西門子主控系統(tǒng)下的隧道通風照明系統(tǒng)改造

張 俊 ，孫竹梅

(1.山西交通控股集團有限公司大同南高速公路分公司，山西 渾源 037400； 2.山西大學自動化系，山西 太原 030013)

0 引言

某高速公路隧道原有通風照明控制系統(tǒng)采用歐姆龍可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)實施控制，屬于就地控制系統(tǒng)，未納入隧道整體一體化遠程監(jiān)控系統(tǒng)。為實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守和一體化管控要求，根據(jù)當?shù)刈匀画h(huán)境以及隧道的工作環(huán)境，引入西門子PCS7系統(tǒng)作為主控系統(tǒng)。因此，需要將歐姆龍PLC控制系統(tǒng)接入西門子主控系統(tǒng)。由于就地控制系統(tǒng)與主控系統(tǒng)采用的通信協(xié)議不同，兩者之間不能直接進行數(shù)據(jù)交換。對此，可選的改造方案有2種。①將現(xiàn)有歐姆龍PLC控制系統(tǒng)替換為西門子控制系統(tǒng)，與主控系統(tǒng)通信協(xié)議一致，集成全新的控制系統(tǒng)。該方案需要廢除原就地控制系統(tǒng)，購買成套新設備，重新建造安裝調試現(xiàn)場控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的建設周期長，費用高。②在現(xiàn)有就地控制系統(tǒng)基礎上，建設不同通信協(xié)議下的主控與就地系統(tǒng)。通過網間協(xié)議轉換器，實現(xiàn)歐姆龍PLC就地控制系統(tǒng)與西門子主控PCS7的數(shù)據(jù)通信。就地控制系統(tǒng)經過軟件設置與編寫程序接入西門子主控系統(tǒng)，可實現(xiàn)主控系統(tǒng)的一體化管控模式。該方案利用了現(xiàn)有設備，同時縮短了改造周期，降低了改造費用。

本文認為方案②更適合該隧道改造的實際情況。因此，采用方案②，構建西門子主控系統(tǒng)下的隧道通風照明一體化遠程監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)整體設計

本文以西門子PCS7為主控系統(tǒng)，歐姆龍PLC為現(xiàn)場控制器。在搭建系統(tǒng)時，主控系統(tǒng)采用Profibus-DP協(xié)議(簡稱DP)，現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC采用DeviceNet協(xié)議。由于兩者的協(xié)議不同，引入網間協(xié)議轉換器，在主控系統(tǒng)與就地控制系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這就構成了就地控制系統(tǒng)接入主控系統(tǒng)的一體化管控模式。

1.1 系統(tǒng)硬件集成

西門子主控系統(tǒng)下的隧道通風照明系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控計算機、西門子主控制系統(tǒng)PCS7、現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC、網間協(xié)議轉換器、現(xiàn)場就地監(jiān)控計算機，以及其他現(xiàn)場通風、照明等設備。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig.1 System structure diagram

主控制系統(tǒng)為西門子S7-400 PLC的高端控制器。遠程監(jiān)控計算機既是PCS7系統(tǒng)的服務器，又是PCS7系統(tǒng)的操作員站和工程師站，可以進行數(shù)據(jù)采集與信息交換、系統(tǒng)的組態(tài)和維護。西門子主控系統(tǒng)PCS7與遠程監(jiān)控計算機使用以太網通信。現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC系統(tǒng)與就地監(jiān)控計算機之間通過以太網傳輸數(shù)據(jù)。網間協(xié)議變換器實現(xiàn)Profibus-DP協(xié)議與DeviceNet協(xié)議之間的轉換，完成支持兩協(xié)議之間硬件系統(tǒng)的通信。網間協(xié)議變換器選用上海泗博公司生產的網關PD-100S。PD-100S搭建了Profibus-DP協(xié)議與DeviceNet協(xié)議之間的硬件連接與協(xié)議轉換。網關PD-100S與西門子主控PCS7系統(tǒng)通過Profibus-DP總線連接，網關PD-100S與就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC通過DeviceNet總線連接[2-3]。

