西门子模块6ES332-7ND02-0AB0

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　1.2.4 基于现场总线的自动化监控及信息集成系统主要优点
（1）增强了现场级信息集成能力
现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化及CIMS系统的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，它不单纯取代4-20mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
（2）开放式、互操作性、互换性、可集成性
不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，如控制算法、工艺流程、配方等集成到通用系统中去，因此，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。
（3）系统可靠性高、可维护性好
基于现场总线的自动化监控系统采用总线连接方式替代一对一的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。
（4）降低了系统及工程成本
对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。
　　1.3 现场总线标准
　　现场总线技术得以实现的一个关键问题，是要在自动化行业中形成一个制造商们共同遵守的现场总线通信协议技术标准，制造商们能按照标准生产品，系统集成商门能按照标准将不同产品组成系统。这就提出了现场总线标准的问题。国际上自动化产品及现场设备生产厂家，意识到现场总线技术是未来发展方向，纷纷结成企业联盟，推出自己的总线标准及产品，在市场上培养用户、扩大影响，并积极支持组织制定现场总线。能否使自己总线技术标准在未来中占有较大比例成份，关系到该公司相关产品前途、用户的信任及企业的名誉。而历史经验证明：都是采用一个或几个市场上成功的技术为基础。因此，各大国际公司在制定现场总线中的竟争，体现了各公司在技术地位上的竞争，而其终还是要归结到市场实力的竞争。
据说目前国际上现有各种总线及总线标准不下二百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：
　　1.3.1 Profibus现场总线
　　1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V.2。Profibus产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25%。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台，到1998年5月，适用于过程自动化的PROFIBUS-PA仪表设备在19个国家的40个用户厂家投入现场运行。1985年组建了PROFIBUS国际支持中心；1989年12月建立了PROFIBUS用户组织（PNO）。目前在世界各地相继组建了20个地区性的用户组织，企业会员近650家。1997年7月组建了中国现场总线（PROFIBUS）委员会，并筹建现场总线PROFIBUS产品演示及认证的实验室。
Profibus主要应用领域有：
。制造业自动化：汽车制造（机器人、装配线、冲压线等）、造纸、纺织。
。过程控制自动化：石化、制药、水泥、食品、啤酒。
。电力：发电、输配电。
。楼宇：空调、风机、照明。
。铁路交通：信号系统
　　1.3.2 FF现场总线
　　1994年由ISP 基金会和World FIP(北美)两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的、唯一的国际现场总线（Fundation Fieldbus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。已完成开发的高速总线（H2）拟于1998年内表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。目前，FF现场总线的应用领域以过程自动化为主。如：化工、电力厂实验系统、废水处理、油田等行业。
　　1.3.3 LONWORKS总线
　　LONWORKS现场总线全称为LONWORKS NetWorks,即分布式智能控制网络技术，希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制、楼宇自动化、数据采集、SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。
　　1.3.4 CANBUS现场总线
