基于Profibus 通訊技術(shù)及SIMATIC PCS7 DCS控制系統(tǒng)對(duì)水廠自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(沈陽(yáng)市給排水勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，沈陽(yáng) 110023)

0 引 言

SIMATIC PCS7最佳用于Profibus技術(shù)，將分布式現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)集成在過(guò)程控制系統(tǒng)中。Profibus是一種簡(jiǎn)單、堅(jiān)固和可靠的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，是世界上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，主要包括最高波特率達(dá)12M的高速總線Profibus DP和用于過(guò)程控制的本安型低速總線Profibus PA。DP和PA的完美結(jié)合使得Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線在結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)越于其他現(xiàn)場(chǎng)總線?，F(xiàn)場(chǎng)總線是自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)也是水廠智能化設(shè)備的發(fā)展趨向[1-4]。在水廠電氣設(shè)備中，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已在電動(dòng)機(jī)控制、綜合測(cè)控儀表及開(kāi)關(guān)保護(hù)等智能化元件上廣泛應(yīng)用，并不斷發(fā)展與完善。SIMATIC PCS7系統(tǒng)是完全無(wú)縫集成的自動(dòng)化解決方案?？梢詰?yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域，包括過(guò)程工業(yè)，制造工業(yè)，混合工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過(guò)程自動(dòng)化產(chǎn)品。作為先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)，SIMATIC PCS7 形成了一個(gè)帶有典型過(guò)程組態(tài)特征的全集成系統(tǒng)[5-7]。

1 工程概況

沈北新區(qū)財(cái)落中心鎮(zhèn)凈水廠工程的生產(chǎn)工藝過(guò)程包括:凈水廠、水源井。凈水廠一期建設(shè)規(guī)模為日供水50 000 m3主要工藝構(gòu)筑物有：凈水車(chē)間、反沖洗水池、清水池、二級(jí)泵站、排水池、濃縮回收池、加氯間、污泥儲(chǔ)池等。

2 設(shè)計(jì)原則

系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循先進(jìn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、開(kāi)放性的原則，滿(mǎn)足供水工程生產(chǎn)管理和水處理工藝對(duì)自動(dòng)化控制的要求。實(shí)現(xiàn)“集中監(jiān)控和管理、分散控制、數(shù)據(jù)共享”，以保證整個(gè)水廠的運(yùn)行協(xié)調(diào)、一致。水廠全集成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)包括:管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)、安防及閉路監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)水廠工藝過(guò)程的實(shí)際情況，采用基于SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)的西門(mén)子全集成自動(dòng)化(TIA)技術(shù)，借鑒其在給排水行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建水廠的全集成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)水廠生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，人力資源、設(shè)備儀表、采購(gòu)庫(kù)存等生產(chǎn)要素的信息化，以及廠內(nèi)生產(chǎn)調(diào)度、行政辦公、后勤管理、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)視的網(wǎng)絡(luò)化和可視化，適應(yīng)目前我國(guó)政府部門(mén)和經(jīng)濟(jì)部門(mén)正在推行的電子政務(wù)和電子商務(wù)的需求，將水廠建設(shè)成一座具有高度自動(dòng)化和信息化水平，管理方便的現(xiàn)代化供水企業(yè)。

3 PROFIBUS 通訊簡(jiǎn)介

Profibus既適合于自動(dòng)化系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)單元的通訊，也可用于直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動(dòng)裝置和其它現(xiàn)場(chǎng)儀表設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對(duì)雙絞線替代傳統(tǒng)的大量的傳輸電纜，大量節(jié)省電纜費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及后期維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。目前Profibus提供了三種通訊協(xié)議類(lèi)型：DP、PA和FMS。以下著重介紹在本次工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的支持Profibus DP、Profibus PA通訊協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如何完成與DCS系統(tǒng)之間的通訊。

