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1、天士力自控数据采集系统控制方案系统设计方案2008-8-10目 录1总述31.1系统设计要求51.1.1系统设计原则51.1.2系统设计的目的61.2系统设计依据62系统功能及技术要求62.1.1冷冻水、冷却水系统和系统监控方式82.1.2系统的制冷控制过程92.1.3系统的制热控制过程112.1.4系统的几个控制过程122.1.5空调机组的节能及优化控制133.系统设备选型163.1.设备的选型原则：163.2管理监控主机具有以下特点1733系统软件183.4通讯网络203.5现场空调机组分站模块211 总述数据采集系统选用PC机作为监控主机，采用国内最成功的组态软件WIN CC工业标准化的
2、应用软件，充分利用计算机网络技术、工业标准通讯协议和PC机的软件硬件资源，借用WINDOWS操作平台，全中文化的图形化操作界面监视所有监控点的运行状态，以形象直观的动态图形方式显示现场环境状态和设备运行状态。图1.天士力自控数据采集系统网络通讯图系统可以通过控制网络对所有连结在网络上的空调主机、末端设备及水泵、水系统、配液系统、洗胶塞、灌装线、冻干机等设备进行控制，通过预先设置控制的功能，根据现场实际采集的数据，按照编辑好的程序对连结在总线上的设备进行集中管理和调度，同时通过选择可以对现场设备进行现场手动控制和监控室手动控制操作。图2.空调管理系统网络结构示意图系统的主要目的在于将空调的运行信
3、息进行分析、归类、处理、判断，采用最优化的控制手段,对空调系统的各种设备：如机组、冷冻水泵、冷却水泵、潜水泵、冷却塔风机、阀门等进行集中监控和管理，采用一套先进的优化运行程序来提高建筑内部空调设备的运行效率，降低能源的消耗，并通过管理系统自动化管理减轻操作人员的劳动强度。使各子系统设备始终处于有条不紊、协同一致和高效、有序的状态下运行，在创造出一个高效、舒适、安全的工作环境中，降低各系统造价，尽量节省能耗和日常管理的各项费用，保证所有设备的正常运行，并达到最佳状态使投资能得到一个良好的回报。 本方案是按照天士力自控数据采集系统进行设计，方案以采用先进的技术和系统、提供最高的性能价格比为原则，提
4、供优化的设备运行方案和管理方式，以实现集散式（即集中管理、分散控制）的管理控制模式来运行设备，提供高效率的空调设备管理。 1.1系统设计要求天士力自控数据采集系统，集中监控5台空调机组以及相关的冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔风机、水源潜水泵、水系统、配液系统、洗胶塞、灌装线、冻干机等设备进行控制等。系统要求对全部设备进行计算机集中监控管理，由计算机统一进行全面有效的监控与管理，确保所有设备处于高效节能、安全可靠的最佳运行状态，从而更好地发挥设备运行的潜能。由于本系统中央空调以外的系统都比较简单，都是些数据采集，所以我们只叙述了中央空调的控制方案和设计原则。1.1.1系统设计原则在系统设计中我们遵循
5、以下原则： 技术先进、成熟、功能实用性强。系统采用国际标准通信协议及总线技术，保证了系统的可靠性，安全性，开放性及互操作性。 集散式设计,模块化结构，组态方便，扩展容易，能根据系统的要求方便的进行扩充，为升级和系统扩充提供便利。 系统具有网络可扩充性，以便将来扩展网络服务范围的需要。系统可在日后任何地方加插现场控制器及操作员终端而不影响本系统操作。 开放性与兼容性良好，要求各系统RS485接口和标准协议，能实现系统的软、硬件连接，做好界面的细节设计，使系统之间充分开放，容错性好，能安全可靠地进行信息交流。 扩展功能多样化。凡被测控的设备已有自动控制功能和手动控制功能的均予以保留和利用，系统通过
