基于PROFINET的烟厂电力监控系统设计--控制网



基于PROFINET的烟厂电力监控系统设计
企业：控制网 日期：2009-05-18
领域：PLC&PAC 点击数：2784






王德吉 （1975-）

男，河南郸城县人，博士，中国烟草总公司职工技术培训中心高级培训师、高级电气培训师，中科院智能所高级访问学者、郑州大学电气学院兼职教授。中国自动化学会高级会员、IFAC会员，中国烟草学会会员。主要研究方向为烟草信息化与自动化。

项目资助：本文由国家自然科学基金资助项目(60075022)支持。

摘要：为提高烟厂电力监控系统的自动化程度和可靠性，提出了基于PROFINET烟厂电力监控系统：把仪表、组态软件与PROFINET结合。该系统将硬件电路组装在开关柜中，通过组态软件开发设计监控软件，显示系统的配置及各种电气参数，实时控制现场各用电设备，实现配电网数据采集、监控和管理。整个系统集成度高，能满足烟厂电力监控系统分散化、网络化、智能化的要求。

关键词：PROFINET；仪表；组态软件；卷烟厂；PLC

Abstract: To improve the automation and reliability of power monitoring system of 
cigarette factory, a new monitoring system was proposed by integrating instrument,
 monitor software & PROFINET. The hardware was installed in a switchcupboard, and 
the monitor was developed in configuration software, which  can display the system
 configuration & electrical parameters, control the electrical devices in real time.
 The system can also collect, monitor and manage the distribution network data. The 
whole system has high integration, can meet the industry power monitoring system’s 
requirements in decentralization, network& intelligence.

Key words: PROFINET; instrument; configuration software; cigarette factory; PLC

    卷烟厂电力监控系统是整个烟厂安全、优质、高效运行的重要保证。随着计算机及电子技术的迅猛发展和日益成熟，性能先进，运行可靠稳定的微机综合自动化系统得到广泛的应用，逐步替代了传统的继电保护与自动化设备。微机保护与常规继电保护的根本区别在于其实现了数字化，即通过对主设备运行状态参量的实时、快速数字处理，完成故障诊断、保护动作。但还存在数据传送速度低、数据利用率不高。本文提出了一种利用当今先进的PROFINET，组态技术和可编程计算机控制器技术的烟厂自动化监控系统，确保复杂的烟机设备启停控制，变压器保护等系统得以可靠的实现。同时以模块化的设计保证系统功能的灵活扩充。该系统功能层次更加清晰，安全可靠性更高。论文首先给出了控制网络的选择，第二部分给出了系统概况，第三部分给出了硬件选择，第四部分给出了软件设计，最后给了总结。

1 控制网络的选择

    为了快速反映电力监控信息，这就需要根据烟厂范围内的连续信息流，用于战略决策: 从生产第一线，到工厂控制层，直到管理层。因此信息技术，特别是基于电力监控的信息技术将成为推动生产效率、降低损坏率和增强企业创新的主要力量。采用基于工业以太网的开放式、跨供应商标准的PROFINET 。PROFINET由PROFIBUS国际组织推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。作为一项战略性的技术创新，PROFINET为自动化通讯领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的最新技术，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资[1] 。

    由具有网络管理功能和三层交换路由功能的工业以太网交换机组成冗余光纤环网作为车间级的主干通讯网络网，主要用于各控制系统间的网络通讯和控制系统与集中监控系统间的通讯。网络介质采用高速无干扰的多模光纤，构建千兆高速网[2] 。

    按照各控制系统的控制范围划分，采用工业以太网交换机为各工段控制系统构建星型控制子网络，以提供各控制段主控器件和IO站点间的网络通讯。各控制子网可通过交换机接入主干网。

    为集中监控系统构建子网络，该网络一方面通过以太网交换机接入车间主干网，完成集中监控系统和控制系统间的网络通讯；另一方面通过交换机或Web服务器与厂级网络连接，为厂级数据通讯提供网络接口，同时在与厂级网接口处安装硬件防火墙，以保护集控系统和控制系统安全，防止来自厂级网和Internet的侵害。

