PROFIBUS与WinCC在地源热泵群监控系统中的应用

张蓉蓉　刘旭

摘 要： 针对地源热泵群监控系统自动化的问题，提出了一种基于PROFIBUS?DP总线和组态软件技术的地源热泵群监控系统设计方案。系统以装有WinCC控制软件的PC机监控整个网络，一台S7?300PLC作为整个网络的主站，每个从站利用S7?300PLC实现对各个热泵机组的运行控制。该系统具有可靠性高、可维护性强、监控界面形象配置更容易、画面效果更逼真，程序运行更安全等优点。测试组实验结果证明：该设计能够满足监控系统的指标要求，能够很好地完成对地源热泵群工作温度等参数的监控任务。

关键词： 地源热泵群； 监控系统； PROFIBUS?DP； WinCC

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）12?0107?03

Abstract： To solve the issue of automatic monitoring system for ground source heat pump group， a monitoring system based on PROFIBUS?DP and configuration software technology is put forward in this paper. The system monitors the entire network with a PC equipped with WinCC control software. A S7?300 PLC serves as the master station of the whole network. Each slave station makes use of S7?300PLC to control all heat pump units. The system is characterized by high reliability， perfect maintainability， easier image monitoring interface configuration， more vivid pictures， safer program running， etc. Experimental results of the test group show that the design is able to meet the requirements of all indexes of the monitoring system， and can fulfill the mission of monitoring the working temperature of ground source heat pump group.

Keywords： ground source heat pump group； monitoring system； PROFIBUS?DP； WinCC

0 引 言

地源热泵又称地热热泵，是一种以地下浅层地热作为资源，既可供热又可制冷的高效节能的换热系统。随着近年来能源消耗急剧增加，地源热泵技术以其节能、环保、热效率高等优势愈加受到人们的青睐。在地源热泵机组运行时，一体式的监控系统可以让远端的监控人员实时了解设备运行状态，并对机组设备能有直观、全面、准确的认识，充分保证系统持续合理地运行。

本文运用先进的PROFIBUS总线网络技术，结合WinCC组态软件技术，在西门子S7系列PLC的基础上设计一款高性能的地源热泵群监控系统。

1 PROFIBUS总线

PROFIBUS（Process Field Bus）是一种国际化的、开放的、不依赖于设备生产商的现场总线标准[1]。作为一种应用于工业现场的通信协议， PROFIBUS共包含分散外设（PROFIBUS?DP）、过程自动化（PROFIBUS?PA）、现场总线信息规范（PROFIBUS?FMS）三个兼容版本。其中， PROFIBUS?DP相较于另两种，具有传输介质简单、安装维护方便、容易进行扩展，可靠性高等优点，更适用于现场设备级的高速数据传输。

结合本系统实际情况，在对地源热泵群监控系统的设计过程中采用了PROFIBUS?DP总线控制方式。

2 WinCC组态软件

视窗中心WinCC（Windows Control Center）是一款由西门子和微软合作开发的监控系统软件。与其他常用的监控组态软件（SCADA）系统一样，WinCC是以计算机为基础的生产过程与调度自动化系统。但WinCC特有的既有基于Windows系统的特点、又有微软其他产品支持的优势，使其相比同类产品应用范围更广[2?3]。

由于本系统在现场总线和PLC方面均选用了西门子产品。考虑到WinCC具有：与SIMATIC S7系列PLC连接方便且通信高效、与STEP7结合紧密开发周期短、有对SIMATIC PLC进行系统诊断的选项便于硬件维护等诸多优势，本设计选用了WinCC组态软件来实现系统的过程控制监控功能。

3 热泵群监控系统

3.1 总体结构

地源热泵群监控系统采用集中管理、分布式控制网络结构。监控计算机通过与作业现场人机交互系统的通信，实现了对现场机构的集中管理，同时对各站点的作业过程实现动态监测和分布式控制。具体系统结构模型图如图1所示。

