基于Profibus 通訊技術及SIMATIC PCS7 DCS控制系統對水廠自動化系統設計

(沈陽市給排水勘察設計研究院有限公司，沈陽 110023)

0 引 言

SIMATIC PCS7最佳用于Profibus技術，將分布式現場系統集成在過程控制系統中。Profibus是一種簡單、堅固和可靠的現場總線系統，是世界上應用最廣泛的現場總線技術，主要包括最高波特率達12M的高速總線Profibus DP和用于過程控制的本安型低速總線Profibus PA。DP和PA的完美結合使得Profibus現場總線在結構和性能優越于其他現場總線。現場總線是自動化領域發展的熱點，應用現場總線技術也是水廠智能化設備的發展趨向[1-4]。在水廠電氣設備中，現場總線技術已在電動機控制、綜合測控儀表及開關保護等智能化元件上廣泛應用，并不斷發展與完善。SIMATIC PCS7系統是完全無縫集成的自動化解決方案。可以應用于所有工業領域，包括過程工業，制造工業，混合工業以及工業所涉及的所有制造和過程自動化產品。作為先進的過程控制系統，SIMATIC PCS7 形成了一個帶有典型過程組態特征的全集成系統[5-7]。

1 工程概況

沈北新區財落中心鎮凈水廠工程的生產工藝過程包括:凈水廠、水源井。凈水廠一期建設規模為日供水50 000 m3主要工藝構筑物有：凈水車間、反沖洗水池、清水池、二級泵站、排水池、濃縮回收池、加氯間、污泥儲池等。

2 設計原則

系統設計遵循先進性、實用性、可靠性、經濟性、開放性的原則，滿足供水工程生產管理和水處理工藝對自動化控制的要求。實現“集中監控和管理、分散控制、數據共享”，以保證整個水廠的運行協調、一致。水廠全集成綜合自動化系統包括:管理計算機系統、生產過程自動化系統、儀表系統、安防及閉路監控系統。針對水廠工藝過程的實際情況，采用基于SIMATIC PCS7過程控制系統的西門子全集成自動化(TIA)技術，借鑒其在給排水行業內的應用經驗，構建水廠的全集成綜合自動化系統。實現水廠生產過程的自動化，人力資源、設備儀表、采購庫存等生產要素的信息化，以及廠內生產調度、行政辦公、后勤管理、生產環境監視的網絡化和可視化，適應目前我國政府部門和經濟部門正在推行的電子政務和電子商務的需求，將水廠建設成一座具有高度自動化和信息化水平，管理方便的現代化供水企業。

3 PROFIBUS 通訊簡介

Profibus既適合于自動化系統與現場信號單元的通訊，也可用于直接連接帶有接口的變送器、執行器、傳動裝置和其它現場儀表設備，對現場信號進行采集和監控，并且用一對雙絞線替代傳統的大量的傳輸電纜，大量節省電纜費用，也相應節省了施工調試以及后期維護時間和費用。目前Profibus提供了三種通訊協議類型：DP、PA和FMS。以下著重介紹在本次工程設計中應用到的支持Profibus DP、Profibus PA通訊協議的現場設備如何完成與DCS系統之間的通訊。

3.1 Profibus PA通訊

工程中使用了多種西門子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)等共30塊。網絡由DP/PA-LINK、網絡接頭、終端電阻構成，波特率選擇31.25 bit/s。在調試過程中，只需對DP/PA-LINK、PA總線儀表的站地址進行設置便可實現對儀表的監控。Profibus PA是適用于過程自動化控制系統的現場總線。采用擴展的Profibus DP協議進行數據傳輸。總線可將自動化系統和過程控制系統與壓力、液位和流量變送器等現場設備連接起來，用來替代4～20 mA的模擬技術。不僅能夠讀取大量的信息，還能實現儀表的遠程維護。由于Profibus PA傳輸技術采用總線供電方式，并可通過DP/PA-LINK將PA設備集成到DP網絡中，因此安裝使用十分方便，同時節約大量敷設信號電纜的成本。

3.2 Profibus DP通訊

Profibus DP采用RS485接口，Profibus 通訊協議。以其傳輸速度快，數據量大以及良好的擴展性等特點，成為目前廣大用戶普遍采用的通訊協議。對于第三方設備的通訊任務，需要第三方設備廠商提供GSD文件。安裝GSD后便具備了完成STEP 7硬件組態工作的條件。本工程中使用到的支持Profibus通訊的現場設備有：SIEMENS SIMOCODE 智能電機保護器、SIEMENS MM440變頻器、SIEMENS ET200M、ABB PST210軟啟動器和SIEMENS EM277等。

(1)SIEMENS SIMOCODE 的Profibus 通訊

工程中采用軟件Win-SIMOCODE-DP/Profe-ssional通過RS232口根據選用的型號、機旁與遠端控制切換、啟動、停止運行、控制和通訊數據類型等現場實際要求對SIMOCODE進行組態。使用PCS7-FB SIMOCODE-DP集成到PCS7中實現可視化監控的目的。SIMOCODE-DP 3UF5是西門子公司推出的帶有Profibus接口的電機控制及保護裝置。設備采用微處理器為中央處理單元，具有連鎖、運行計算、診斷、數據統計、過流保護和過流報警等功能。

