PROFIBUS與WinCC在地源熱泵群監控系統中的應用

張蓉蓉　劉旭

摘 要： 針對地源熱泵群監控系統自動化的問題，提出了一種基于PROFIBUS?DP總線和組態軟件技術的地源熱泵群監控系統設計方案。系統以裝有WinCC控制軟件的PC機監控整個網絡，一臺S7?300PLC作為整個網絡的主站，每個從站利用S7?300PLC實現對各個熱泵機組的運行控制。該系統具有可靠性高、可維護性強、監控界面形象配置更容易、畫面效果更逼真，程序運行更安全等優點。測試組實驗結果證明：該設計能夠滿足監控系統的指標要求，能夠很好地完成對地源熱泵群工作溫度等參數的監控任務。

關鍵詞： 地源熱泵群； 監控系統； PROFIBUS?DP； WinCC

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

地源熱泵又稱地熱熱泵，是一種以地下淺層地熱作為資源，既可供熱又可制冷的高效節能的換熱系統。隨著近年來能源消耗急劇增加，地源熱泵技術以其節能、環保、熱效率高等優勢愈加受到人們的青睞。在地源熱泵機組運行時，一體式的監控系統可以讓遠端的監控人員實時了解設備運行狀態，并對機組設備能有直觀、全面、準確的認識，充分保證系統持續合理地運行。

本文運用先進的PROFIBUS總線網絡技術，結合WinCC組態軟件技術，在西門子S7系列PLC的基礎上設計一款高性能的地源熱泵群監控系統。

1 PROFIBUS總線

PROFIBUS（Process Field Bus）是一種國際化的、開放的、不依賴于設備生產商的現場總線標準[1]。作為一種應用于工業現場的通信協議， PROFIBUS共包含分散外設（PROFIBUS?DP）、過程自動化（PROFIBUS?PA）、現場總線信息規范（PROFIBUS?FMS）三個兼容版本。其中， PROFIBUS?DP相較于另兩種，具有傳輸介質簡單、安裝維護方便、容易進行擴展，可靠性高等優點，更適用于現場設備級的高速數據傳輸。

結合本系統實際情況，在對地源熱泵群監控系統的設計過程中采用了PROFIBUS?DP總線控制方式。

2 WinCC組態軟件

視窗中心WinCC（Windows Control Center）是一款由西門子和微軟合作開發的監控系統軟件。與其他常用的監控組態軟件（SCADA）系統一樣，WinCC是以計算機為基礎的生產過程與調度自動化系統。但WinCC特有的既有基于Windows系統的特點、又有微軟其他產品支持的優勢，使其相比同類產品應用范圍更廣[2?3]。

由于本系統在現場總線和PLC方面均選用了西門子產品。考慮到WinCC具有：與SIMATIC S7系列PLC連接方便且通信高效、與STEP7結合緊密開發周期短、有對SIMATIC PLC進行系統診斷的選項便于硬件維護等諸多優勢，本設計選用了WinCC組態軟件來實現系統的過程控制監控功能。

3 熱泵群監控系統

3.1 總體結構

地源熱泵群監控系統采用集中管理、分布式控制網絡結構。監控計算機通過與作業現場人機交互系統的通信，實現了對現場機構的集中管理，同時對各站點的作業過程實現動態監測和分布式控制。具體系統結構模型圖如圖1所示。

系統控制網絡中，一臺裝有WinCC的工控機作為上位機負責監控整個網絡的運行。工控機（PC機）通過通信卡CP5613與S7?300PLC相連，該S7?300PLC作為整個網絡的主站，負責發送控制信息，讀取從站狀態，實現對整個熱泵系統的數據采集和遠程終端控制。從站S7?300PLC通過通信模塊EM277與PROFIBUS相連，從站PLC之間使用PROFIBUS?DP連接成總線網絡進行數據的傳輸，每個從站利用S7?300PLC實現對各個熱泵機組的運行控制，利用水位開關、壓力傳感器、溫度傳感器等對熱泵系統的運行參數進行檢測，利用PLC的輸出對壓縮機、換熱系統以及水泵系統進行運行控制[4?5]。

3.2 主要參數

借助軟硬件設計，本系統擬實現在控制中心可完成前端采集器上報數據的接收且入庫、歷史數據查詢、缺失數據補遺、顯示各站點在線狀態、判斷前端設備供電狀態變化（市電或蓄電）等功能。具體設計如下：

（1） 顯示站點狀態：各站點狀態分為在線、離線兩種，每個站點可包含多個硬件，分別用#1、#2等表示，各井極限可測12路溫度。各站點狀態均作入庫處理，并及時更新供網絡實時查詢。

