检验。
鉴于INTERBUS的高抗干扰能力、长距离传输、传输媒介混用、强大的故障诊断功能等特殊的优点，由INTERBUS技术为核心的公路隧道机电设备的监控管理系统已经在世界各地被成功应用。
3  INTERBUS分布式公路隧道监控系统特点
图2就是采用INTERBUS的分布式公路隧道监控系统结构图（按照奥地利Plabutsch隧道结构）。

图2  INTERBUS分布式公路隧道监控系统结构图

INTERBUS公路隧道监控系统中各子系统的控制节点可以安装在密封、防尘、防水的节点箱内，靠近被控制设备安装；也可以使用高防护等级的现场安装产品，完全置于被控设备旁。根据控制要求，选用各种类型的节点，在隧道出入口的变电站、中央控制室、竖井、隧道体内布置安装。与传统的采用集中放线形式的集散控制系统相比较，现场设备布置简洁、维修方便，材料、施工的综合造价可节约70%，并且大大节省了安装、调试时间。
INTERBUS公路隧道监控系统可以对单洞双向公路隧道或双洞单向公路隧道内的机电设备进行分布式监控，每一座隧道均可设置独立的集中监控中心。在此基础上，采用光纤ETHERNET网络，则可对隧道群进行集中管理。
3.1  监控系统硬件设备
①  INTERBUS系列I/O及驱动模块（IP20）。
②  INTERBUS系列I/O及驱动模块（IP54-67）。
③  ETHERNET相关产品。
④  总线专用双绞线电缆、光纤、红外线产品。
⑤  PC-Based 控制器RFC、IPC。
⑥  现场安装控制箱。
3.2  监控系统软件设备
INTERBUS公路隧道监控系统的软件可分为两部分。一部分软件实现INTERBUS网络节点的控制逻辑组态、控制计算、连接现场输入输出点、现场网络管理等功能，另一部分软件实现监控计算机的监控画面的制作、显示、报警、打印、计算机网络管理等人机界面的功能。
(1)  系统组态控制软件编程平台现选用：
①  PC WORX；
②  特殊要求的组态控制软件可采用Visual Basic、Visual C或Delphi编写。
(2)  系统监控软件的编程平台选用：
①  Factory Line；
②  Gensis32；
③  具有OPC接口的监控软件；
④  特殊要求的监控软件可采用Visual Basic、Visual C++或Delphi编写。
(3)  监控软件计算机系统平台采用：
①  Windows2000；
②  WinNT4.0。
(4)  公路隧道通风、照明、消防、交通控制方案、运营管理策略可以由专业隧道工程设计单位设计、提供。
4  INTERBUS分布式公路隧道监控系统组态技术特点
(1)  隧道系统现场通讯采用INTERBUS现场总线和光纤环网技术，以分布、分层方式构成。分为中央控制室的监控级、各设备控制室的设备控制级和控制现场设备的现场控制级共3层。监控计算机系统构成网络。
(2)  各节点通过INTERBUS网络，就近接收现场输入信号，按照预先编写的控制逻辑进行自动控制，控制现场设备的运行，实现预先设定的控制策略。
(3)  按照实际需求，现场节点能够实现闭环自动控制功能。在监控计算机退出监控程序或计算机关机时，不会影响INTERBUS网络上节点监控的设备之间的基本自动控制功能。
(4)  监控计算机原则上不参与逻辑组态，只执行人机界面的功能，大大提高了整个隧道监控系统的容错能力。
(5)  中央控制室内设置自动控制或手动控制的模式转换选择开关。当相应子系统的控制模式转换开关处于手动模式时，此子系统可接受计算机操作员的手动命令，其它子系统仍然可处于自动控制模式。
(6)  节点内的逻辑组态软件有控制模式的无扰动切换功能。
(7)  在火灾或特定的紧急情况下，由监控计算机发出火灾确认信号后，节点均只接受计算机操作员的手动控制命令。
5  INTERBUS分布式公路隧道监控系统监控技术特点
(1)  监控软件选用网络化的软件平台，计算机监控系统的网络结构采用双光纤冗余以太网结构，通过网络交换机与INTERBUS网络节点上的PC-Based控制器进行数据交换和实现双机热备功能。
(2)  根据各隧道现场的不同情况，在有特殊需要节点的INTERBUS I/O从站可采用INTERBUS冗余模块完成双机热备功能。
(3)  隧道中央控制室内构成局域网，可对隧道内的设备进行多计算机采集站（SCADA）和多计算机监控站（VIEW）的网络化监视和控制。也可以通过LAN或WEB网站，对隧道内的实时数据进行监控。
(4)  计算机监控软件完成画面监视、手动控制等人机界面的功能，不参与节点之间的自动逻辑控制，以保证现场INTERBUS网络的独立性。监控计算机软件可以对节点进行手动控制和参数设置。
(5)  计算机监控系统可以完成以下功能