　　CANBUS现场总线已由ISO/TC22技术委员会批准为IOS 11898（通讯速率小于1Mbps）和ISO 11519（通讯速率小于125Kbps）。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I/O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
　　1.3.5 WorldFIP现场总线
　　90~91年FIP现场总线成为法国国家安全标准。96年成为欧洲标准（EN 50170 V.3）。下一步目标是靠近IEC标准，现在技术上已做好充分准备。WorldFIP国际组织在北京设有办事处，即WorldFIP中国信息中心，负责中国的技术支持。WorldFIP现场总线采用单一总线结构来适应不同应用领域的需求，不同应用领域采用不同的总线速率。过程控制采用31.25Kbit/s,制造业为1M bit/s,驱动控制为1-2.5Mbit/s。采用总线仲裁器和优先级来管理总线上（包括各支线）的各控制站的通信。可进行1对1、1对多点（组）、1对全体等多重通信方式。在应用系统中，可采用双总线结构，其中一条总线为备用线，增加了系统运行的安全性。
WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。
　　1.3.6 P-NET现场总线
　　P-NET现场总线筹建于己于1983年。1984年推出采用多重主站现场总线的批产品。1986年通信协议中加入了多重网络结构和多重接口功能。1987年推出P-NET的多重接口产品。1987年P-NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN 50170 V.1）。1997年组建国际P-NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P-NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。
　　1.4 如何面对众多的现场总线标准
　　面对国际上各种流派的现场总线及标准，为深入研究国外**的现场总线技术，推动我国现场总线技术和产品的研究开发，形成符合我国国情的和现实的标准体系，保护我国生产企业和用户的投资效益，我国仪表标准化行业的主管单位-仪器仪表综合技术经济研究所遵循标准化工作程序，于己于1998年7月22日至多3日在北京中国科技会堂举办了“现场总线的标准化与中国自动化技术发展”研讨会。会议邀请了Profibus、FF、WorldFIP、P-NET国际组织专家代表，介绍了国际流行现场总线技术及标准化情况。研讨会上中外专家就现场总线化的发展展开了热列讨论，并提出以下见解与意见：
(1) 期望IEC能尽早按预期目标完成统一标准的制定。
(2) 按目前进度估计，近年内IEC很难完成预期目标。
(3) 目前IEC提出的建议方案只限于过程自动化，难于满足其它应用领域要求，不可能成为唯一标准，很可能形成多种标准体系共存。
(4) 在统一标准框架下做多种通信协议接口，可能是统一标准的一种适宜的解决方案。
对我国发展现场总线技术政策，专家和代表们认为，结合我国国情，一方面应积极跟踪IEC化的发展，开展我国的技术研究和产品开发。另一方面在统一的IEC标准未形成之前，积极开展对其它**的现场总线技术研究，特别是对已有成熟应用经验、应用领域覆盖面大的现场总线技术的跟踪研究。
　　1.5 对面临选择的用户谈个人看法并提出建议
　　从用户角度出发，如何面对众多现场总线标准作出选择，笔者在此发表个人看法，并提出一点建议以供用户参考。
（1）标准？ 从标准发展的历史看，谁的技术将成为，或在中占有较大成份，主要取决于它在实际应用中取得多大的成果，取决于该项技术及产品在国际市场上的占有份额。也就是说，谁能占有市场谁将得天下。另一方面，化组织根据科学技术飞速发展现状及厂商用户对标准制定的要求，对标准的制定及批准手续作出相应的改变，即简化了标准的制定程序和手续，并承认存在所谓事实上的标准，即那些在市场中已占有较大份额、具有很大的用户成功应用经验的技术标准，如我们熟知的TCP/IP通信协议标准。
（2）选择总线？ 在目前国际上现场总线群雄并起局面下，用户应从实际应用工程特点出发去选择。因为没有一种可包罗万象、适合所有应用领域的现场总线技术。应着重考察这种总线在本行业中的应用业绩。如制造业自动化、电力自动化及过程控制自动化三个领域，在数据实时响应要求方面就大不一样。
（3）选择产品？ 用户应尽量选择国际度大、拥有用户多、产品应用基础好的公司产品，因为这些公司的现场总线技术被采纳的可能性大。即使没有被采纳，大公司为考虑信誉，会提出原有技术与的接口，而不会置公司信誉于不顾，丢掉老客户不管。
（4）积极跟踪、勇于进取！如果因为国际IEC还没有统一现场总线标准，就不敢使用这项**技术是大可不必的。这将会使企业丧失一次尽早**企业自动化水平的机会，或丧失一次**本企业产品水平的机会，从而导致企业在未来同行竞争中处于劣势。国际IEC要统一现场总线标准不是一朝一夕的事，坐等时机流逝为下策，只有积极跟踪、勇敢进取方为企业发展上策。