（2） 顯示供電狀態：供電狀態分為蓄電池、市電兩種，當供電狀態變化時，系統可借助外圍短信設備向相關責任人發送警報信息。

（3） 實現數據查詢：可分別以#號、通道號、時間、供電狀態、在線狀態為查詢關鍵詞，查詢結果顯示為——站點名、井號、通道個數、供電狀態、在線狀態、數據時間。

（4） 實現Excel報表導出：數據查詢所得結果可實現Excel表格的導出。表格中的數據項顯示為——站點名、井號、通道號、溫度數據、時間。

（5） 實現數據完整性檢測：當系統數據發生丟失時，可及時提示，并可通過手動或程序自動的方式進行修正。

根據以上思路擬采用如下軟硬件實現系統設計：

系統的硬件主要包括監控上位計算機、主站S7?300CPU315?2DP、從站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模塊、通信處理器、PROFIBUS連接電纜等。上位機采用工業控制計算機，通信處理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，該板卡是一種集成微處理器，它用于工控機連接到PROFIBUS，一個PROFIBUS接口，僅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC機上安裝的WinCC組態軟件，本設計選用北京亞控公司研發的WinCC組態軟件進行組態，研究組態方法，開發直觀的熱泵機組、蓄水池、開關等系統設備的仿真畫面，以方便設備的集中監管。

4 網絡通信

本系統控制網絡中的通信主要是指主站PLC與各從站之間以及與上位機組態軟件WinCC之間的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信協議，后者則是多點接口通信（MPI）協議。

4.1 PROFIBUS?DP通信設計

本設計利用PLC站的DP口，上位機插卡CP5613的DP口進行數據交換。其中PROFIBUS接口為RS 485，連接電纜為PROFIBUS電纜（屏蔽雙絞線），接頭選用PROFIBUS接頭并帶有終端電阻，傳輸距離可以RS 485中繼器進行擴展，可達10 km。

系統中選用主站為CPU315?2DP，從站為CPU313C?2DP，如圖2所示。

設置波特率等相關網絡參數，并進行硬件組態，將從站連接至主站的PROFIBUS總線，并建立通信接口區，如圖3所示。

WinCC與S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信類型為多點接口通信（MPI）。WinCC與主站S7?300 PLC間通信設計步驟如下：

（1） 在PC機上安裝STEP7編程軟件。

（2） 進行PLC的硬件組態，設置MPI地址等參數。

（3） 進行通信端口設置。雙擊在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，選擇MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），設定對應參數并完成確認。

（4） 進行下位機設置。端口設置成功后，對組態的硬件進行下載，下載完畢，則設置結束。

（5） 打開WinCC，建立新的WinCC項目，在變量管理模塊中添加名稱為SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅動程序。

（6） 驅動器加入成功后，選擇MPI通信協議，在MPI項下建立PLC連接， MPI地址必須與PLC中的設置相同，接著在組態完成的S7?300PLC下設置標簽（包括：標簽地址、標簽名、數據類型）。

上述步驟完成后，將待通信數據逐一定義標簽，打開WinCC的圖形編輯器，制作控制網絡畫面，并將畫面中的對象與現場設備連接，最終實現WinCC與主站S7?300 PLC之間的數據通信。

5 結 語

本文介紹了一種基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件技術的地源熱泵群監控系統的軟硬件的設計和實現方法。相比同類網絡控制系統，本文設計的基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件的監控系統具有可靠性高、可維護性強，響應速度快、控制精度高、監控界面形象配置更容易、畫面效果更逼真，程序運行安全性更高等優點。測試組對系統功能、操作、通信等重要環節的進行多次應用測試，結果證明：該設計能夠滿足監控系統的指標要求，能夠很好的完成對地源熱泵群工作溫度等參數的監控任務。

參考文獻

[1] 陳海霞，林昕.基于WinCC的地源熱泵監測與診斷[J].系統制造業自動化，2011，33（5）：21?23.

[2] 王春梅，周仕強.地源熱泵微機自動監控系統設計[J].工業控制計算機，2011，24（7）：14?15.

[3] 孟建軍，李德倉.基于WinCC的整備作業安全監控系統[J].計算機工程，2011，37（9）：242?244.

[4] 黃清寶，于乾仲，胡映寧，等.地源熱泵遠程監控系統的設計與試驗分析[J].自動化儀表，2011，32（6）：67?69.

[5] 陳筱莉.基于GPRS的地源熱泵供水參數無線監測系統[J].工業控制計算機，2011，24（2）：53?54.

[6] 紀利琴，蘇巧平，薛穎操，等.水源熱泵中央空調控制與網絡監控系統[J].自動化與儀器儀表，2010，30（1）：75?77.

[7] 陳超林.地源熱泵能耗監刊系統的研發[J].廣西大學學報，2010（4）：277?279.

