孫彥軍（天津泰達(dá)水業(yè)有限公司凈水廠，天津 300457）

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PROFIBUS總線在水源中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫彥軍
（天津泰達(dá)水業(yè)有限公司凈水廠，天津 300457）

摘 要：PROFIBUS是比較典型的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，其應(yīng)用極為廣泛。針對(duì)廠內(nèi)水源中央空調(diào)使用中存在的一些問(wèn)題，本文提出了利用PROFIBUS總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)水源中央空調(diào)上位機(jī)和下位機(jī)分布式控制的整體解決方案，并在實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了令人滿(mǎn)意的效果。

關(guān)鍵詞：PROFIBUS；WinCC；水源熱泵；節(jié)能減排

0 引言

水源熱泵技術(shù)是將深度在1000m以下地表淺層水源（如河流、湖泊和地下水）中吸收的太陽(yáng)能和地?zé)崮芴崛〕鰜?lái)，用以制取冷（熱）風(fēng)或冷（熱）水的技術(shù)，屬于可再生能源技術(shù)。目前應(yīng)用最廣泛的是水源中央空調(diào)系統(tǒng)，夏季水源溫度比室內(nèi)環(huán)境溫度低，水源中央空調(diào)將室內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到水源中，從而達(dá)到制冷的效果；冬季水源溫度比室內(nèi)環(huán)境溫度高，水源中央空調(diào)將水源的熱量轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，以滿(mǎn)足供暖需求。水源中央空調(diào)節(jié)能高效，不會(huì)產(chǎn)生如CO2、SO2等氣體，把節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)兩方面的優(yōu)勢(shì)融為一體，是21世紀(jì)最有效的制冷、制熱空調(diào)技術(shù)，被稱(chēng)之為綠色能源技術(shù)，近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展得非常迅速。本文介紹的就是利用PROFIBUS總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)水源中央空調(diào)上位機(jī)和下位機(jī)分布式控制的具體應(yīng)用。

1 水源熱泵簡(jiǎn)介

廠內(nèi)共有水源熱泵機(jī)組3套，工作介質(zhì)為每日供應(yīng)量穩(wěn)定在2萬(wàn)t左右的海水淡化水。根據(jù)實(shí)際情況和不同使用需求將水源熱泵機(jī)組分別安裝在廠內(nèi)的不同位置，利用海淡水水溫余熱采用熱泵方式分別為辦公區(qū)域和生產(chǎn)區(qū)域服務(wù)。海淡水水體溫度一年四季較為穩(wěn)定，入廠末端平均溫度冬季為18.3℃，夏季為27.1℃，全年供暖和制冷效果優(yōu)異。一套水源中央空調(diào)可以替代現(xiàn)有供暖系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，全年運(yùn)行費(fèi)用僅為普通中央空調(diào)的50%左右，節(jié)能效果優(yōu)越。不僅如此，由于水源熱泵中央空調(diào)的制冷、制熱工作原理有別于其他空調(diào)，所以用其制冷和制熱的過(guò)程溫度變化更加平穩(wěn)，使人體感更加舒適。

水源熱泵機(jī)組為近期安裝設(shè)備，現(xiàn)階段只能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)操作。另外廠內(nèi)面積較大，每天上班員工數(shù)量少，在夏季水源中央空調(diào)溫度調(diào)節(jié)又較為頻繁，給設(shè)備的正常使用和管理帶來(lái)極大的不便。

2 PROFIBUS總線概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置或系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線。以掛接在總線上具備信號(hào)輸入、輸出、運(yùn)算、控制和通信功能的各類(lèi)儀表或設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以通信線纜為傳輸紐帶，按照開(kāi)放、規(guī)范的通信協(xié)議，在多個(gè)具備數(shù)字計(jì)算能力和數(shù)字通信能力的測(cè)量?jī)x表、設(shè)備和控制站之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，形成適應(yīng)各種應(yīng)用需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)如實(shí)時(shí)監(jiān)控、PID控制、參數(shù)修改、報(bào)警等綜合自動(dòng)化功能。現(xiàn)場(chǎng)總線是一項(xiàng)以數(shù)字通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化控制為主要內(nèi)容的綜合技術(shù)。