　第二章：现场总线Profibus技术要点
本章从Profibus协议标准角度，概要说明了PROFIBUS技术要点。使读者可快速了解PROFIBUS技术概貌。
2.1 Profibus概貌
(1) Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。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。
(2) Profibus由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA(Process Automation)、PROFIBUS-FMS(Fieldbus Message Specification)。
(3) Profibus-DP：是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。
(4) Profibus-PA：专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。
(5) Profibus-FMS：用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
(7) Profibus是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案

(1) Profibus-DP：定义了、二层和用户接口。第三到七层未加描述。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的应用功能，并详细说明了各种不同PROFIBUS-DP设备的设备行为。
(2) Profibus-FMS：定义了、二、七层，应用层包括现场总线信息规范（Fieldbus Message Specification-FMS）和低层接口（Lower Layer Interface—LLI）。FMS包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信服务。LLI协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口。
(3) Profibus-PA：PA的数据传输采用扩展的PROFIBUS-DP协议。另外，PA还描述了现场设备行为的PA行规。根据IEC1158-2标准，PA的传输技术可确保其本征安全性，而且可通过总线给现场设备供电。使用连接器可在DP上扩展PA网络。
2.2.2 Profibus传输技术
Profibus提供了三种数据传输类型：
· 用于DP和FMS的RS485传输。
· 用于PA的IEC1158-2传输。
· 光纤
2.2.2.1用于DP/FMS的RS485传输技术
由于DP与FMS系统使用了同样的传输技术和统一的总线访问协议，因而，这两套系统可在同一根电缆上同时操作。
RS-485传输是Profibus常用的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。采用的电缆是屏蔽双绞铜线。
RS-485传输技术基本特征：
· 网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻。
· 传输速率：9.6K bit/s~12M bit/s
· 介质：屏蔽双绞电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMC）。
· 站点数：每分段32个站（不带中继），可多到127个站（带中继）。
· 插头连接：好使用9针D型插头。
2.2.2.2 RS-485传输设备安装要点
(1) 全部设备均与总线连接。
(2) 每个分段上多可接32个站（主站或从站）。
(3) 每段的头和尾各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。两个总线终端电阻必须永远有电源。

(6) A型电缆参数：
阻抗：135-165W 电容：〈 30pf/m 回路电阻：110W
线规：0.64mm 导线面积：>0.34mmW
(7) RS-485的传输技术的Profibus网络好使用9针D型插头，插头针脚定义和接线见图2-2所示。
(8) 当连接各站时，应确保数据线不要拧绞，系统在高电磁发射环境（如汽车制造业）下运行应使用带屛蔽的电缆，屏蔽可**电磁兼容性（EMC）。
(9) 如用屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端与保护接地连接，并通过尽可能的大面积屏蔽接线来复盖，以保持良好的传导性。另外建议数据线必须与高压线隔离。
(10) 超过500Kbit/s的数据传输速率时应避免使用短截线段，应使用市场上现有的插头可使数据输入和输出电缆直接与插头连接，而且总线插头可在任何时候接通或断开而并不中断其它站的数据通信。
2.2.2.3 用于PA的IEC1158-2传输技术
(1) 数据IEC1158-2的传输技术用于Profibus-PA，能满足化工和石油化工业的要求。它可保持其本征安全性，并通过总线对现场设备供电。
(2) IEC1158-2是一种位同步协议，通常称为H1。
(3) IEC1158-2技术用于Profibus-PA，其传输以下列原理为依据：
· 每段只有一个电源作为供电装置。
· 当站收发信息时，不向总线供电。
· 每站现场设备所消耗的为常量稳态基本电流。
· 现场设备其作用如同无源的电流吸收装置。
· 主总线两端起无源终端线作用。
· 允许使用线性、树型和星型网络。
· 为**可靠性，设计时可采用冗余的总线段。
· 为了调制的目的，假设每个总线站至少需用10mA基本电流才能使设备启动。通信信号的发生是通过发送设备的调制，从±9 mA到基本电流之间。
(4) IEC1158-2传输技术特性:
· 数据传输：数字式、位同步、曼彻斯特编码。
· 传输速率：31.25K bit/s，电压式。
· 数据可靠性：前同步信号，采用起始和终止限定符避免误差。
· 电缆：双绞线，屏蔽式或非屏蔽式。
· 远程电源供电：可选附件，通过数据线。
· 防爆型：能进行本征及非本征安全操作。
· 拓扑：线型或树型，或两者相结合。
· 站数：每段多32个，总数多为126个。
· 中继器：多可扩展至4台。
2.2.2.4 IEC1158传输设备安装要点
(1) 分段藕合器将IEC1158-2传输技术总线段与RS-485传输技术总线段连接。藕合器使RS-485信号与IEC1158-2信号相适配。它们为现场设备的远程电源供电，供电装置可限制IEC1158-2总线的电流和电压。　　一、 项目简介

