贝加莱X20系列PCC在汽车厂房楼宇自控系统中的应用

0． 引言
        为了进一步满足国内汽车市场的需求，某知名品牌汽车集团已投入重金在国内全力打造一家全新的汽车工厂。新工厂将有一系列功能完善的生产车间，包括冲压车间、涂装车间、车身车间、组装车间以及物流车间等，建成后的工厂将至少具备年产20万辆整车的产能。
        然而，对于如此规模的汽车厂房来说，拥有一套功能齐全，自动化程度高的楼宇自控系统是必不可少的。当工厂投入运营后，车间温湿度指标是否适宜、空气质量是否达标、数据中心温度是否满足设备运行条件、如何为运行的大型机器提供充足的冷却水等问题，必须由一套完善的楼宇自控系统来做出决策并实施控制。

1. 厂房楼宇自控系统的组成
       该汽车厂房楼宇自控系统主要由新风空调机组、压缩空气处理站、冷站和中压监控系统等部分组成。
1.1新风空调机组
       新风空调机组是楼宇自控系统中最基本，也是最重要的组成部分。每个车间，根据大小划分成若干个区域，每个区域都有一台新风空调机组对其进行温湿度的控制。新风空调机组将室内浑浊的空气抽出，并对室外新鲜空气进行过滤、制冷/加热、加湿等处理后再送入室内，从而使得室内温湿度以及空气质量满足特定的要求。根据不同的需求与使用场所，新风空调机组的选用也种类繁多。对于汽车生产车间来说，室内温湿度要求较高，且需要较高的热量回收效率，因此带有转轮式能量回收芯体，并能够落地安装的大型空调机组是较为合适的选择。
1.2压缩空气处理站
       压缩空气处理站（简称空压站）需要随时根据需求，生产符合不同压力指标的空气。产出的压缩空气中一部分用于现场生产，另一部分将用于新风空调机组中热转轮设备的清洗。
1.3 冷站
       冷站的主要任务是生产符合一定温度条件的冷却水，并提供给现场设备以及部分精密空调，达到冷却和温度调节的目的。出于节能的目的，所有冷却水须循环利用，即用于为设备降温的冷却水，在完成热交换后，须再次回到冷站进行降温处理，待温度重新降低后，继续回供给现场设备使用。
1.4 中压监控系统
       在厂房楼宇自控系统中，对中压电力设备的监控也是必不可少的。所有中压设备，诸如继电保护设备、电力仪表等，都需要将实时数据传送给数据中心，从而确保电力系统的正常运行。

2. 系统功能及特点
       在该汽车厂房楼宇自控系统中采用了贝加莱X20系列控制器作为核心控制单元。每台控制器都需担负起数据采集以及设备控制的任务，并实时与数据中心中的服务器进行数据交换。该系统的拓扑架构如 图1所示。

2.1 新风空调机组控制系统
       对新风空调机组的监控，主要包括送/排风机监控、各路风阀监控（新风阀、排风阀、混风阀、旁通阀）、热转轮监控、预热器监控、热风幕以及厂房加热器等设备的监控。主要采用贝加莱X20标准型控制器来实施控制。由于设备所需监控点数较多，且有些设备较为分散，因此拥有灵活的I/O扩展性能显得尤为重要。贝加莱控制器能够提供各种灵活的I/O扩展方式，针对该知名品牌汽车公司提出的要求，贝加莱最终提供了两种扩展方式，即采用Ethernet POWERLINK以及CAN I/O来实现I/O扩展。
       对于车间内的设备以及工作人员来讲，室温是否适宜是一个至关重要的因素。无论在什么季节，室温大幅度的变化，不仅会影响产品的质量，更不利于工作人员的身体健康。为了能够平稳、快速地调节车间内的温度，贝加莱控制器提供了串级控制方案。串级控制需要两个调节器，以室内温度作为第一级调节器的反馈与室温给定值进行比较，输出的结果作为第二级调节器的给定，该给定值将与空调机组出口温度进行比较并对其进行调节，这样就能够快速调节室内温度，并有效地减小室温的大幅波动（如图2所示）。

       每一台空调机组中拥有各种不同的设备，而每一套设备必须根据调节器的输出值变化，对自身进行相应的控制。例如，当调节器输出为0%～25%时，需要将新风阀和送风阀缓慢打开，而将混风阀缓慢关闭；又如当调节器输出为25%～50%时，需要将预热器打开，并将其控制在0%～100%的范围内。针对此类分段控制模式，贝加莱的专家库也提供了很好的解决方案，用户只需对相应功能块进行参数设置即可实现此功能。如图3所示。