3.2 主要參數

借助軟硬件設計，本系統擬實現在控制中心可完成前端采集器上報數據的接收且入庫、歷史數據查詢、缺失數據補遺、顯示各站點在線狀態、判斷前端設備供電狀態變化（市電或蓄電）等功能。具體設計如下：

（1） 顯示站點狀態：各站點狀態分為在線、離線兩種，每個站點可包含多個硬件，分別用#1、#2等表示，各井極限可測12路溫度。各站點狀態均作入庫處理，并及時更新供網絡實時查詢。

（2） 顯示供電狀態：供電狀態分為蓄電池、市電兩種，當供電狀態變化時，系統可借助外圍短信設備向相關責任人發送警報信息。

（3） 實現數據查詢：可分別以#號、通道號、時間、供電狀態、在線狀態為查詢關鍵詞，查詢結果顯示為——站點名、井號、通道個數、供電狀態、在線狀態、數據時間。

（4） 實現Excel報表導出：數據查詢所得結果可實現Excel表格的導出。表格中的數據項顯示為——站點名、井號、通道號、溫度數據、時間。

（5） 實現數據完整性檢測：當系統數據發生丟失時，可及時提示，并可通過手動或程序自動的方式進行修正。

根據以上思路擬采用如下軟硬件實現系統設計：

系統的硬件主要包括監控上位計算機、主站S7?300CPU315?2DP、從站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模塊、通信處理器、PROFIBUS連接電纜等。上位機采用工業控制計算機，通信處理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，該板卡是一種集成微處理器，它用于工控機連接到PROFIBUS，一個PROFIBUS接口，僅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC機上安裝的WinCC組態軟件，本設計選用北京亞控公司研發的WinCC組態軟件進行組態，研究組態方法，開發直觀的熱泵機組、蓄水池、開關等系統設備的仿真畫面，以方便設備的集中監管。

4 網絡通信

本系統控制網絡中的通信主要是指主站PLC與各從站之間以及與上位機組態軟件WinCC之間的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信協議，后者則是多點接口通信（MPI）協議。

4.1 PROFIBUS?DP通信設計

本設計利用PLC站的DP口，上位機插卡CP5613的DP口進行數據交換。其中PROFIBUS接口為RS 485，連接電纜為PROFIBUS電纜（屏蔽雙絞線），接頭選用PROFIBUS接頭并帶有終端電阻，傳輸距離可以RS 485中繼器進行擴展，可達10 km。

系統中選用主站為CPU315?2DP，從站為CPU313C?2DP，如圖2所示。

設置波特率等相關網絡參數，并進行硬件組態，將從站連接至主站的PROFIBUS總線，并建立通信接口區，如圖3所示。

WinCC與S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信類型為多點接口通信（MPI）。WinCC與主站S7?300 PLC間通信設計步驟如下：

（1） 在PC機上安裝STEP7編程軟件。

（2） 進行PLC的硬件組態，設置MPI地址等參數。

（3） 進行通信端口設置。雙擊在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，選擇MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），設定對應參數并完成確認。

（4） 進行下位機設置。端口設置成功后，對組態的硬件進行下載，下載完畢，則設置結束。

（5） 打開WinCC，建立新的WinCC項目，在變量管理模塊中添加名稱為SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅動程序。

（6） 驅動器加入成功后，選擇MPI通信協議，在MPI項下建立PLC連接， MPI地址必須與PLC中的設置相同，接著在組態完成的S7?300PLC下設置標簽（包括：標簽地址、標簽名、數據類型）。

上述步驟完成后，將待通信數據逐一定義標簽，打開WinCC的圖形編輯器，制作控制網絡畫面，并將畫面中的對象與現場設備連接，最終實現WinCC與主站S7?300 PLC之間的數據通信。

5 結 語

本文介紹了一種基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件技術的地源熱泵群監控系統的軟硬件的設計和實現方法。相比同類網絡控制系統，本文設計的基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件的監控系統具有可靠性高、可維護性強，響應速度快、控制精度高、監控界面形象配置更容易、畫面效果更逼真，程序運行安全性更高等優點。測試組對系統功能、操作、通信等重要環節的進行多次應用測試，結果證明：該設計能夠滿足監控系統的指標要求，能夠很好的完成對地源熱泵群工作溫度等參數的監控任務。

參考文獻

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[6] 紀利琴，蘇巧平，薛穎操，等.水源熱泵中央空調控制與網絡監控系統[J].自動化與儀器儀表，2010，30（1）：75?77.

[7] 陳超林.地源熱泵能耗監刊系統的研發[J].廣西大學學報，2010（4）：277?279.