　　能源消耗是企业产品成本中重要的可控部分，降低能源消耗是企业降低成本的重要途径。烟草行业向来是耗能大户， 随着国外**技术和成套设备的大量引进，卷烟生产从过去的低速手工生产发展到高速全自动生产，对能源的需求越来越大，因此降低能源的损耗、合理调配能源将直接**其生产效益。将军烟草集团有限公司成立于 1993 年，位于山东省济南市，是一家以烟草为主业、多元化经营的跨地区、跨行业、跨国界的企业集团。其核心企业济南卷烟厂拥有目前世界上**的卷烟设备及行业技术中心。公司现有员工 5000 余人，总资产 73 亿元，是全国烟草行业 36 家重点企业之一。

　　本能源监测系统主要用来对济南卷烟厂各部门的能源消耗情况进行监测、统计、报表和打印等。本系统的主要监测量包括全厂各部门的电、水、蒸汽、空压气等相关的参数。


　　二、 系统介绍

　　本系统由能源统计办公室、锅炉操作室和设备管理处组成三层能源监测管理系统。通过分布于全厂各个车间的传感器将蒸气、空压气、水量和电量233个点的参量采集到服务器中，锅炉操作室和设备管理处负责对实时参数和设备的监测；能源统计办公室实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印。统计办公室的能源监测评估程序完成班次的各项指标考核任务，对厂内的能源供应部门的投入、产出及能源使用用户单位的耗能情况进行统计分析，成本核算等，为**厂内能源管理使用水平提供了可信依据。

　　本系统CPU主站选用Siemens 的Simatic S7-400的CPU414-2DP和S7-300的CPU314，400PLC主站配置9个ET200M子站。CPU414-2DP集成MPI通讯口和Profibus-DP通讯口，各子站与400PLC主站采用Profibus-DP 方式相连，这样可在保证数据采集性能要求的前提下使硬件费用达到低；同时400PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。300PLC主站通过MPI接口与上位机实现通讯。采用Simatic WinCC作为上位监控软件，采用VB6.0编辑统计办公室的能源监测评估程序 。

　　系统清单如下表

　　三、 控制系统构成

　　1．系统的结构：系统配置如图1所示。

图1 能源管理监测系统图

　　


　　本系统共分为三大部分：上位监控中心、PLC主站、PLC从站。上位机由一台服务器和三台客户机组成。把服务器并入了企业网，这样，客户机的扩展变的异常容易和简单：只需把计算机并入局域网，然后进行简单的设置就可以作为一台客户机使用。400PLC主站通过MPI协议与服务器相连。MPI可用于单元级和现场级，用它可以非常经济的连接少数站。400主站与其子站之间通过Profibus DP 相连。这种组网方式可在保证数据采集性能要求的前提下，使硬件费用达到低。数据采集过程大体如下：现场传感器的输出信号由各站信号模板采集、转化为相应的数字信号然后通过通讯模块送到400PLC主站，400PLC主站把各站送来的数据按要求进行各种运算、处理后通过MPI网络传到服务器。客户机和服务器之间通过OPC方式进行数据的传递 。