6、与其联机实现信息交换、监视、控制和管理。 系统采用多种操作方式，使得系统具有非常高的可靠性。在中央控制机、管理主机、或者网络故障时候，系统中的各个机组、水泵、冷却塔风机都可以原来各自保留的运行功能，可以单独进行自己的自动、手动控制功能，保证设备的正常运行。 经济、节能，能显著节省能源，减少维护、管理人员，优化设备运行。人机界面良好，运行管理方便，现实形象，内容丰富，数据准确，反应迅速，操作简便，易于开发，全部汉化，具有历史数据纪录，标表统计，计划管理和趋势图分析功能，对中央空调系统进行监控管理。1.1.2系统设计的目的空调管理系统的目标就是对所有的空调机组、水系统、配液系统、洗胶塞、灌装线、冻
7、干机等设备进行控制采用现代计算机控制技术进行全面有效的监控与管理，确保所有设备处于高效节能、安全可靠的最佳运行状态。1.2系统设计依据 本系统设计参照中国国家标准和工业标准现场控制网络协议而设计，设计依据如下： 民用建筑电气设计规范（JGJ/T16-92） 民用建筑电气设计规范（JGJ/T16-92）条文说明 采暖通风与空调调节设计规范（GBJ19/87） 低压配电装置及线路设计规范（GBJ54-83） 总线局域网标准（IEEE802.3） 西门子工业控制网络要求。2系统功能及技术要求根据工程的功能及技术要求结合本项目的实际情况，我们在进行方案设计时着重考虑了以下基本功能： 系统高可靠性，各子
8、系统能集中采集，分散控制：在各系统正常时能将所有的空调机组、水系统、配液系统、洗胶塞、灌装线、冻干机等设备的数据同时采集、显示，监控；当其中的一个或者几个出现故障时，其他的子系统都能正常工作。 中央空调系统的节能功能 通过图形软件实现管理维护的可视化 全中文普通话报警功能：本系统能实现全中文普通话报警，比如说有防冻报警时，系统会用光电报警的同时，用普通话提示室外温度太底，出现防冻报警。 2.1空调管理系统监控方案本方案是按照图纸要求的思路进行设计，由于业主没有提供详细的系统图纸和要求，暂时没有办法对控制点数进行完善的技术统计，本着对用户负责、考虑到后期工程实践中的诸多不确定因素，本方案着重于功
9、能的实现和系统组成，在硬件系统的组成上采用模块化硬件设计，方便以后用户在技术要求和工程实践中，能够根据需要进行方便的扩充而不增加额外硬件成本，系统完全可以按照用户的具体要求和系统的实际情况进行扩充。本系统的监控范围包括： 中央空调系统的运行参数设置。 水系统的运行参数的采集 配液系统的运行参数的采集 洗胶塞、灌装线、冻干机的运行参数的采集 以星期为周期的定时自动开关机设置。 各系统限制参数设置。 各系统的报警参数设置。 各系统运行控制。 各系统运行参数监视记录。 各系统的报警状态监控记录。 各系统的设备状态监控记录。 各运行数据的记录及报表。 各运行数据的随即打印和定时打印等（根据用户的具体要
10、求）。图5.定时管理界面2.1.1冷冻水、冷却水系统和系统监控方式为了保证系统的可靠运行，管理系统采用接点信号和通讯网络两种方式与设备进行连接的，主控制器可以采用两种方式对相关设备进行控制。接点方式可以控制相关设备的启动停止，读取设备的运行和报警状态等简单信息，保留接点控制主要是防止通讯网络故障时候采用比较简单可靠的方式以保证机组的正常运行，但是这种方式不能读取机组运行的具体数据。通讯网络方式主要通过网络对相关设备进行控制，通过通讯网络可以实现2.1叙述的全部控制和监视功能，读取每台机组相关信息。对冷水机组、冷冻水泵、冷却塔、冷却水泵及相关阀门进行监控。监控内容如下：l 冷水机组的运行状态、手