(2)ET200分布式I/O通訊

工程中應用Profibus技術將中央控制器和ET200系列(分布式I/O站)和EM277(S7-200標準Profibus接口模塊)連接在一起利用其操作簡單、通訊穩定等特點大大提高I/O部件的智能化水平。ET200用于采集信號，并將中央處理器的指令傳輸給執行機構。ET200分布式I/O種類豐富，功能強大，能夠出色完成各種復雜的自動化任務。

(3)ABB PST210 軟啟動器的Profibus 通訊

通過ABB公司開發的Profibus總線適配器可以輕松的完成系統和軟啟動器之間的Profibus通訊。該適配器結構中已經包含Profibus接頭部分，因此只要將Profibus通訊電纜接入適配器即可，無須西門子標準Profibus接頭。同時適配器上裝有四盞LED狀態診斷燈，可準確的反映出軟啟動器與適配器、適配器與系統之間的通訊狀態，為調試和維護提供了極大的方便。由于PST210采用全中文操作，只須將通訊菜單下的參數按實際要求設置就可進行通訊，操作直觀使用方便。PST軟啟動器是基于最新的微處理器技術設計出來的，用于實現鼠籠電機的軟啟動和軟停車。它附帶了幾種先進的電機保護功能。軟啟動器可帶或不帶旁路接觸器，大容量的軟啟動器配有內置旁路接觸器。在緊急情況下，可通過該接觸器直接啟動電機。

(4)SIEMENS MM440的Profibus DP通訊

Profibus通訊模板是MM440的一個可選件，通過這個通訊模板可以輕松的實現MM440的Profibus通訊。由于這一模板與變頻器采用一體化結構，并由變頻器直接供電，所以安裝使用起來十分方便。MM440支持多種類型通訊報文，在本工程中選用了PPO4通訊報文即6PZD+0PKW。同時還可以對PZD區的返回報文進行組態，從而方便對設備運行時的電流及電壓等參數進行監控。MM440是西門子公司推出的一款標準矢量控制變頻器，因其功能強大、對信號反應快速、配置靈活、信息全面、參數設置范圍廣等特點， 倍受用戶好評。

4 全集成自動化新一代過程控制系統PCS7

在本工程中，AS 417-4H以下的現場總線采用冗余Profibus DP進行通訊，通過Y-LINK、DP/PA-LINK轉換成與現場設備相同的通訊協議從而實現對現場設備的實時監控。Redundant OS Server與AS 417-4H之間、OS Client與Redundant OS Server之間采用以太網(100M/s)進行通訊，保證了大數據量通訊的安全、穩定和及時。通過OSM預留了與其它系統進行通訊的通訊接口，從而避免了“自動化孤島效應”，實現了企業內部所有自動化控制系統全集成自動控制。Web Navigator Server 與Web Navigator Client 之間采用標準的以太網通訊，Web Navigator Client可通過IE瀏覽器輕松的監視現場生產實際情況，實現了辦公全集成自動化。從而方便了成本核算、原料調配，節約了生產時間提高了生產效率。

SIMATIC PCS7的通訊系統采用的是工業以太網和Profibus現場總線。工業以太網用于系統站之間的數據通訊。SIMATIC PCS7是基于全集成自動化思想的系統，其集成的核心是統一的過程數據庫和唯一的數據庫管理軟件，所有的系統信息都存儲于一個數據庫中而且只需輸入一次，這樣就大大增強了系統的整體性和信息的準確性。SIMATIC PCS7采用優秀的上位機軟件WinCC作為操作和監控的人機界面，利用開放的現場總線和工業以太網實現現場信息采集和系統通訊，采用S7自動化系統作為現場控制單元實現過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現場傳感檢測信號。SIMATIC PCS7是西門子公司結合最先進的計算機軟、硬件技術，在西門子公司S5，S7系列可編程控制器及TELEPERM系列集散系統的基礎上，面向所有過程控制應用場合的先進過程控制系統。

SIMATIC PCS7過程控制系統具備了以下幾個方面的特點：

(1)友好的、集中的人機界面。

(2)客戶/服務器的結構。

(3)非常高度的穩定性及可靠性。

(4)完全同現場總線技術溶為一體。

(5)全方位的配方功能及批量處理包。

(6)從上到下、集中的組態方式。

(7)開放的結構，可以同管理級進行通訊。

(8)能可靠、靈活地兼容于老系統。

(9)大容量、高速度的控制器。

5 結束語

全集成自動化(TIA)不僅通過現場總線技術實現了系統自身與現場設備的縱向集成，同時也實現了系統與系統之間的橫向聯系。全集成自動化(TIA)提供給我們一個全模塊化的控制系統，各自部件可進行單獨擴展，并能組合在一起形成高集成度的自動化操作系統。從而實現了水廠在生產、營銷和辦公等方面的完美結合。

[1] 廖常初.PLC編程及應用[M]. 北京：機械工業出版社，2002：135.

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