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案例详细
标题基于PROFIBUS现场总线和WinCC过程监控的楼宇自控系统
技术领域
行业
简介随着现场总线技术的快速发展，在楼宇自控系统中采用带过程监控的PLC控制系统取代传统的DDC控制可以获得较高的可靠性、实时性及友好的人机界面，本文结合具体的工程实例，提出了基于PROFIBUS现场总线及WinCC监控软件的楼宇自控系统。
内容

 

 

1 引言

    楼宇自控系统（BAS）是智能建筑的一个重要组成部分，是建立在4C技术（即计算机技术、控制技术、通信技术和图形显示技术）基础上的，对建筑物内的空调系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、供热系统以及电梯等机电设备进行监控管理的计算机系统。现代建筑内分布有大量的设备，控制对象多达数千点至几万点，如果采用传统分散控制的方式进行监控和测量，将会产生诸如增加开支、效率低下、响应缓慢、联动功能及系统扩展性差、故障点多、故障率高、基本没有历史事件及报警记录功能等很多问题。近几年快速发展的现场总线技术使得在楼宇自控系统中采用带过程监控的PLC控制系统取代传统的DDC控制可以获得较高的可靠性、实时性及友好的人机界面，功能更强大、系统组织更灵活、扩展性更强，从而可以避免系统重复投资，创造高效、安全及高性价比的智能化建筑。


2 PROFIBUS现场总线在楼宇自控系统中的应用

    PROFIBUS 总线是西门子公司开发的开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，具有协议简单开放、容错能力强、安全性好、成本低等优势，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等其他领域自动化，可承担现场、控制、监控三级通信。PRO- FIBUS 现场总线网络共有三种协议方式,分别为 FMS、DP 和 PA, 用户可根据不同的控制对象灵活地选取不同的总线，其中 PROFIBUS-DP 是一种高速低成本通信网络，使用 PROF- IBUS-DP 可取代 24VDC 或4-20MA 信号传输，尤其适用于可编程控制器 PLC 与现场分散外设间的通讯。本文结合北京朝外 MEN 财贸中心项目具体地介绍如何用 WinCC 过程监控软件和 PROFIBUS-DP 系统及来实现智能化楼宇自控。


2.2.1 设计思想及网络结构

    北京朝外 MEN 财贸中心工程位于北京东二环CBD的核心区域，总建筑面积12万平方米。大楼的控制内容主要包括冷冻站及换热站监控系统、给排水监控系统、送排风及新风监控系统、变配电监视系统，总监控点数1200点左右。根据项目的控制内容及系统对可靠性、实时性、后期的易维护性以及投资成本等方面的要求，系统没有采用常规的 DDC 楼控系统，而是采用工业级的 PLC 控制器及 PROFIBUS―DP 总线，不仅使系统的从站大大减少，而且把系统的各部分组成一个有机统一体，有利于增加系统的集成度，提高可靠性。在上位PC采用 WinCC 过程监控软件编制灵活便捷的人机界面对系统进行实时监控。
    监控系统网络结构采用带 WinCC 监控的单主站PROFIBUS-DP系统，主站 CPU412-2DP 设在负三层冷冻机房，同时集成有一个DP接口和一个MPI接口,通过 PROFIBUS-DP 系统负责整个BAS的通讯和数据处理，并与上位 PC 机通过MPI协议进行通讯，从而实现在上位PC对系统的22个DP从站（3个ET200M,19个CPU224+EM277）进行监控。PC主要运行组态软件包STEP7及WinCC过程监控软件并对设备进行硬件配置，它不仅能提供主从站诊断、从站输入和输出读入、组态数据读入和从站地址更改等服务，还能对各个从站进行监控。


2.2.2 系统组网

    系统组网时，首先进行硬件选择及物理搭建,用STEP7软件进行系统硬件的配置，并应用语言编辑器编制必要的控制功能，在硬件诊断通过的基础上,通过MPI接口完成程序的下载到系统主站，最后在工控机上用WinCC软件与STEP7进行连接并组态人机界面。本系统组网流程见图1。