PROFIBUS是一種國(guó)際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，由3個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中DP型適用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，特別適合PLC與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備之間的通信，可取代24VDC或4m～20m信號(hào)傳輸，廣泛應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)；PA型適用于過(guò)程自動(dòng)化，遵循IEC1158-2標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì)安全性要求高的場(chǎng)所及由總線供電的站點(diǎn)；FMS型適用于車(chē)間級(jí)通用性數(shù)據(jù)通訊，滿(mǎn)足中等傳輸速度的周期性和非周期性通訊任務(wù)。PROFIBUS是屬于單元級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的SIMATIC網(wǎng)絡(luò)，適用于傳輸中、小量的數(shù)據(jù)。傳輸介質(zhì)可以是屏蔽雙絞線、光纖、無(wú)線傳輸?shù)?。PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)模型使用了ISO/OSI模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，第三層到第六層未使用，這種精簡(jiǎn)的模型確保高速數(shù)據(jù)傳輸和控制成本。根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)和實(shí)際需要，水源中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP總線控制方式。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3 水源中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)主要配置

（1）DELL工控機(jī)兩臺(tái)，內(nèi)置以太網(wǎng)卡；

（2）西門(mén)子SIMATIC WinCC7.0上位機(jī)組態(tài)軟件兩套；

（3）西門(mén)子S7-300PLC一臺(tái)，選用型號(hào)為S7315-2DPCPU；

（4）PROFIBUS-DP光纖模塊OLM一個(gè)；

（5）EM277通信模塊3個(gè)。

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用“集中管理、分布控制”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要利用PROFIBUS-DP總線將本系統(tǒng)中各種硬件整合到一起，形成一個(gè)在上位機(jī)即可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作的控制網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)采用混合通信方式，即上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行通信，由于傳輸距離較遠(yuǎn)，采用光纖通信。下位機(jī)以S7-300PLC的CPU315-2DP作為主站，從站S7-200由于本身沒(méi)有DP接口，CPU224通過(guò)擴(kuò)展EM277通訊模塊連接到PROFIBUS-DP總線上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

將裝有SIMATIC WinCC組態(tài)軟件的兩臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)，用以監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。上位機(jī)位于廠內(nèi)總控室，為使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，由不間斷電源UPS供電。兩臺(tái)上位機(jī)互為冗余，同時(shí)具備現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息采集功能、監(jiān)控功能和控制功能。當(dāng)其中一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障后，另一臺(tái)可繼續(xù)投入使用。兩臺(tái)上位機(jī)均具備工程師站和操作站的權(quán)限，可通過(guò)不同的用戶(hù)名登錄系統(tǒng)。操作站僅能進(jìn)行基本的生產(chǎn)操作，工程師站可進(jìn)行設(shè)備操作、修改程序和參數(shù)等一切操作。S7-300PLC負(fù)責(zé)讀取從站狀態(tài)、發(fā)送控制信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程終端控制。各從站利用S7-200PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)水源熱泵機(jī)組的控制，采集在線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如流量、溫度、壓力、頻率等運(yùn)行參數(shù)，利用PLC輸出端發(fā)出操作指令。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)涉及到的軟件分為兩部分：上位機(jī)監(jiān)控軟件和現(xiàn)場(chǎng)控制軟件。上位機(jī)監(jiān)控軟件選用西門(mén)子SIMATIC WinCC7.0，WinCC集成了圖形技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、控制技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。利用WinCC軟件實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC之間的通信連接，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)處理。根據(jù)工藝和控制要求在該平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出水源中央空調(diào)系統(tǒng)的主控畫(huà)面，報(bào)警界面、參數(shù)設(shè)定界面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線界面、報(bào)表界面。通過(guò)與下位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，接收下位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)把得到的數(shù)據(jù)（如當(dāng)前狀態(tài)和各種過(guò)程參數(shù)）顯示在各界面的相應(yīng)位置，其中數(shù)字量以指示燈的方式顯示，模擬量以文本的方式進(jìn)行顯示，以滿(mǎn)足各種監(jiān)控需求。設(shè)置了聯(lián)動(dòng)、單控、手動(dòng)3種運(yùn)行模式，通過(guò)各個(gè)界面上的按鈕、開(kāi)關(guān)，允許操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，以滿(mǎn)足操作需求。通過(guò)主控畫(huà)面上的對(duì)話框修改溫度、頻率等參數(shù)設(shè)定值，以滿(mǎn)足管理需求?，F(xiàn)場(chǎng)控制軟件用STEP7軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用于進(jìn)行PROFIBUS主從站結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)設(shè)置，確定各主從站在PROFIBUS在網(wǎng)絡(luò)中的地址。

結(jié)論

基于PROFIBUS-DP的水源中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)采用總線連接方式，設(shè)計(jì)合理、架構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了由接線點(diǎn)多造成的不可靠因素。該系統(tǒng)投入使用近一年，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)相應(yīng)速度快、控制精度高，具有現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備的在線故障診斷、報(bào)警、記錄功能，可完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化工作，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面，操作直觀方便，減輕了廠內(nèi)運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，提高了整體的工作效率。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類(lèi)號(hào)：TN915

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