    所有网络设备采用双路供电，以保证网络设备具备冗余电源供应，确保网络的稳定可靠。

    因为局域网交换机只能对确定目的地址的分组进行单独信息交换，而各站点发送数据包之前都要广播查询所要到达目的地的MAC地址，同时，由于大量应用层软件需要广播传送某些数据包，而这些数据广播包只须发向某一组用户，此时如果没有VLAN，这些数据包会很快占用整个网络大量的资源，仍然象集线器一样，向交换机的所有端口上转发广播信息。使得正常数据包无法抢得正常带宽，严重影响到网络效率及性能，因此必须使用VLAN技术[3] 。

2 系统概况

    根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将烟厂电力监控系统分为管理级、控制级、现场级。系统简图如图1所示。

    管理级：管理级是系统的核心部分，完成对烟厂电力监控过程各部分的管理和控制 ，并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口，是整个控制系统与外部信息交换的界面 。管理级的工业计算机具有相互通讯的功能，实现数据交换或共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器（Client／Server）的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方式的要求。服务器具有远程控制操作功能、状态显示功能、数据处理功能、报警功能、报表功能、通讯功能和冗余功能等。烟厂电力车间中心控制室中设备包括：两台安装Siemens公司WinCC监控组态软件的冗余服务器作为上位机 ，安装有WinCC组态软件的完全版以及冗余软件包，两台服务器互为备用，实现冗余，提高系统的可靠性。装有WinCC运行版的PC机作为监控工程师操作站。这种配置的最主要的优点是保证数据的完整性和监控操作的连续性。

                                图1   系统简图

    控制级：控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层。 其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，对烟厂电力状况监控 ，同时将现场状态输送到管理层。控制器是整个系统的核心，所以在控制级中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC组成，采用光纤和交换机构建成数据交换网络， CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口，通过该接口连接I/O现场设备，STEP7包含有所需的驱动，也可以延伸到低端PROFIBUS上的设备，而无需重新连接编程器。现场设备也能够使用额外集成的PROFIBUS接口进行连接，而且，PROFINET接口可以用于单元级的通讯。PRIFINET CPU 能够使用STEP7在工业以太网上通过编程器/PC进行编程。

    现场级：现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表（如继电器的电压、电流等遥测量，以及开关、保护状态等量）、控制设备等组成。其功能主要是对系统设备的状态、传感器参数进行监测，并把监测到的数据上传；接受控制级的指令对执行机构进行控制。由于控制设备比较分散，在传统的工厂内，输入／输出设备连接到一个集中的机架，在设备改变和系统扩展时，导致接线工作量大，成本高，柔性度低。通过开放的、标准化的现场总线PROFIBUS系统来连接现场控制部件(一些控制设备可能是第三方厂商提供)，是解决这些问题的最佳方案。分布式配置意味着可编程序控制 、I/O模块和现场设备通过PROFIBUS_DP现场总线的信号电缆连接。将输入/输出模块转换成就地监测器和执行器，可就地转换和处理过程信号。从而保证了控制级与现场级控制设备的独立和兼容 ，同时解决了与第三方设备通讯问题。 

    如果一个WinCC服务器出现故障，该服务器的客户机（工作站）自动从发生故障的服务器切换到备用的服务器上，使所有的客户机始终可以监控生产过程，修复后的服务器回到系统后，自动实现归档数据的匹配，管理级与控制级的数据交换均采用了工业以太网，真正体现了公司范围内从办公区域到现场级的集成通讯。所有相关用户都可随时随地访问到该服务器，了解各工厂电力的配电状况。

3 硬件选择

    正常情况下，PLC、现场I/O等器件，选用符合IEC标准的产品即可。不过，因采用了最新的工业以太网PROFINET，相关器件的接口就有了新的要求。PLC要求具备PROFINET接口，现场I/O子站的耦合器要求具备PROFINET接口。此外，交换机要求支持PROFINET功能，这样才能传送实时信号。其中，PLC主站采用的是S7-300/400PLC；远程 I/O 采用支持PROFINET技术的ET200S。

    控制层骨干网络由最新的SCALANCE X系列交换机搭建灵活构建电气或光学工业以太网；网络拓扑结构、类型以及端口数量都可很容易地适配工厂布局。它有高度的网络可用性；即使故障时，也能通过非常快速的网络重新配置（<0.3 秒），可靠通讯 ；通过SC 接口（千兆以太网）、ST 接口（快速以太网）以及预装配光纤，可实现简便的光纤连接技术 ；无需进行传输时间的计算就可以简单地进行网络组态；应用信号触点、数字量输入、SNMP 以及电子邮件和PROFINE IO 诊断功能，监视和诊断都十分简便；通过在SIMATIC 系统故障报文概念SFM的集成，降低SPS/HMI工程费用 [4]。