11、/自动状态、故障报警及启停控制。l 冷冻水泵的运行状态、手/自动状态、故障报警及启停控制。l 冷却水泵的运行状态、手/自动状态、故障报警及启停控制。l 冷却塔风机的运行状态、手/自动状态、故障报警及启停控制。l 冷却水总供/回水管温度、压力监测。l 冷冻水（冬天时候是热供水）总供/回水管温度、压力监测。 l 冷冻水总供回水压差监测及调节。l 冷水机的冷冻水（冬天时热水）出水温度监测。l 水源热泵水源水管的进出水温度、压力监测。机组启动后通过彩色图形和数据报表显示各设备运行状态、故障状态、参数值及运行参数越限报警，通过鼠标可任意个性设定值，以达到最佳运行状态。机组的每一点运行数据都列表汇报，参数
12、值有趋势显示图，报警显示及汇总。管理系统可通过系统设置的紧急停机开关量信号控制整个冷水机组紧急停机。机组运行数据、报警数据等。图6.系统主监控画面示意2.1.2系统的制冷控制过程l 冷水机组的运行容量及台数控制：通过设定冷冻水供/回水温度按照运行温度和设定温度的差值计算出冷冻水系统的冷负荷，并根据实际冷负荷及时调整投入运行的冷水机组的数量和容量及相关设施的数量，以达到最佳的节能状态。在主机组达到满载时候的补充，在主机组、辅机组需要投入运行时候，再对机组按照运行时间确定压缩机的开机次序，以保证压缩机运行时间的平衡，最大程度得减少设备的不平衡运行，延长压缩机和设备的寿命。l 联锁控制：为了确保冷水
13、机组及相关设备的正常运作，控制程序在设备启停次序上将作以下编排。螺杆水冷机组i. 启动：冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机空调机组ii. 停止：空调机组冷冻水泵冷却水泵冷却塔风机水源热泵机组i. 启动：冷热水泵水源潜水泵空调机组ii. 停止：空调机组水源潜水泵冷热水泵l 故障转机：制冷系统中，各台空调机组/冷冻水泵/冷却水泵/冷却塔/水源水泵互为备用。当任何一台设备出现故障时，空调管理系统会停止该设备运转，并根据有关设备的运行时间累计，启动运行时间最短的同类设备，以保证整个系统的连续运作。l 水流开关检测：当系统检测到任何一台压缩机组的冷却水或冷冻水的水流开关报警后将停止有关机组的运行，并投入另一机组
14、运行。l 冷却塔风机启动/停止控制：冷却塔风机采用分级控制的方案（本方案暂时分了3组），冷却水出水温度与空调管理系统中的冷却塔回水温度各级设定值进行比较后，空调管理系用控制器决定冷却塔风扇的启动/停止的数量。l 空调机组的优化运行控制：空调管理系统控制器根据制冷机组的运行累积时间，每次启动累积时间最少的一台制冷机组，以达到机组运行时间的平衡。l 机组的报警控制：空调管理系统通过集成设备与冷水机组控制单元通讯，通过对机组的控制可以对以下运行参数进行报警，同时通过对机组的控制，能够预先抑制运行参数，避免报警停机：供电电源缺相保护；供电电源逆相保护；供电电源过电压保护；供电电源低电压保护；压缩电源缺
15、相保护；压缩机电源逆相保护；压缩机电机过热；压缩机过载；压缩机油位保护；压缩机高压保护；压缩机低压保护；排气温度过高；水流开关故障；水温过低；水温过高；防止重复启动；传感器故障；机组周期性停机；防冻保护等；2.1.3系统的制热控制过程l 冷水机组的运行容量及台数控制：通过设定供水出水/回水温度，按照运行温度和设定温度的差值计算出系统的热负荷，并根据实际热负荷及时调整投入运行的水源热泵机组的数量和容量及相关设施的数量，以达到最佳的节能状态。制热时候，以水源热泵作为运行机组，水冷螺杆式冷水机组停机，在机组需要投入运行时候，对机组按照运行时间确定压缩机的开机次序，以保证压缩机运行时间的平衡，最大程度
16、地减少设备的不平衡运行，延长压缩机和设备的寿命。l 联锁控制：为了确保冷水机组及相关设备的正常运作，控制程序在设备启停次序上将作以下编排。i. 启动：水源潜水泵冷热水泵空调机组ii. 停止：空调机组水源潜水泵冷热水泵l 故障转机：制热系统中，各台空调机组/冷冻水泵/水源潜水泵互为备用。当任何一台设备出现故障时，空调管理系统会停止该设备运转，并根据有关设备的运行时间累计，启动运行时间最短的同类设备，以保证整个系统的连续运作。l 水流开关检测：当系统检测到任何一台压缩机组的冷却水或冷冻水的水流开关报警后将停止有关机组的运行，并投入另一机组运行。l 其它控制模式同制冷相同。2.1.4系统的几个控制过