系统控制网络中，一台装有WinCC的工控机作为上位机负责监控整个网络的运行。工控机（PC机）通过通信卡CP5613与S7?300PLC相连，该S7?300PLC作为整个网络的主站，负责发送控制信息，读取从站状态，实现对整个热泵系统的数据采集和远程终端控制。从站S7?300PLC通过通信模块EM277与PROFIBUS相连，从站PLC之间使用PROFIBUS?DP连接成总线网络进行数据的传输，每个从站利用S7?300PLC实现对各个热泵机组的运行控制，利用水位开关、压力传感器、温度传感器等对热泵系统的运行参数进行检测，利用PLC的输出对压缩机、换热系统以及水泵系统进行运行控制[4?5]。

3.2 主要参数

借助软硬件设计，本系统拟实现在控制中心可完成前端采集器上报数据的接收且入库、历史数据查询、缺失数据补遗、显示各站点在线状态、判断前端设备供电状态变化（市电或蓄电）等功能。具体设计如下：

（1） 显示站点状态：各站点状态分为在线、离线两种，每个站点可包含多个硬件，分别用#1、#2等表示，各井极限可测12路温度。各站点状态均作入库处理，并及时更新供网络实时查询。

（2） 显示供电状态：供电状态分为蓄电池、市电两种，当供电状态变化时，系统可借助外围短信设备向相关责任人发送警报信息。

（3） 实现数据查询：可分别以#号、通道号、时间、供电状态、在线状态为查询关键词，查询结果显示为——站点名、井号、通道个数、供电状态、在线状态、数据时间。

（4） 实现Excel报表导出：数据查询所得结果可实现Excel表格的导出。表格中的数据项显示为——站点名、井号、通道号、温度数据、时间。

（5） 实现数据完整性检测：当系统数据发生丢失时，可及时提示，并可通过手动或程序自动的方式进行修正。

根据以上思路拟采用如下软硬件实现系统设计：

系统的硬件主要包括监控上位计算机、主站S7?300CPU315?2DP、从站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模块、通信处理器、PROFIBUS连接电缆等。上位机采用工业控制计算机，通信处理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，该板卡是一种集成微处理器，它用于工控机连接到PROFIBUS，一个PROFIBUS接口，仅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC机上安装的WinCC组态软件，本设计选用北京亚控公司研发的WinCC组态软件进行组态，研究组态方法，开发直观的热泵机组、蓄水池、开关等系统设备的仿真画面，以方便设备的集中监管。

4 网络通信

本系统控制网络中的通信主要是指主站PLC与各从站之间以及与上位机组态软件WinCC之间的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信协议，后者则是多点接口通信（MPI）协议。

4.1 PROFIBUS?DP通信设计

本设计利用PLC站的DP口，上位机插卡CP5613的DP口进行数据交换。其中PROFIBUS接口为RS 485，连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头选用PROFIBUS接头并带有终端电阻，传输距离可以RS 485中继器进行扩展，可达10 km。

系统中选用主站为CPU315?2DP，从站为CPU313C?2DP，如图2所示。

设置波特率等相关网络参数，并进行硬件组态，将从站连接至主站的PROFIBUS总线，并建立通信接口区，如图3所示。

WinCC与S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信类型为多点接口通信（MPI）。WinCC与主站S7?300 PLC间通信设计步骤如下：

（1） 在PC机上安装STEP7编程软件。

（2） 进行PLC的硬件组态，设置MPI地址等参数。

（3） 进行通信端口设置。双击在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，选择MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），设定对应参数并完成确认。

（4） 进行下位机设置。端口设置成功后，对组态的硬件进行下载，下载完毕，则设置结束。

（5） 打开WinCC，建立新的WinCC项目，在变量管理模块中添加名称为SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驱动程序。

（6） 驱动器加入成功后，选择MPI通信协议，在MPI项下建立PLC连接， MPI地址必须与PLC中的设置相同，接着在组态完成的S7?300PLC下设置标签（包括：标签地址、标签名、数据类型）。

