基于Profibus 通讯技术及SIMATIC PCS7 DCS控制系统对水厂自动化系统设计

(沈阳市给排水勘察设计研究院有限公司，沈阳 110023)

0 引 言

SIMATIC PCS7最佳用于Profibus技术，将分布式现场系统集成在过程控制系统中。Profibus是一种简单、坚固和可靠的现场总线系统，是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率达12M的高速总线Profibus DP和用于过程控制的本安型低速总线Profibus PA。DP和PA的完美结合使得Profibus现场总线在结构和性能优越于其他现场总线。现场总线是自动化领域发展的热点，应用现场总线技术也是水厂智能化设备的发展趋向[1-4]。在水厂电气设备中，现场总线技术已在电动机控制、综合测控仪表及开关保护等智能化元件上广泛应用，并不断发展与完善。SIMATIC PCS7系统是完全无缝集成的自动化解决方案。可以应用于所有工业领域，包括过程工业，制造工业，混合工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品。作为先进的过程控制系统，SIMATIC PCS7 形成了一个带有典型过程组态特征的全集成系统[5-7]。

1 工程概况

沈北新区财落中心镇净水厂工程的生产工艺过程包括:净水厂、水源井。净水厂一期建设规模为日供水50 000 m3主要工艺构筑物有：净水车间、反冲洗水池、清水池、二级泵站、排水池、浓缩回收池、加氯间、污泥储池等。

2 设计原则

系统设计遵循先进性、实用性、可靠性、经济性、开放性的原则，满足供水工程生产管理和水处理工艺对自动化控制的要求。实现“集中监控和管理、分散控制、数据共享”，以保证整个水厂的运行协调、一致。水厂全集成综合自动化系统包括:管理计算机系统、生产过程自动化系统、仪表系统、安防及闭路监控系统。针对水厂工艺过程的实际情况，采用基于SIMATIC PCS7过程控制系统的西门子全集成自动化(TIA)技术，借鉴其在给排水行业内的应用经验，构建水厂的全集成综合自动化系统。实现水厂生产过程的自动化，人力资源、设备仪表、采购库存等生产要素的信息化，以及厂内生产调度、行政办公、后勤管理、生产环境监视的网络化和可视化，适应目前我国政府部门和经济部门正在推行的电子政务和电子商务的需求，将水厂建设成一座具有高度自动化和信息化水平，管理方便的现代化供水企业。

3 PROFIBUS 通讯简介

Profibus既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代传统的大量的传输电缆，大量节省电缆费用，也相应节省了施工调试以及后期维护时间和费用。目前Profibus提供了三种通讯协议类型：DP、PA和FMS。以下着重介绍在本次工程设计中应用到的支持Profibus DP、Profibus PA通讯协议的现场设备如何完成与DCS系统之间的通讯。

3.1 Profibus PA通讯

工程中使用了多种西门子PA总线仪表：SITRANS P(压力变送器)、SITRANS L(液位变送器)和SITRANS F(电磁流量计)等共30块。网络由DP/PA-LINK、网络接头、终端电阻构成，波特率选择31.25 bit/s。在调试过程中，只需对DP/PA-LINK、PA总线仪表的站地址进行设置便可实现对仪表的监控。Profibus PA是适用于过程自动化控制系统的现场总线。采用扩展的Profibus DP协议进行数据传输。总线可将自动化系统和过程控制系统与压力、液位和流量变送器等现场设备连接起来，用来替代4～20 mA的模拟技术。不仅能够读取大量的信息，还能实现仪表的远程维护。由于Profibus PA传输技术采用总线供电方式，并可通过DP/PA-LINK将PA设备集成到DP网络中，因此安装使用十分方便，同时节约大量敷设信号电缆的成本。

3.2 Profibus DP通讯

Profibus DP采用RS485接口，Profibus 通讯协议。以其传输速度快，数据量大以及良好的扩展性等特点，成为目前广大用户普遍采用的通讯协议。对于第三方设备的通讯任务，需要第三方设备厂商提供GSD文件。安装GSD后便具备了完成STEP 7硬件组态工作的条件。本工程中使用到的支持Profibus通讯的现场设备有：SIEMENS SIMOCODE 智能电机保护器、SIEMENS MM440变频器、SIEMENS ET200M、ABB PST210软启动器和SIEMENS EM277等。

(1)SIEMENS SIMOCODE 的Profibus 通讯

工程中采用软件Win-SIMOCODE-DP/Profe-ssional通过RS232口根据选用的型号、机旁与远端控制切换、启动、停止运行、控制和通讯数据类型等现场实际要求对SIMOCODE进行组态。使用PCS7-FB SIMOCODE-DP集成到PCS7中实现可视化监控的目的。SIMOCODE-DP 3UF5是西门子公司推出的带有Profibus接口的电机控制及保护装置。设备采用微处理器为中央处理单元，具有连锁、运行计算、诊断、数据统计、过流保护和过流报警等功能。