                                      图1网络组态流程图

                                             
    因系统对实时性、可靠性要求较高，点数较多，控制也较复杂，主站不仅要有很强的通信功能而且还要为大楼今后的功能扩展留有余地，为此，系统选用CPU412 -2DP作为主站，它具备系统所需要的强大的通信功能（同时集有DP和MPI接口），并且运行速度高、存储量大、I/O扩展功能强，可保证系统信息的采集、综合分析和传送能够可靠、准确地进行。
    从站需要根据各站的具体控制要求，在分布式I/O―ET200及S7-200中选择，其中ET200是为实现远程控制而设置在现场的扩展总线接口模块，它的优势在于能在非常严酷的环境（酷热、严寒、强压、潮湿或多粉尘）中使用，可节省费用昂贵的抗电磁干扰设施并且只需要很小的空间，其机架与S7-300系列相同，可以扩展出更多的控制点，但其本身只是一个相当于网关性质的接口模块，必须依靠主站存储程序，如果主站故障则从站瘫痪，因此组网时把负三层冷冻机房/换热站/送排风机控制站、3#楼楼顶冷却塔就地控制箱及负三层排污控制站采用ET200M。而对其他独立性较强的从站，则选用可以进行自由编程、不依靠主站而独立工作的CPU224 +EM277 作为从站，在主站出现故障的情况下，S7-200只是不能跟主站进行数据交换，但并不影响S7-200从站所控制的子系统进行独立工作。组态后的系统如图2所示。




                                                     图2 组态后的网络系统
                                               



2.3 系统通信网络配置

    通信网络配置在整个楼宇自控系统中处于极其重要的地位，是决定系统能否正常运行的关键。该系统的通信网络采用两种方式：主站与从站之间采用 PROFIBUS―DP 网络；上位 PC 与主站之间进行 MPI 通信。此种通信网络配置在该楼宇自控系统中可获得最高的性价比。


2.3.1 主、从站之间 PROFIBUS-DP 通信网络配置

    PROFIBUS-DP通信网络配置分为软件配置和硬件配置两部分。软件配置是通过STEP7编程软件对S7-400进行配置，其中包含自身PROFIBUS-DP网络地址、通讯速率、从站数量、从站类型、输入输出数据的格式以及从站需要的任何参数信息；在初始化启动PROFIBUS-DP从站时,主站将参数赋值信息和I/O配置写入到从站,然后再从从站读出诊断信息,并验证DP从站已接收参数和I/O配置,接着主站开始与从站交换I/O数据,这种数据交换方式无限期地继续下去,如有例外事件,从站会通知主站。主站通过将其输出区的信息发送给从站的输出缓冲区,与每个从站交换数据。从站将其输入缓冲区的数据返回给主站的输入区,以响应来自主站的信息。根据用HWConfig程序进行现场设备硬件组态时所分配的地址,输入/输出数据可通过过程映象直接交换或者通过I/O存取命令进行数据交换。软件配置完成后,接入监控信号在CPU中的对应地址将会自动生成。

在硬件方面，主站利用DP口与从站通讯，它充分体现分布式的特点及PROFIBUS总线中PLC控制网络常用的两种主-从站通信方式:对于ET200M形式的从站，直接使用ET200M的通讯口进行通讯，CPU 应用“周期I/O”方式通信,主站访问从站与访问本地I/O完全一致；而对于S7-200形式的从站，则需加装EM277 PROFIBUS-DP模块及安装EM277.gsd文件，对要交换的变量进行连接并通过EM277 PROFIBUS-DP模块将主从数据进行交换才能进行通讯。硬件配置主要是将EM277 PROFIBUS-DP从站模块的拨码开关设置与软件配置相匹配。