    其中SCALANCE X 200 连接PROFINET网络，骨干网采用SCALANCE X414-3E形成一个环形的光纤冗余网络，保证在网络上一点发生故障时正常通讯。也可以在不中断通信的情况下，随时进行网络扩展，充分的保证系统的可靠性。SCALANCE X400型交换机为上层管理网络提供了千兆的通讯接口，也为各个子系统的集成提供了一个开放的平台。该型交换机全面支持VLAN和路由功能，有效的减轻网络负载和防止网络风暴的发生。进一步提升了网络的可靠性。连接控制网络和厂区外部网的SCALANCE S模块能够隔离内网和外网的非安全连接。有效屏蔽外网的非授权访问和其它不安全信息的传播，同时又能保障有效信息的通讯。由于所有的分系统，都采用PROFINET网络，统一了所有现场设备的接口，实现了多网合一。统一的PROFINET系统接口，使得整个车间处于集中监控状态，增强了整个系统的透明度，有效数据采集和传输也更为方便和快捷。这些都为设备管理提供了极大的便利。同时，编程中引入CBA概念，各个分系统分别作为各自独立的组件，再通过IMAP软件将它们连接成一个统一的系统。极大的简化和方便了通讯编程和调试的复杂程度，节约了大量时间。大量西门子工业级光纤和工业级连接辅件的使用，也让网络的每一个细小连接牢不可断。

4 基于现场总线的监控软件设计

    通过工业以太网，具有与多台下位机系统通讯的能力，实时监控多台下位机的工作状态 ，显示生产过程中的工作曲线；具有远程控制能力；向下位机采集数据，对历史数据进行存储、查询、显示、打印等。因此，在一个自动监控系统中，运行的监控组态软件是系统的数据收集处理中心、远程监视中心和数据转发中心，与各种控制、检测设备（如PLC、智能仪表等）共同构成能快速响应的控制中心。本系统选用了Siemens公司WinCC(Windows Control Center)6.0组态软件[5]。WinCC具有控制自动化过程的强大功能，是基于个人计算机，同时具有极高性价比的SCADA级操作监视系统 。在两台服务器上安装服务器版和冗余软件包，工作站上安装运行版。

    Wincc监控软件通过与综合保护继电器、PLC等I/O设备进行通讯获取信息。输入输出的数值存放在I/O设备的寄存器中，寄存器通过其地址进行引用。大多数I/O设备提供与其他设备或计算机进行通讯的通讯端口或数据通道，监控软件通过这些通讯通道读写I/O设备的寄存器，采集到的数据可用于进一步的监控，不需要读写I/O设备的寄存器。监控软件提供了一种数据定义方法，定义了I/O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、趋势分析、数据记录和报警显示。

    运行报警和事件记录是控制软件必不可少的功能，当变量的数值或数值的变化异常时，将产生报警，以便操作者采取必要的措施。监控软件提供强有力的报警和事件系统，并且操作方法简单。监控软件中的报警和事件主要包括变量报警事件、操作事件、用户登录事件和工作站事件。通过这些报警和事件，用户可以方便地监视和查看系统的报警、操作和各个工作站的运行情况。当报警和事件发生时，监控软件把这些事于内存中的缓冲区中，报警和事件在缓冲区中是以先进先出的队列形式存储，所以只有最近的报警和事件在内存中。当缓冲区达到一定数目或记录定时时间到时，系统自动将报警和事件信息写到报警存储文件、打印机或数据库中(请注意：要先定义是否存储到文件、数据库或直接输出到打印机)。报警和事件在报警窗中会按照设置的过滤条件实时显示出来。通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。改造后监控系统的新功能如下：

4.1 历史报警记录查询功能使 

    过去的监控报警信息报出的信息是按时间顺序简单排列，对各类信息没有分类选择性。改造后的监控软件中既可以显示当前的报警，也可以显示历史的报警事件。同时对每一个变量的报警，可以规定报警的报警类型。信息还可以用文件的形式进行历史记录或实时打印报警信息。可以通过选择起始时间和终止时间以及报警类型调取设备的历史事件记录，对事故的过程分析有更准确的依据。历史报警查询画面如图2所示。 