上述步骤完成后，将待通信数据逐一定义标签，打开WinCC的图形编辑器，制作控制网络画面，并将画面中的对象与现场设备连接，最终实现WinCC与主站S7?300 PLC之间的数据通信。

5 结 语

本文介绍了一种基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件技术的地源热泵群监控系统的软硬件的设计和实现方法。相比同类网络控制系统，本文设计的基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件的监控系统具有可靠性高、可维护性强，响应速度快、控制精度高、监控界面形象配置更容易、画面效果更逼真，程序运行安全性更高等优点。测试组对系统功能、操作、通信等重要环节的进行多次应用测试，结果证明：该设计能够满足监控系统的指标要求，能够很好的完成对地源热泵群工作温度等参数的监控任务。

参考文献

[1] 陈海霞，林昕.基于WinCC的地源热泵监测与诊断[J].系统制造业自动化，2011，33（5）：21?23.

[2] 王春梅，周仕强.地源热泵微机自动监控系统设计[J].工业控制计算机，2011，24（7）：14?15.

[3] 孟建军，李德仓.基于WinCC的整备作业安全监控系统[J].计算机工程，2011，37（9）：242?244.

[4] 黄清宝，于乾仲，胡映宁，等.地源热泵远程监控系统的设计与试验分析[J].自动化仪表，2011，32（6）：67?69.

[5] 陈筱莉.基于GPRS的地源热泵供水参数无线监测系统[J].工业控制计算机，2011，24（2）：53?54.

[6] 纪利琴，苏巧平，薛颖操，等.水源热泵中央空调控制与网络监控系统[J].自动化与仪器仪表，2010，30（1）：75?77.

[7] 陈超林.地源热泵能耗监刊系统的研发[J].广西大学学报，2010（4）：277?279.

3.2 主要参数

借助软硬件设计，本系统拟实现在控制中心可完成前端采集器上报数据的接收且入库、历史数据查询、缺失数据补遗、显示各站点在线状态、判断前端设备供电状态变化（市电或蓄电）等功能。具体设计如下：

（1） 显示站点状态：各站点状态分为在线、离线两种，每个站点可包含多个硬件，分别用#1、#2等表示，各井极限可测12路温度。各站点状态均作入库处理，并及时更新供网络实时查询。

（2） 显示供电状态：供电状态分为蓄电池、市电两种，当供电状态变化时，系统可借助外围短信设备向相关责任人发送警报信息。

（3） 实现数据查询：可分别以#号、通道号、时间、供电状态、在线状态为查询关键词，查询结果显示为——站点名、井号、通道个数、供电状态、在线状态、数据时间。

（4） 实现Excel报表导出：数据查询所得结果可实现Excel表格的导出。表格中的数据项显示为——站点名、井号、通道号、温度数据、时间。

（5） 实现数据完整性检测：当系统数据发生丢失时，可及时提示，并可通过手动或程序自动的方式进行修正。

根据以上思路拟采用如下软硬件实现系统设计：

系统的硬件主要包括监控上位计算机、主站S7?300CPU315?2DP、从站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模块、通信处理器、PROFIBUS连接电缆等。上位机采用工业控制计算机，通信处理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，该板卡是一种集成微处理器，它用于工控机连接到PROFIBUS，一个PROFIBUS接口，仅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC机上安装的WinCC组态软件，本设计选用北京亚控公司研发的WinCC组态软件进行组态，研究组态方法，开发直观的热泵机组、蓄水池、开关等系统设备的仿真画面，以方便设备的集中监管。

4 网络通信

本系统控制网络中的通信主要是指主站PLC与各从站之间以及与上位机组态软件WinCC之间的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信协议，后者则是多点接口通信（MPI）协议。

4.1 PROFIBUS?DP通信设计

本设计利用PLC站的DP口，上位机插卡CP5613的DP口进行数据交换。其中PROFIBUS接口为RS 485，连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头选用PROFIBUS接头并带有终端电阻，传输距离可以RS 485中继器进行扩展，可达10 km。