3.1 Profibus PA通訊

工程中使用了多種西門(mén)子PA總線儀表：SITRANS P(壓力變送器)、SITRANS L(液位變送器)和SITRANS F(電磁流量計(jì))等共30塊。網(wǎng)絡(luò)由DP/PA-LINK、網(wǎng)絡(luò)接頭、終端電阻構(gòu)成，波特率選擇31.25 bit/s。在調(diào)試過(guò)程中，只需對(duì)DP/PA-LINK、PA總線儀表的站地址進(jìn)行設(shè)置便可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的監(jiān)控。Profibus PA是適用于過(guò)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線。采用擴(kuò)展的Profibus DP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。總線可將自動(dòng)化系統(tǒng)和過(guò)程控制系統(tǒng)與壓力、液位和流量變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來(lái)，用來(lái)替代4～20 mA的模擬技術(shù)。不僅能夠讀取大量的信息，還能實(shí)現(xiàn)儀表的遠(yuǎn)程維護(hù)。由于Profibus PA傳輸技術(shù)采用總線供電方式，并可通過(guò)DP/PA-LINK將PA設(shè)備集成到DP網(wǎng)絡(luò)中，因此安裝使用十分方便，同時(shí)節(jié)約大量敷設(shè)信號(hào)電纜的成本。

3.2 Profibus DP通訊

Profibus DP采用RS485接口，Profibus 通訊協(xié)議。以其傳輸速度快，數(shù)據(jù)量大以及良好的擴(kuò)展性等特點(diǎn)，成為目前廣大用戶(hù)普遍采用的通訊協(xié)議。對(duì)于第三方設(shè)備的通訊任務(wù)，需要第三方設(shè)備廠商提供GSD文件。安裝GSD后便具備了完成STEP 7硬件組態(tài)工作的條件。本工程中使用到的支持Profibus通訊的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有：SIEMENS SIMOCODE 智能電機(jī)保護(hù)器、SIEMENS MM440變頻器、SIEMENS ET200M、ABB PST210軟啟動(dòng)器和SIEMENS EM277等。

(1)SIEMENS SIMOCODE 的Profibus 通訊

工程中采用軟件Win-SIMOCODE-DP/Profe-ssional通過(guò)RS232口根據(jù)選用的型號(hào)、機(jī)旁與遠(yuǎn)端控制切換、啟動(dòng)、停止運(yùn)行、控制和通訊數(shù)據(jù)類(lèi)型等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際要求對(duì)SIMOCODE進(jìn)行組態(tài)。使用PCS7-FB SIMOCODE-DP集成到PCS7中實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控的目的。SIMOCODE-DP 3UF5是西門(mén)子公司推出的帶有Profibus接口的電機(jī)控制及保護(hù)裝置。設(shè)備采用微處理器為中央處理單元，具有連鎖、運(yùn)行計(jì)算、診斷、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、過(guò)流保護(hù)和過(guò)流報(bào)警等功能。

(2)ET200分布式I/O通訊

工程中應(yīng)用Profibus技術(shù)將中央控制器和ET200系列(分布式I/O站)和EM277(S7-200標(biāo)準(zhǔn)Profibus接口模塊)連接在一起利用其操作簡(jiǎn)單、通訊穩(wěn)定等特點(diǎn)大大提高I/O部件的智能化水平。ET200用于采集信號(hào)，并將中央處理器的指令傳輸給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。ET200分布式I/O種類(lèi)豐富，功能強(qiáng)大，能夠出色完成各種復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)。

(3)ABB PST210 軟啟動(dòng)器的Profibus 通訊

通過(guò)ABB公司開(kāi)發(fā)的Profibus總線適配器可以輕松的完成系統(tǒng)和軟啟動(dòng)器之間的Profibus通訊。該適配器結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含Profibus接頭部分，因此只要將Profibus通訊電纜接入適配器即可，無(wú)須西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)Profibus接頭。同時(shí)適配器上裝有四盞LED狀態(tài)診斷燈，可準(zhǔn)確的反映出軟啟動(dòng)器與適配器、適配器與系統(tǒng)之間的通訊狀態(tài)，為調(diào)試和維護(hù)提供了極大的方便。由于PST210采用全中文操作，只須將通訊菜單下的參數(shù)按實(shí)際要求設(shè)置就可進(jìn)行通訊，操作直觀使用方便。PST軟啟動(dòng)器是基于最新的微處理器技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的，用于實(shí)現(xiàn)鼠籠電機(jī)的軟啟動(dòng)和軟停車(chē)。它附帶了幾種先進(jìn)的電機(jī)保護(hù)功能。軟啟動(dòng)器可帶或不帶旁路接觸器，大容量的軟啟動(dòng)器配有內(nèi)置旁路接觸器。在緊急情況下，可通過(guò)該接觸器直接啟動(dòng)電機(jī)。