       空调机组会根据季节的不同切换自身的工作模式。例如，在夏季晚上空调机组会自动开启吹风模式，不断向室内输送新风，使厂内温度始终保持凉爽；在冬季晚上，空调机组又会进入低温模式，打开加热设备，向厂内输送加热后的空气，从而确保设备不被冻坏。
       然而，处于室内的空调机组是如何判断当前季节变化的呢？在该汽车厂房中，有若干个气象站分布于不同的地区，专门采集气象数据（如室外温度、湿度、风速等），所有机组控制器均需要从这些气象站中实时读取数据。如果对每个控制器都要编写通讯程序，其工作量可想而知。贝加莱专家库中的Peer-To-Peer通讯方式，再一次为用户节省了工作量。用户只需将读取的变量以及气象站的IP地址填写在数据表中，控制器会根据数据表中的信息自动完成通讯和变量映射。由于所有机组控制器读取的变量都是相同的，因此数据表只需填写一次，且对所有控制器都适用。如此一来，用户便无需花费更多的精力去编写通讯程序了。
2.2 压缩空气处理站
       由于压缩空气处理站（空压站）是厂房楼宇中最为重要的一个组成部分，它不仅要向空调机组提供用于清扫的压缩空气，还需向部分生产线设备提供生产用气，因此该知名品牌汽车公司提出，对于空压站系统的控制须采用可靠的冗余系统。
       B&R X20冗余系统是由两个互为热备的冗余主站以及I/O站组成，一套冗余主站（两台互为热备的主站）最多能够支持8个I/O站。冗余主站与I/O站之间的通讯（I/O总线）以及冗余主站与上位机之间的通讯（控制总线）皆采用以太网，并且支持双网冗余，即任何一条总线出现故障都不会影响系统的正常运作。冗余主站之间的同步总线采用了Ethernet POWERLINK，其通讯速率最快可达1000Mbps，从而保证了数据同步的实时性。
2.3 冷站
       冷站的控制系统会根据厂内对热能的需求，来动态控制板式换热器、冷机、冷塔以及供水泵等设备，以确保向厂内供应足够的冷却水。出于可靠性的目的，冷机、冷塔均采取一用一备的方式。当任一台设备运行时，另一台设备则处于停运备用的状态，而控制器必须记录下该运行设备已经运行的时间，当此设备出现故障，或运行了足够长的时间后，控制器必须将该设备停运，并启动另一台设备，这一切换机制既保证了系统的可靠运行，又能平衡各台设备的运行负载（系统结构如图4）。贝加莱的楼宇控制系统专家库中就包含了这种切换方式，用户只需将相应功能块拖动到程序内即可实现，从而为用户大大节省了编写逻辑程序的时间。

2.4 中压监控系统
       X20控制器在中压系统中只负责数据采集，即从各种不同的电力设备上采集数据并上传至数据中心。由于电力设备大部分是智能设备，因此几乎所有数据都需透过Modbus RTU的方式上传至控制器，然后通过以太网为每个数据打上时标，再传输至数据中心。X20控制器可支持SNTP对时方式，时刻保证与主机时钟同步。再者，基于贝加莱行业专家库，用户只需将上传的变量填写在一张配置表中，系统便可自动为数据表中所列出的变量打上时标，并传送至数据中心。

3. X20系列控制器的特点
       X20系列控制器以及I/O模块的平均无故障时间（MTBF）达到了50万小时。所有产品均通过了苛刻的欧洲CE、UL等认证测试。
       X20系统有着很好的开放性与兼容性。控制器本身自带2个以太网通讯口（其中一个可根据需要设置成Ethernet POWERLINK模式），1个RS232标准串口以及2个USB接口。控制器预留了最多3个通讯插槽，如果还需要增加额外的通讯接口，用户可插入合适的通讯卡件。贝加莱的通讯卡件几乎涵盖了所有的主流通讯协议，这意味着贝加莱的系统能够很方便地集成或者接纳第三方的设备。如 图5所示。 

       贝加莱提供的一体化通用软件平台Automation Studio，能够对所有贝加莱产品进行编程与组态，包括PCC、伺服控制器、HMI以及工业计算机等，为客户的项目开发与维护带来了方便。此外，Automation Studio所支持的编程语言多达7种，其中除了IEC61131-3中所规定的标准语言（LD、IL、FBD、SFC、ST）外，还支持两种高级语言，即Automation Basic以及ANSI C。在该汽车项目的开发中，有不少较为复杂的逻辑与控制，可事先用高级语言（如ANSI C）编写成功能块的形式，然后在梯形图中反复调用，这样既大大提高了程序的开发效率，也减少了程序修改的工作量。
4. 结语
        虽然该知名品牌汽车公司厂房尚未完全建成，但部分楼宇自控系统已经投入运行。从目前运行的情况来看，效果良好。已投运的空调机组能够平稳快速地调节各车间内的室温，并根据不同的季节以及不同的工作时段切换自身的工作模式，既满足了工艺要求，也节约了能源。

参考文献
[1] 中国建筑标准设计及研究院. 国家建筑标准设计图集, 空气－－-空气能量回收装置选用与安装（新风换气机部分）[S]. 北京, 中国计划出版社，2006-12.
[2] 齐蓉，肖维荣. 可编程计算机控制器技术[M]. 北京, 电子工业出版社, 2005-11.
作者简介
杨庆伟  男，贝加莱工业自动化国际贸易（上海）有限公司技术工程师。