系统中选用主站为CPU315?2DP，从站为CPU313C?2DP，如图2所示。

设置波特率等相关网络参数，并进行硬件组态，将从站连接至主站的PROFIBUS总线，并建立通信接口区，如图3所示。

WinCC与S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信类型为多点接口通信（MPI）。WinCC与主站S7?300 PLC间通信设计步骤如下：

（1） 在PC机上安装STEP7编程软件。

（2） 进行PLC的硬件组态，设置MPI地址等参数。

（3） 进行通信端口设置。双击在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，选择MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），设定对应参数并完成确认。

（4） 进行下位机设置。端口设置成功后，对组态的硬件进行下载，下载完毕，则设置结束。

（5） 打开WinCC，建立新的WinCC项目，在变量管理模块中添加名称为SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驱动程序。

（6） 驱动器加入成功后，选择MPI通信协议，在MPI项下建立PLC连接， MPI地址必须与PLC中的设置相同，接着在组态完成的S7?300PLC下设置标签（包括：标签地址、标签名、数据类型）。

上述步骤完成后，将待通信数据逐一定义标签，打开WinCC的图形编辑器，制作控制网络画面，并将画面中的对象与现场设备连接，最终实现WinCC与主站S7?300 PLC之间的数据通信。

5 结 语

本文介绍了一种基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件技术的地源热泵群监控系统的软硬件的设计和实现方法。相比同类网络控制系统，本文设计的基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件的监控系统具有可靠性高、可维护性强，响应速度快、控制精度高、监控界面形象配置更容易、画面效果更逼真，程序运行安全性更高等优点。测试组对系统功能、操作、通信等重要环节的进行多次应用测试，结果证明：该设计能够满足监控系统的指标要求，能够很好的完成对地源热泵群工作温度等参数的监控任务。

参考文献

[1] 陈海霞，林昕.基于WinCC的地源热泵监测与诊断[J].系统制造业自动化，2011，33（5）：21?23.

[2] 王春梅，周仕强.地源热泵微机自动监控系统设计[J].工业控制计算机，2011，24（7）：14?15.

[3] 孟建军，李德仓.基于WinCC的整备作业安全监控系统[J].计算机工程，2011，37（9）：242?244.

[4] 黄清宝，于乾仲，胡映宁，等.地源热泵远程监控系统的设计与试验分析[J].自动化仪表，2011，32（6）：67?69.

[5] 陈筱莉.基于GPRS的地源热泵供水参数无线监测系统[J].工业控制计算机，2011，24（2）：53?54.

[6] 纪利琴，苏巧平，薛颖操，等.水源热泵中央空调控制与网络监控系统[J].自动化与仪器仪表，2010，30（1）：75?77.

[7] 陈超林.地源热泵能耗监刊系统的研发[J].广西大学学报，2010（4）：277?279.

3.2 主要参数

借助软硬件设计，本系统拟实现在控制中心可完成前端采集器上报数据的接收且入库、历史数据查询、缺失数据补遗、显示各站点在线状态、判断前端设备供电状态变化（市电或蓄电）等功能。具体设计如下：

（1） 显示站点状态：各站点状态分为在线、离线两种，每个站点可包含多个硬件，分别用#1、#2等表示，各井极限可测12路温度。各站点状态均作入库处理，并及时更新供网络实时查询。

（2） 显示供电状态：供电状态分为蓄电池、市电两种，当供电状态变化时，系统可借助外围短信设备向相关责任人发送警报信息。

（3） 实现数据查询：可分别以#号、通道号、时间、供电状态、在线状态为查询关键词，查询结果显示为——站点名、井号、通道个数、供电状态、在线状态、数据时间。

（4） 实现Excel报表导出：数据查询所得结果可实现Excel表格的导出。表格中的数据项显示为——站点名、井号、通道号、温度数据、时间。

（5） 实现数据完整性检测：当系统数据发生丢失时，可及时提示，并可通过手动或程序自动的方式进行修正。

根据以上思路拟采用如下软硬件实现系统设计：

系统的硬件主要包括监控上位计算机、主站S7?300CPU315?2DP、从站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模块、通信处理器、PROFIBUS连接电缆等。上位机采用工业控制计算机，通信处理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，该板卡是一种集成微处理器，它用于工控机连接到PROFIBUS，一个PROFIBUS接口，仅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC机上安装的WinCC组态软件，本设计选用北京亚控公司研发的WinCC组态软件进行组态，研究组态方法，开发直观的热泵机组、蓄水池、开关等系统设备的仿真画面，以方便设备的集中监管。