1.2 網關通信原理

網關是不同協(xié)議標準之間的橋梁。PD-100S網關是建立Profibus-DP協(xié)議與DeviceNet協(xié)議之間聯(lián)系的橋梁，完成Profibus-DP協(xié)議與DeviceNet協(xié)議的數(shù)據(jù)格式轉換和數(shù)據(jù)的讀寫操作，實現(xiàn)西門子主控系統(tǒng)PCS7與歐姆龍PLC硬件設備之間的數(shù)據(jù)交換。在Profibus-DP協(xié)議與DeviceNet協(xié)議之間建立映射關系，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)交換。PD-100S網關建立了Profibus-DP網絡輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)，網關從就地控制系統(tǒng)讀入的數(shù)據(jù)存入PD-100S的輸入緩沖區(qū)，由Profibus-DP網絡讀取。同時，網關也從PD-100S的網絡輸出緩存區(qū)提取Profibus-DP網絡送來的數(shù)據(jù)，并發(fā)送到現(xiàn)場就地控制器歐姆龍PLC。網關PD-100S既是Profibus-DP網絡的從站，也是DeviceNet網絡的從站，占用兩邊網絡的站地址。因此，需要對網關PD-100S單獨配置節(jié)點[4]。PD-100S通信原理如圖2所示。

圖2 PD-100S通信原理圖Fig.2 PD-100S communication schematic diagram

2 系統(tǒng)軟件組態(tài)及配置

系統(tǒng)軟件組態(tài)與配置包括：西門子主控系統(tǒng)PCS7組態(tài)，現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC組態(tài)，網關PD-100S配置。

2.1 西門子主控系統(tǒng)組態(tài)

西門子主控系統(tǒng)使用PCS7系統(tǒng)，用西門子軟件STEP7進行組態(tài)。組態(tài)包括：項目的創(chuàng)建，組態(tài)自動化站、工程師站以及操作員站。西門子主控系統(tǒng)主要采用西門子S7-400 CPU，以及與其相匹配的電源模塊和通信模塊。在建立自動化站以后，根據(jù)使用設備型號插入機架、電源模塊、CPU和通信模塊[5]。

網關PD-100S在組態(tài)時，首先作為DP側的從站，需掛在DP主站下面，將PD-100S網關GSD文件導入STEP7文件。對此，可以在組態(tài)目錄中找到PD-100S，將其掛接在DP站下。網關PD-100S從站地址由網關設備的地址旋碼器設定，組態(tài)中PD-100S的從站地址與其設備設定的地址必須一致。其次，網關作為DP與DeviceNet協(xié)議的轉換器，占用兩個網絡的輸入輸出地址。分配PD-100S在DP側輸入輸出地址時，根據(jù)現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)的隧道通風照明設備地址進行設定。組態(tài)結束后，保存編譯下載組態(tài)。下載組態(tài)通過以太網進行。自動化站組態(tài)完成以后，組態(tài)工程師站，通過連續(xù)功能圖(continuous function chart，CFC)語言在站內編寫程序，以進行數(shù)據(jù)讀寫，并在操作員站中組態(tài)遠程監(jiān)控畫面，實現(xiàn)系統(tǒng)對隧道通風照明設備運行過程的監(jiān)視，以及遠程控制[6-8]。

2.2 就地控制系統(tǒng)組態(tài)

就地控制系統(tǒng)使用隧道現(xiàn)有的歐姆龍PLC控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)隧道通風照明系統(tǒng)的遠程一體化管控，對現(xiàn)有的歐姆龍PLC就地控制系統(tǒng)進行改造，即接入主控系統(tǒng)，以實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)無人值守的遠程管控。

在將原有就地控制系統(tǒng)接入主控系統(tǒng)時，原有的歐姆龍PLC硬件配置不需要進行修改，都可以使用。同時，需要將網關PD-100S組態(tài)到原歐姆龍PLC控制系統(tǒng)中。首先，將PD-100S的EDS文件安裝在歐姆龍PLC的軟件中。然后，在其軟件創(chuàng)建項目工程，配置掃描表。歐姆龍PLC通過掃描表掃描掛接在其下面的設備，掃描表中出現(xiàn)PD-100S后，說明網關已經被組態(tài)在就地控制系統(tǒng)中。掃描表中包含硬件、硬件地址、硬件對應模塊的I/O地址。I/O模塊地址是就地與遠程系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的地址[9-10]。

2.3 網關PD-100S配置

網關PD-100S作為DP與DeviceNet網絡的協(xié)議轉換器，連接主控系統(tǒng)與就地控制系統(tǒng)，在主控系統(tǒng)是DP站的從站；在就地歐姆龍控制系統(tǒng)中，是DeviceNet網絡的從站。網關的配置包括硬件和軟件配置。硬件配置包括網關在DP側從站的站地址，以及在DeviceNet網絡中從站的站地址。軟件配置是通過計算機超級終端，對網關的輸入輸出字節(jié)長度、網絡狀態(tài)字、數(shù)據(jù)交換方式、工作方式以及更新周期等進行設置。這些設置與網關工作環(huán)境中所承擔的任務是匹配的。