(4)SIEMENS MM440的Profibus DP通訊

Profibus通訊模板是MM440的一個(gè)可選件，通過(guò)這個(gè)通訊模板可以輕松的實(shí)現(xiàn)MM440的Profibus通訊。由于這一模板與變頻器采用一體化結(jié)構(gòu)，并由變頻器直接供電，所以安裝使用起來(lái)十分方便。MM440支持多種類(lèi)型通訊報(bào)文，在本工程中選用了PPO4通訊報(bào)文即6PZD+0PKW。同時(shí)還可以對(duì)PZD區(qū)的返回報(bào)文進(jìn)行組態(tài)，從而方便對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的電流及電壓等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。MM440是西門(mén)子公司推出的一款標(biāo)準(zhǔn)矢量控制變頻器，因其功能強(qiáng)大、對(duì)信號(hào)反應(yīng)快速、配置靈活、信息全面、參數(shù)設(shè)置范圍廣等特點(diǎn)， 倍受用戶(hù)好評(píng)。

4 全集成自動(dòng)化新一代過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7

在本工程中，AS 417-4H以下的現(xiàn)場(chǎng)總線采用冗余Profibus DP進(jìn)行通訊，通過(guò)Y-LINK、DP/PA-LINK轉(zhuǎn)換成與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相同的通訊協(xié)議從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。Redundant OS Server與AS 417-4H之間、OS Client與Redundant OS Server之間采用以太網(wǎng)(100M/s)進(jìn)行通訊，保證了大數(shù)據(jù)量通訊的安全、穩(wěn)定和及時(shí)。通過(guò)OSM預(yù)留了與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊的通訊接口，從而避免了“自動(dòng)化孤島效應(yīng)”，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)內(nèi)部所有自動(dòng)化控制系統(tǒng)全集成自動(dòng)控制。Web Navigator Server 與Web Navigator Client 之間采用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通訊，Web Navigator Client可通過(guò)IE瀏覽器輕松的監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了辦公全集成自動(dòng)化。從而方便了成本核算、原料調(diào)配，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間提高了生產(chǎn)效率。

SIMATIC PCS7的通訊系統(tǒng)采用的是工業(yè)以太網(wǎng)和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線。工業(yè)以太網(wǎng)用于系統(tǒng)站之間的數(shù)據(jù)通訊。SIMATIC PCS7是基于全集成自動(dòng)化思想的系統(tǒng)，其集成的核心是統(tǒng)一的過(guò)程數(shù)據(jù)庫(kù)和唯一的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，所有的系統(tǒng)信息都存儲(chǔ)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中而且只需輸入一次，這樣就大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性和信息的準(zhǔn)確性。SIMATIC PCS7采用優(yōu)秀的上位機(jī)軟件WinCC作為操作和監(jiān)控的人機(jī)界面，利用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信息采集和系統(tǒng)通訊，采用S7自動(dòng)化系統(tǒng)作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場(chǎng)傳感檢測(cè)信號(hào)。SIMATIC PCS7是西門(mén)子公司結(jié)合最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)，在西門(mén)子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，面向所有過(guò)程控制應(yīng)用場(chǎng)合的先進(jìn)過(guò)程控制系統(tǒng)。

SIMATIC PCS7過(guò)程控制系統(tǒng)具備了以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1)友好的、集中的人機(jī)界面。

(2)客戶(hù)/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)。

(3)非常高度的穩(wěn)定性及可靠性。

(4)完全同現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)溶為一體。

(5)全方位的配方功能及批量處理包。

(6)從上到下、集中的組態(tài)方式。

(7)開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，可以同管理級(jí)進(jìn)行通訊。

(8)能可靠、靈活地兼容于老系統(tǒng)。

(9)大容量、高速度的控制器。

5 結(jié)束語(yǔ)

全集成自動(dòng)化(TIA)不僅通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)自身與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的縱向集成，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的橫向聯(lián)系。全集成自動(dòng)化(TIA)提供給我們一個(gè)全模塊化的控制系統(tǒng)，各自部件可進(jìn)行單獨(dú)擴(kuò)展，并能組合在一起形成高集成度的自動(dòng)化操作系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)了水廠在生產(chǎn)、營(yíng)銷(xiāo)和辦公等方面的完美結(jié)合。

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