PROFIBUS總線在水源中央空調監控系統中的應用

孫彥軍（天津泰達水業有限公司凈水廠，天津 300457）

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PROFIBUS總線在水源中央空調監控系統中的應用

孫彥軍
（天津泰達水業有限公司凈水廠，天津 300457）

摘 要：PROFIBUS是比較典型的一種現場總線，其應用極為廣泛。針對廠內水源中央空調使用中存在的一些問題，本文提出了利用PROFIBUS總線技術實現水源中央空調上位機和下位機分布式控制的整體解決方案，并在實際應用中達到了令人滿意的效果。

關鍵詞：PROFIBUS；WinCC；水源熱泵；節能減排

0 引言

水源熱泵技術是將深度在1000m以下地表淺層水源（如河流、湖泊和地下水）中吸收的太陽能和地熱能提取出來，用以制取冷（熱）風或冷（熱）水的技術，屬于可再生能源技術。目前應用最廣泛的是水源中央空調系統，夏季水源溫度比室內環境溫度低，水源中央空調將室內的熱量轉移到水源中，從而達到制冷的效果；冬季水源溫度比室內環境溫度高，水源中央空調將水源的熱量轉移到室內，以滿足供暖需求。水源中央空調節能高效，不會產生如CO2、SO2等氣體，把節約能源和環境保護兩方面的優勢融為一體，是21世紀最有效的制冷、制熱空調技術，被稱之為綠色能源技術，近年來在我國發展得非常迅速。本文介紹的就是利用PROFIBUS總線技術實現水源中央空調上位機和下位機分布式控制的具體應用。

1 水源熱泵簡介

廠內共有水源熱泵機組3套，工作介質為每日供應量穩定在2萬t左右的海水淡化水。根據實際情況和不同使用需求將水源熱泵機組分別安裝在廠內的不同位置，利用海淡水水溫余熱采用熱泵方式分別為辦公區域和生產區域服務。海淡水水體溫度一年四季較為穩定，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異。一套水源中央空調可以替代現有供暖系統和空調系統，全年運行費用僅為普通中央空調的50%左右，節能效果優越。不僅如此，由于水源熱泵中央空調的制冷、制熱工作原理有別于其他空調，所以用其制冷和制熱的過程溫度變化更加平穩，使人體感更加舒適。

水源熱泵機組為近期安裝設備，現階段只能在現場進行手動操作。另外廠內面積較大，每天上班員工數量少，在夏季水源中央空調溫度調節又較為頻繁，給設備的正常使用和管理帶來極大的不便。

2 PROFIBUS總線概述

現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置或系統之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。以掛接在總線上具備信號輸入、輸出、運算、控制和通信功能的各類儀表或設備作為網絡節點，以通信線纜為傳輸紐帶，按照開放、規范的通信協議，在多個具備數字計算能力和數字通信能力的測量儀表、設備和控制站之間實現數據傳輸與信息交換，形成適應各種應用需要的自動控制系統。可實現如實時監控、PID控制、參數修改、報警等綜合自動化功能。現場總線是一項以數字通信、計算機網絡、自動化控制為主要內容的綜合技術。

PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產商的現場總線標準，由3個兼容部分組成，即PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中DP型適用于工業自動化領域，特別適合PLC與現場I/O設備之間的通信，可取代24VDC或4m～20m信號傳輸，廣泛應用于分布式控制系統；PA型適用于過程自動化，遵循IEC1158-2標準，用于對安全性要求高的場所及由總線供電的站點；FMS型適用于車間級通用性數據通訊，滿足中等傳輸速度的周期性和非周期性通訊任務。PROFIBUS是屬于單元級、現場級的SIMATIC網絡，適用于傳輸中、小量的數據。傳輸介質可以是屏蔽雙絞線、光纖、無線傳輸等。PROFIBUS-DP數據模型使用了ISO/OSI模型中的物理層、數據鏈路層和應用層，第三層到第六層未使用，這種精簡的模型確保高速數據傳輸和控制成本。根據應用特點和實際需要，水源中央空調監控系統采用PROFIBUS-DP總線控制方式。