(2)ET200分布式I/O通讯

工程中应用Profibus技术将中央控制器和ET200系列(分布式I/O站)和EM277(S7-200标准Profibus接口模块)连接在一起利用其操作简单、通讯稳定等特点大大提高I/O部件的智能化水平。ET200用于采集信号，并将中央处理器的指令传输给执行机构。ET200分布式I/O种类丰富，功能强大，能够出色完成各种复杂的自动化任务。

(3)ABB PST210 软启动器的Profibus 通讯

通过ABB公司开发的Profibus总线适配器可以轻松的完成系统和软启动器之间的Profibus通讯。该适配器结构中已经包含Profibus接头部分，因此只要将Profibus通讯电缆接入适配器即可，无须西门子标准Profibus接头。同时适配器上装有四盏LED状态诊断灯，可准确的反映出软启动器与适配器、适配器与系统之间的通讯状态，为调试和维护提供了极大的方便。由于PST210采用全中文操作，只须将通讯菜单下的参数按实际要求设置就可进行通讯，操作直观使用方便。PST软启动器是基于最新的微处理器技术设计出来的，用于实现鼠笼电机的软启动和软停车。它附带了几种先进的电机保护功能。软启动器可带或不带旁路接触器，大容量的软启动器配有内置旁路接触器。在紧急情况下，可通过该接触器直接启动电机。

(4)SIEMENS MM440的Profibus DP通讯

Profibus通讯模板是MM440的一个可选件，通过这个通讯模板可以轻松的实现MM440的Profibus通讯。由于这一模板与变频器采用一体化结构，并由变频器直接供电，所以安装使用起来十分方便。MM440支持多种类型通讯报文，在本工程中选用了PPO4通讯报文即6PZD+0PKW。同时还可以对PZD区的返回报文进行组态，从而方便对设备运行时的电流及电压等参数进行监控。MM440是西门子公司推出的一款标准矢量控制变频器，因其功能强大、对信号反应快速、配置灵活、信息全面、参数设置范围广等特点， 倍受用户好评。

4 全集成自动化新一代过程控制系统PCS7

在本工程中，AS 417-4H以下的现场总线采用冗余Profibus DP进行通讯，通过Y-LINK、DP/PA-LINK转换成与现场设备相同的通讯协议从而实现对现场设备的实时监控。Redundant OS Server与AS 417-4H之间、OS Client与Redundant OS Server之间采用以太网(100M/s)进行通讯，保证了大数据量通讯的安全、稳定和及时。通过OSM预留了与其它系统进行通讯的通讯接口，从而避免了“自动化孤岛效应”，实现了企业内部所有自动化控制系统全集成自动控制。Web Navigator Server 与Web Navigator Client 之间采用标准的以太网通讯，Web Navigator Client可通过IE浏览器轻松的监视现场生产实际情况，实现了办公全集成自动化。从而方便了成本核算、原料调配，节约了生产时间提高了生产效率。

SIMATIC PCS7的通讯系统采用的是工业以太网和Profibus现场总线。工业以太网用于系统站之间的数据通讯。SIMATIC PCS7是基于全集成自动化思想的系统，其集成的核心是统一的过程数据库和唯一的数据库管理软件，所有的系统信息都存储于一个数据库中而且只需输入一次，这样就大大增强了系统的整体性和信息的准确性。SIMATIC PCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。SIMATIC PCS7是西门子公司结合最先进的计算机软、硬件技术，在西门子公司S5，S7系列可编程控制器及TELEPERM系列集散系统的基础上，面向所有过程控制应用场合的先进过程控制系统。

SIMATIC PCS7过程控制系统具备了以下几个方面的特点：

(1)友好的、集中的人机界面。

(2)客户/服务器的结构。

(3)非常高度的稳定性及可靠性。

(4)完全同现场总线技术溶为一体。

(5)全方位的配方功能及批量处理包。

(6)从上到下、集中的组态方式。

(7)开放的结构，可以同管理级进行通讯。

(8)能可靠、灵活地兼容于老系统。

(9)大容量、高速度的控制器。

5 结束语

全集成自动化(TIA)不仅通过现场总线技术实现了系统自身与现场设备的纵向集成，同时也实现了系统与系统之间的横向联系。全集成自动化(TIA)提供给我们一个全模块化的控制系统，各自部件可进行单独扩展，并能组合在一起形成高集成度的自动化操作系统。从而实现了水厂在生产、营销和办公等方面的完美结合。

[1] 廖常初.PLC编程及应用[M]. 北京：机械工业出版社，2002：135.

[2] 袁海洲. Profibus技术概述[J]. 电工技术，2002：83.

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[4] 袁秀英. 组态控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2003：210.

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