2.3.2 主站与上位 PC 之间的 MPI 通讯配置

   

    装有WinCC监控软件的上位PC要与自动控制网络建立通讯连接，必须满足三个条件：为PLC选择与WinCC进行通讯的合适的通讯模块；为装有 WinCC 的 PC机选择合适的通讯处理器及在WinCC项目上选择通道单元。该系统中主站采用同时集成有DP接口和MPI接口的CPU412- 2DP，上位PC机装有CP5611通讯卡及WinCC监控软件。主站与上位PC采用MPI通讯网络进行通讯。上位机WinCC与PLC之间的通信主要是采用S7协议中的SIMATIC S7 Protocol Suite协议通道来实现。


2.4 WinCC监控程序设计

    WinCC软件提供了适宜于过程控制的图形显示、消息、归档以及报表等功能，还提供了开放的界面用于用户解决方案。为了获得集中、快速、安全、经济的运行系统，系统中PC机既用作进行数据处理的服务器，又用作操作员输入站，在PC机上应用WinCC过程监控软件组态人机界面以完成对数据的实时采集和处理，从而对各从站进行监控。

为了使监控稳定、快速、可靠，系统中从站与PC的通信只能通过主站进行,即从站的数据只有采集到主站以后才能与WinCC用户程序交换。监控程序设计之前先实现WinCC与STEP7的动态连接，然后根据具体的过程控制任务，利用WinCC完成各种显示画面和数据的组态。用WinCC进行监控的子系统主要包括：冷冻站及换热站控制系统、给排水监控系统、送排风及新风控制系统、变配电系统。根据各个子系统的具体情况，由WinCC对22个从站分别进行监控，每个从站均含有一幅或几幅画面用来显示要监视的信号,这些信号有些把实际数值直接显示在屏幕上,有些则是通过其它的形式来展示。本文仅以新风控制系统为例，来显示 WinCC 监控软件如何实现网络控制。

新风系统的监控内容除了常规风机的运行/停止，故障/正常，手动/自动状态，同时远程启停风机之外，还包括对新风机风阀状态的监视，对过滤网堵塞及对新风机表冷器盘管的低温报警，以及根据送风的湿度信号对加湿器的控制和根据送风的温度信号对冷冻水管上电动调节水阀的控制。在组态画面时，为了使控制中心工作人员能快速、高效地掌握和操作所有应该显示的信息，我们把控制变量组态在两个层次并且可以相互切换的画面上：一层是新风机组的总览图，三个单元（A、B、C）的56台新风机组的的运行状态、故障状态、手自动状态和送风温度等变量均被组态在该画面上，控制者可以对整个BAS中新风机组的总体状况一目了然；另一层是各个楼层的新风机组的具体的运行过程画面（如图3）。此画面中可以很直观地观察到该新风机组的运行状态，当新风机的动力箱的手动/自动开关打到自动位置时，还可以进行相关参数的设定。在系统运行期间，各个画面之间可以互相自由切换，相当方便。


                   图3  新风机组的运行过程画面及参数设定人机界面


4 结语

系统自投入运行至今各部分功能正常,运行可靠、稳定。PLC各种逻辑控制准确迅速,状态控制平稳,WinCC组态系统实时监控及时准确,历史数据维护管理效果良好,从而提高了楼宇自动化的控制管理水平。这种基于PROFIBUS现场总线和WinCC过程监控的楼宇自控系统无论从节省布线、提高精度、简化结构和经济合理性等方面均具有较大的优越性，具有较优的性价比及较好的工程及设计借鉴性。

参考文献:

[1]阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京:清华大学出版社,1999.

[2]SIEMENS公司.Introduction to PROFIBUS Industrial Commu2nication SIMATIC NET Manual[Z].1998.

[3]廖常初．S7-300/400 PLC应用技术．北京：机械工业出版社，2005．

[4] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出西门子WinCC V6(第2版)．北京:北京航空