　　2．软件设计

　　本系统PLC主站、PLC从站的编程使用STEP7编写，实现PLC对过程数据的初步处理；上位机监控使用SIMATIC WinCC编写服务器软件（WinCC Server）和客户端软件（WinCC Client），实现数据的实时显示、能源消耗的当日和当月累积显示、累积量的日、月、时段数据的查询以及报表打印；统计办公室的能源监测评估程序采用Visual Basic 6.0 语言编写，完成班次的各项指标考核任务。

　　（1）PLC主站程序：该程序包括6个OB块、20个FC块、15个DB块，完成对现场采集到的空压气、水蒸汽、电量和水量的数据的处理（包括蒸汽**补偿和蒸汽温度计算），并记录各个变量的累积量。主程序（组织块OB1）流程图如下：

　　图3 主程序（组织块OB1）流程图

　　（2）上位机WinCC程序：根据客户的要求，使用WinCC编写友好的上位机人机界面。如下图：

　　

图2 上位机空压气分布界面

　　3．统计办公室能源监测评估程序设计方案的选择

　　能源监测评估程序是用VB6.0开发的应用程序，安装在统计办公室的客户机上，要对各个部门进行月结考核，并据此进行奖金的评定。程序需要记录锅炉房、空压站、薄片车间、总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理来实现对各部门各班次工人的考核，同时需要计算生产成本并打印详细月报表等，工作量十分大。在实践中，先后使用了以下几种方案实现程序和服务期间的通讯。

　　（1）方案一：使用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，利用该程序与服务器进行通讯。

　　缺点：客户端程序中没有实现较为完善的容错和故障诊断功能，当服务器出现短暂错误时造成OPC连接中段，造成死机。

　　（2）方案二：在客户端中加入诊断程序，通过不断连接服务器来判断服务器是否出现故障，若服务器状态不正常便重新启动该系统软件，实现故障的诊断和处理。

　　缺点：客户机与服务器频繁的连接与断开，造成服务器资源消耗大。

　　（3）方案三：OPC通讯分成两部分：部分，在客户机上开发一个小型的WinCC客户端应用程序，利用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输；第二部分，利用VB6.0开发一个OPC客户端应用程序，实现该程序与客户机上的WinCC进行通讯。
优点：使用WinCC内部集成的OPC接口进行服务器和客户机之间的数据传输，有较好的稳定性和较完善的故障诊断与处理，彻底避免死机。

　　（4）方案选择：鉴于以上几种方案的优缺点，选择第三种方案。如图3所示。

图3 方案三示意图

　　



　　四、 控制系统完成的功能

　　1．系统主要功能

　　本系统主要用于采集各生产车间的蒸气、空压气、水量和电量四种参数进行统计计算，为生产安排提供数据依据。具体功能如下：

　　(1) 实时显示：本系统包括五部分工况图实时显示生产参数，包括系统总工况图、制丝车间工况图、卷接包车间工况图、能源动力车间工况图、非生产部门工况图。

　　（2）状态曲线：显示各车间采集数据的状态曲线，包括总量、制丝车间、卷接包车间、能源动力和非生产等部门所采集数据瞬时变化趋势。

　　（3）统计计算：将要考核的各部门的当前半小时库中的数据进行整理、统计、生成8小时数据库和天数据库。

　　（4）统计报表：将各部门的数据按要求显示报表

　　（5）参数设置：对本系统用到的参数进行设置，包括：班次参数、班次表、口令设置和曲线参数设置。

　　2．项目中的技术难点

　　用户需要记录锅炉房，空压站，薄片车间，总配电室的70多个量的变化并进行相应的数据处理，有多种复杂报表输出要求：日报、旬报、月报、季报、年报，同时各种报表格式也不尽相同，这在wincc实现起来较为复杂，故考虑采用VB的灵活方便报表制作功能。在选择的方案中，WinCC.Client的角色非常特殊，它对于WinCC。Server来说是客户端，而对于能源管理软件来说则成了服务器端