圖1系統結構示意圖

3 水源中央空調監控系統

3.1 系統主要配置

（1）DELL工控機兩臺，內置以太網卡；

（2）西門子SIMATIC WinCC7.0上位機組態軟件兩套；

（3）西門子S7-300PLC一臺，選用型號為S7315-2DPCPU；

（4）PROFIBUS-DP光纖模塊OLM一個；

（5）EM277通信模塊3個。

3.2 系統結構

系統采用“集中管理、分布控制”的網絡結構，主要利用PROFIBUS-DP總線將本系統中各種硬件整合到一起，形成一個在上位機即可對現場設備進行實時監控和遠程操作的控制網絡。整個系統采用混合通信方式，即上位機與下位機之間通過以太網進行通信，由于傳輸距離較遠，采用光纖通信。下位機以S7-300PLC的CPU315-2DP作為主站，從站S7-200由于本身沒有DP接口，CPU224通過擴展EM277通訊模塊連接到PROFIBUS-DP總線上。系統結構示意圖如圖1所示。

將裝有SIMATIC WinCC組態軟件的兩臺工控機作為上位機，用以監控整個網絡的運行狀態。上位機位于廠內總控室，為使系統運行更加穩定可靠，由不間斷電源UPS供電。兩臺上位機互為冗余，同時具備現場設備信息采集功能、監控功能和控制功能。當其中一臺設備發生故障后，另一臺可繼續投入使用。兩臺上位機均具備工程師站和操作站的權限，可通過不同的用戶名登錄系統。操作站僅能進行基本的生產操作，工程師站可進行設備操作、修改程序和參數等一切操作。S7-300PLC負責讀取從站狀態、發送控制信息，從而實現對整個系統的數據采集和遠程終端控制。各從站利用S7-200PLC實現對每臺水源熱泵機組的控制，采集在線的實時數據，如流量、溫度、壓力、頻率等運行參數，利用PLC輸出端發出操作指令。

3.3 軟件設計

本系統涉及到的軟件分為兩部分：上位機監控軟件和現場控制軟件。上位機監控軟件選用西門子SIMATIC WinCC7.0，WinCC集成了圖形技術、人機界面技術、數據庫技術、控制技術與網絡通信技術。利用WinCC軟件實現上位機與PLC之間的通信連接，以便進行數據交換和數據處理。根據工藝和控制要求在該平臺上開發出水源中央空調系統的主控畫面，報警界面、參數設定界面、實時趨勢曲線界面、報表界面。通過與下位機進行實時通信，接收下位機處理后的數據及運行狀態，并存儲到數據庫中，同時把得到的數據（如當前狀態和各種過程參數）顯示在各界面的相應位置，其中數字量以指示燈的方式顯示，模擬量以文本的方式進行顯示，以滿足各種監控需求。設置了聯動、單控、手動3種運行模式，通過各個界面上的按鈕、開關，允許操作人員對現場設備進行遠程操作，以滿足操作需求。通過主控畫面上的對話框修改溫度、頻率等參數設定值，以滿足管理需求。現場控制軟件用STEP7軟件進行開發，用于進行PROFIBUS主從站結構網絡的參數設置，確定各主從站在PROFIBUS在網絡中的地址。

結論

基于PROFIBUS-DP的水源中央空調監控系統采用總線連接方式，設計合理、架構簡單，減少了由接線點多造成的不可靠因素。該系統投入使用近一年，運行穩定可靠。系統相應速度快、控制精度高，具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。系統具有友好的人機界面，操作直觀方便，減輕了廠內運行人員的工作強度，提高了整體的工作效率。

參考文獻

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［3］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.

中圖分類號：TN915

文獻標識碼：A