4 网络通信

本系统控制网络中的通信主要是指主站PLC与各从站之间以及与上位机组态软件WinCC之间的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信协议，后者则是多点接口通信（MPI）协议。

4.1 PROFIBUS?DP通信设计

本设计利用PLC站的DP口，上位机插卡CP5613的DP口进行数据交换。其中PROFIBUS接口为RS 485，连接电缆为PROFIBUS电缆（屏蔽双绞线），接头选用PROFIBUS接头并带有终端电阻，传输距离可以RS 485中继器进行扩展，可达10 km。

系统中选用主站为CPU315?2DP，从站为CPU313C?2DP，如图2所示。

设置波特率等相关网络参数，并进行硬件组态，将从站连接至主站的PROFIBUS总线，并建立通信接口区，如图3所示。

WinCC与S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信类型为多点接口通信（MPI）。WinCC与主站S7?300 PLC间通信设计步骤如下：

（1） 在PC机上安装STEP7编程软件。

（2） 进行PLC的硬件组态，设置MPI地址等参数。

（3） 进行通信端口设置。双击在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，选择MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），设定对应参数并完成确认。

（4） 进行下位机设置。端口设置成功后，对组态的硬件进行下载，下载完毕，则设置结束。

（5） 打开WinCC，建立新的WinCC项目，在变量管理模块中添加名称为SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驱动程序。

（6） 驱动器加入成功后，选择MPI通信协议，在MPI项下建立PLC连接， MPI地址必须与PLC中的设置相同，接着在组态完成的S7?300PLC下设置标签（包括：标签地址、标签名、数据类型）。

上述步骤完成后，将待通信数据逐一定义标签，打开WinCC的图形编辑器，制作控制网络画面，并将画面中的对象与现场设备连接，最终实现WinCC与主站S7?300 PLC之间的数据通信。

5 结 语

本文介绍了一种基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件技术的地源热泵群监控系统的软硬件的设计和实现方法。相比同类网络控制系统，本文设计的基于PROFIBUS总线和WinCC组态软件的监控系统具有可靠性高、可维护性强，响应速度快、控制精度高、监控界面形象配置更容易、画面效果更逼真，程序运行安全性更高等优点。测试组对系统功能、操作、通信等重要环节的进行多次应用测试，结果证明：该设计能够满足监控系统的指标要求，能够很好的完成对地源热泵群工作温度等参数的监控任务。

参考文献

[1] 陈海霞，林昕.基于WinCC的地源热泵监测与诊断[J].系统制造业自动化，2011，33（5）：21?23.

[2] 王春梅，周仕强.地源热泵微机自动监控系统设计[J].工业控制计算机，2011，24（7）：14?15.

[3] 孟建军，李德仓.基于WinCC的整备作业安全监控系统[J].计算机工程，2011，37（9）：242?244.

[4] 黄清宝，于乾仲，胡映宁，等.地源热泵远程监控系统的设计与试验分析[J].自动化仪表，2011，32（6）：67?69.

[5] 陈筱莉.基于GPRS的地源热泵供水参数无线监测系统[J].工业控制计算机，2011，24（2）：53?54.

[6] 纪利琴，苏巧平，薛颖操，等.水源热泵中央空调控制与网络监控系统[J].自动化与仪器仪表，2010，30（1）：75?77.

[7] 陈超林.地源热泵能耗监刊系统的研发[J].广西大学学报，2010（4）：277?279.