3 主控系統(tǒng)遠程監(jiān)控程序

西門子主控PCS7系統(tǒng)通過CFC語言編寫遠程監(jiān)控程序，實現(xiàn)對隧道通風照明現(xiàn)場控制系統(tǒng)的遠程管控。

西門子主控系統(tǒng)PCS7在完成硬件組態(tài)后，組態(tài)工程師站，并通過工程師站遠程控制現(xiàn)場過程。在組態(tài)工程師站中，利用CFC語言編寫監(jiān)控程序，建立變量與遠程監(jiān)控畫面的連接，實現(xiàn)西門子PCS7系統(tǒng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的參數(shù)、設備狀態(tài)監(jiān)視和遠程的啟停控制[11]。

隧道通風照明設備的狀態(tài)及其啟停控制信息屬于開關量信號，改變對應位存儲地址的變量，即可實現(xiàn)對隧道通風照明設備的啟停控制。射流風機遠程啟動控制CFC程序如圖3所示。

圖3 射流風機遠程啟動控制CFC程序圖Fig.3 CFC program for remote start control of jet fan

4 創(chuàng)建監(jiān)控畫面

系統(tǒng)設計監(jiān)控畫面有遠程與就地畫面。雙畫面能夠實現(xiàn)遠程與就地的雙重控制、無人值守的遠程管控，以及主控系統(tǒng)下的一體化管控。遠程監(jiān)控畫面可以遠程監(jiān)視現(xiàn)場的運行過程與運行參數(shù)，并能夠遠程管控現(xiàn)場運行的啟停。就地監(jiān)控畫面可以在現(xiàn)場主控室監(jiān)視現(xiàn)場運行，以及控制現(xiàn)場運行過程。遠程監(jiān)控畫使用WinCC軟件制作，就地監(jiān)控畫面使用組態(tài)王軟件制作，制作畫面過程相似。下面以遠程監(jiān)控畫面為例，說明畫面的制作與控制過程[12-13]。

西門子主控PCS7系統(tǒng)的遠程監(jiān)控畫面，是在操作員站下建立的。在主控系統(tǒng)PCS7完成自動化站與工程師站的組態(tài)以后，通過WinCC軟件創(chuàng)建遠程監(jiān)控畫面，建立畫面與監(jiān)控變量的連接，設置變量的變化范圍。遠程監(jiān)控畫面的控制是通過CFC組態(tài)實現(xiàn)的。

主控系統(tǒng)遠程監(jiān)控畫面是一體化系統(tǒng)的人機接口。主控運行人員可以通過遠程監(jiān)控畫面，對隧道通風照明系統(tǒng)進行啟停、設備狀態(tài)監(jiān)視以及手動控制，無需依賴現(xiàn)場工作人員就能實現(xiàn)對就地設備的控制。隧道通風照明系統(tǒng)的遠程監(jiān)控畫面主要可以實現(xiàn)：系統(tǒng)的手動/自動運行狀態(tài)的選擇，遠程運行人員對射流風機的控制狀態(tài)(啟停)、照明設備的控制狀態(tài)(啟停)操作的軟按鈕等[14]。系統(tǒng)遠程監(jiān)控畫面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)遠程監(jiān)控畫面Fig.4 Remote monitoring screen of the system

5 結論

隧道通風照明系統(tǒng)在西門子主控系統(tǒng)PCS7系統(tǒng)的遠程管控下，實現(xiàn)了對現(xiàn)場就地控制系統(tǒng)歐姆龍PLC的遠程監(jiān)視與控制。通過在主控系統(tǒng)中創(chuàng)建變量和監(jiān)視畫面，并建立變量與監(jiān)視畫面之間的連接，在主控系統(tǒng)下編寫控制程序，可以獨立控制現(xiàn)場的通風設備與照明設備；遠程管理人員也可以通過遠程監(jiān)控計算機，監(jiān)視現(xiàn)場的運行狀態(tài)。將現(xiàn)場控制系統(tǒng)歐姆龍PLC接入西門子主控系統(tǒng)，可以通過主控制系統(tǒng)PCS7實現(xiàn)遠程監(jiān)視現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，遠程管控人員也因主控制系統(tǒng)實現(xiàn)了更高的控制權限，在需要或必要時遠程控制現(xiàn)場設備的運行狀態(tài)，甚至是整個現(xiàn)場系統(tǒng)的啟停。

本文在對某高速公路隧道現(xiàn)有控制系統(tǒng)的改造過程中，實現(xiàn)了遠程就地的雙層監(jiān)控，通過使用西門子主控系統(tǒng)達到了一體化管控模式。這種改擴建中能夠明顯降低改造成本、縮短建設周期；在充分利用西門子主控系統(tǒng)控制功能的情況下，亦可獲得更寬的控制范圍和更好的控制品質。該改造方案可為隧道一體化建設提供參考與示范。