4.2 通过故障录波分析故障时的状态

    电力继电保护使用综合保护继电器后，具有了自动故障录波的功能。此次监控改造在监控软件设置了读取故障录波的功能。利用故障录波软件读取综合保护继电器录下的故障前后几十个周波的跳闸电流、电压波形，分析继保动作的准确性。对于电机启动时过流保护动作状态以及“晃电”时BZT(备自投)动作的过程分析，都有了过去不可能获取的准确依据。

                                图2   电机历史报警查询画面

4.3 利用历史曲线分析电机运行状况

    原监控系统信息采集方式采用的是查询式，没有实时数据，因而无法显示历史曲线。改造后的系统具有实时和历史数据库，能够显示长达3个月的历史曲线。通过观察历史曲线，电机在运行中如果在负荷变化不大的情况下电流(温度) 发生明显变化，就必须分析原因。在电机本体或者轴承发生损毁前解决故障。通过观察电机电流的历史曲线了解电机运行的状况和趋势。　　

4.4 电机累计运行时间的记录

    维修规程上要求电机运行一定时间后下线检修一次。监控软件上记录的累计运行时间是安排检修周期的准确依据。改造后通过新增的组态画面可以看到电机累计运行的时间，电机检修后通过系统管理员按钮对此数据清零。

4.5 通过逻辑状态显示来查找二次回路故障

    过去的监控系统能够反映仪表信号的有无，但对综保继电器内许多开关、状态量无法监视。改造后增加了一些组态画面，实现了许多状态量的显示。在二次回路出现故障时，通过分合闸逻辑图中各控制点的状态来综合分析、查找二次回路的故障点。可以通过各逻辑状态的显示，了解HA301高低速电机合闸逻辑中控制点的状态(深色为“1”，浅色为“O”)。当电机无法合闸时。可以利用此组态画面分析是那个条件尚未满足。 

4.6 电力系统信息的集中监控和发布

    过去在各变电所的监控系统都是“各自为政”，各类通讯协议的系统无法实现数据共享。这不符合未来电气值班人员精简和系统集中监控的发展趋势。此次改造建立了各变电所之间的光纤网络连接，为信息共享做好了物理平台。软件系统的改造使各变电所的微机成为I/O信息服务器，通过集中监控微机的软件，读取各处的信息量，实现2#总降监控机对全厂电力系统的集中监控。改造后的软件具有Web信息发布的功能，过去调度只有听取电气值班人员汇报，现在可以了解到全厂电力系统状况，这对电力系统事故状态下的调度指挥也很有益处。

5 结束语

    经过科学的设计、安装和调试，整套系统达到了预期的功能。通过监控系统实现了控制各种仪表、PLC、单片机；实现对配电网数据采集、监控和管理；同时具备报警处理等功能。友好的界面操作系统和简易的操作，使系统更具有人性化。而且，本系统将硬件设备组装在自行设计的通用开关柜中，实现集中管理，同时也便于系统的维护与更换，提高产品的模块化、标准化、层次化，便于系统的扩展。

    采用基于PROFINET构成计算机监控系统，使系统结构简洁灵活，可靠性高，根据不同的现场情况与用户要求，本系统可扩展为不同的模式。整个系统集成度高，能满足工业控制系统分散化、网络化、智能化的要求，可极大地提高工业控制现场的自动化水平。

    采用组态软件，减少了电力设备状态监视对人力依赖，降低了人力的成本，提高了经济效益。为电力系统的生产运行和管理提供了科学、准确的依据。

其它作者：

边永生（ 1970-），男，河南方城人，本科， 中国烟草总公司职工技术培训中心高级培训师，主要从事烟草机械信息化研究。

栗卫军（ 1971-）男，河南驻马店人，硕士，中国烟草总公司职工技术培训中心高级培训师，主要从事数据挖掘研究。


参考文献

[1] 西门子PROFINET系统说明书. A5E00879148_01 2006/10冯国华. 监控组态软件及其应用[M].北京：清华大学出版社，2001.

[2] 张杰. 工业以太网PROFINET革新制丝线的电控系统[J].自动化博览，2008(2):98-99.

[3] 吴爱国.工业以太网的发展现状[J].信息与控制，2003，32(5):458-461.

[4] 冯冬芹.Ethernet与工业控制网络[J].仪器仪表学报，2003，24(1):23-26.

[5] 西门子(中国)有限公司. SIEMENS WinCC V6.0编程手册[Z]. 北京: SIEMENS公司，2007.
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