3.2 主要參數

借助軟硬件設計，本系統擬實現在控制中心可完成前端采集器上報數據的接收且入庫、歷史數據查詢、缺失數據補遺、顯示各站點在線狀態、判斷前端設備供電狀態變化（市電或蓄電）等功能。具體設計如下：

（1） 顯示站點狀態：各站點狀態分為在線、離線兩種，每個站點可包含多個硬件，分別用#1、#2等表示，各井極限可測12路溫度。各站點狀態均作入庫處理，并及時更新供網絡實時查詢。

（2） 顯示供電狀態：供電狀態分為蓄電池、市電兩種，當供電狀態變化時，系統可借助外圍短信設備向相關責任人發送警報信息。

（3） 實現數據查詢：可分別以#號、通道號、時間、供電狀態、在線狀態為查詢關鍵詞，查詢結果顯示為——站點名、井號、通道個數、供電狀態、在線狀態、數據時間。

（4） 實現Excel報表導出：數據查詢所得結果可實現Excel表格的導出。表格中的數據項顯示為——站點名、井號、通道號、溫度數據、時間。

（5） 實現數據完整性檢測：當系統數據發生丟失時，可及時提示，并可通過手動或程序自動的方式進行修正。

根據以上思路擬采用如下軟硬件實現系統設計：

系統的硬件主要包括監控上位計算機、主站S7?300CPU315?2DP、從站S7?300 CPU313C?2DP、EM277接口模塊、通信處理器、PROFIBUS連接電纜等。上位機采用工業控制計算機，通信處理器采用SIMNATIC NET CP5613卡，該板卡是一種集成微處理器，它用于工控機連接到PROFIBUS，一個PROFIBUS接口，僅支持DP主站、PG/OP、S7通信。

控制中心PC機上安裝的WinCC組態軟件，本設計選用北京亞控公司研發的WinCC組態軟件進行組態，研究組態方法，開發直觀的熱泵機組、蓄水池、開關等系統設備的仿真畫面，以方便設備的集中監管。

4 網絡通信

本系統控制網絡中的通信主要是指主站PLC與各從站之間以及與上位機組態軟件WinCC之間的通信[6?7]。其中，前者采用的是PROFIBUS?DP通信協議，后者則是多點接口通信（MPI）協議。

4.1 PROFIBUS?DP通信設計

本設計利用PLC站的DP口，上位機插卡CP5613的DP口進行數據交換。其中PROFIBUS接口為RS 485，連接電纜為PROFIBUS電纜（屏蔽雙絞線），接頭選用PROFIBUS接頭并帶有終端電阻，傳輸距離可以RS 485中繼器進行擴展，可達10 km。

系統中選用主站為CPU315?2DP，從站為CPU313C?2DP，如圖2所示。

設置波特率等相關網絡參數，并進行硬件組態，將從站連接至主站的PROFIBUS總線，并建立通信接口區，如圖3所示。

WinCC與S7?300PLC CPU 315?2DP主站通信類型為多點接口通信（MPI）。WinCC與主站S7?300 PLC間通信設計步驟如下：

（1） 在PC機上安裝STEP7編程軟件。

（2） 進行PLC的硬件組態，設置MPI地址等參數。

（3） 進行通信端口設置。雙擊在Windows控制面板下的工具“Set PG/PC Interface”，選擇MPI（WinCC）?PC Adapter（MPI），設定對應參數并完成確認。

（4） 進行下位機設置。端口設置成功后，對組態的硬件進行下載，下載完畢，則設置結束。

（5） 打開WinCC，建立新的WinCC項目，在變量管理模塊中添加名稱為SIMATIC S7 Protocol Suite的通信驅動程序。

（6） 驅動器加入成功后，選擇MPI通信協議，在MPI項下建立PLC連接， MPI地址必須與PLC中的設置相同，接著在組態完成的S7?300PLC下設置標簽（包括：標簽地址、標簽名、數據類型）。

上述步驟完成后，將待通信數據逐一定義標簽，打開WinCC的圖形編輯器，制作控制網絡畫面，并將畫面中的對象與現場設備連接，最終實現WinCC與主站S7?300 PLC之間的數據通信。

5 結 語

本文介紹了一種基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件技術的地源熱泵群監控系統的軟硬件的設計和實現方法。相比同類網絡控制系統，本文設計的基于PROFIBUS總線和WinCC組態軟件的監控系統具有可靠性高、可維護性強，響應速度快、控制精度高、監控界面形象配置更容易、畫面效果更逼真，程序運行安全性更高等優點。測試組對系統功能、操作、通信等重要環節的進行多次應用測試，結果證明：該設計能夠滿足監控系統的指標要求，能夠很好的完成對地源熱泵群工作溫度等參數的監控任務。

參考文獻

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