17、程l 螺杆机的开机、加载、减载受开机指令和出水温度A控制。l 在螺杆机开机时候，A、B冷冻水循环泵的开机和运行主要受出水压力A控制，建议B使用变频器控制，并且C变频器控制作为备用。l 螺杆机开机时候，冷凝风机投入的数量，受冷凝水温度B控制。l 冷凝水泵的投入仅仅受螺杆机运行控制。O、Q是受自己的螺杆机控制，P作为备用水泵。l 制冷时候水源热泵的开机受开机、加载、减载受出水温度A1和螺杆机满载信号的控制。l 制热时候水源热泵的开机受开机指令和出水温度A1控制。l 在水源热泵开机时候，D、E冷冻水循环泵的开机和运行主要受出水压力A1控制，建议D使用变频器控制，并且C变频器控制作为备用。l 热泵水源
18、水泵，受出水压力C和温度C控制，建议3台水泵有一台使用变频器控制，并且C变频器控制作为备用。2.1.5空调机组的节能及优化控制为保证冷源及水系统的正常运行，充分利用空调管理系统强大的数据处理与分析功能，恰当地对系统进行调节，从而达到提高运行品质，降低运行能耗的作用，产生经济效益。冷源及水系统的能耗由冷水机组主机电耗、冷冻水、冷却水和各循环水泵电耗、冷却塔风机电耗等构成。如果冷冻水末端各都有良好的自动控制，冷水机组供冷量在满足各站需求的前提下，其节能就要靠恰当地调节机组的运行状态，提高其制冷效率（即COP值）和降低冷冻水循环泵、冷却水循环泵及冷却塔风机的电耗来获得。由于冷冻水系统为多个空调末端提
19、供供冷，冷冻水循环泵须提供足够的循环水量并满足各站的压降，同时通过关闭可能不需要空调的区域或者减少冷量需要不大的区域的供冷量，并尽可能使循环水泵在效率最高点运行。这样，冷源与水系统的节能控制就主要通过如下3个途径完成：l 维持各空调区域的最低冷量需求，在满足空调区域所需要的冷量的前提下，尽可能提高冷水机组出口水温以提高冷水机组的COP；当某些区域不需要制冷时关断冷冻水，某些区域制冷量要求低时减少冷冻水供应量，同时适当减少冷冻水加泵的运行台数或降低泵的转速或者调节电控阀，以减少水泵的电耗；根据冷负荷状态恰当地确定冷水机组运行台数，以提高冷水机组COP值；l 在冷水机组运行所允许的条件下，尽可能降
20、低冷却水温度，同时又不增加冷却泵和冷却塔的运行电耗。l 冷水机组控制:冷水机组与冷水系统其他设备的连锁关系设备开启顺序：冷冻水泵、冷却泵、冷却塔、冷水机组。l 设备关闭顺序：冷水机组、冷却塔、冷却泵、冷冻水泵。l 冷却塔风机的控制主要是根据冷却水温度进行调节，按照设定温度通过管理器设定的运行模式进行计算，根据需要开启风机，开启顺序根据时间平衡计算，优先开启运行时间较少的风机，通过顺序开启，可以避免风机同时开启对电网造成冲击。l 冷水机组运行台数及其容量控制：根据目前用户提供的工程现状，冷站安装了多台冷水机组，根据冷负荷情况适当地确定冷水机组的运行台数使冷量满足负荷要求，系统工作效率高，同时又不
21、使某台冷水机组频繁启停，这对于保障机组安全可靠和节能地运行有着重要意义。螺杆式压缩冷水机组及蒸汽或燃气式吸收冷水机组都具备较好的冷量调节手段，使机组可以在部分负荷下工作。然而，不论采用哪种调节手段，冷水机组的COP总随冷量变化，在最大制冷量附近出现效率最高点。当冷水机组出口温度不变，并且通过蒸发器的水量也不变时，不同的冷负荷相当于具有不同的蒸发器进口温度。较低的部分负荷时蒸发器进口水温较低，这也导致COP降低。因此若两台冷水机组均工作在小于50%的负荷时，改为一台冷水机组运行，冷水机组本身的COP提高，这样可以提高运行机组整体的能效比COP。从这个角度看，少开一台冷水机组，使各台运行的机组均处
22、于全负荷状态总比多开一台冷水机组，使各台机组都处于负荷要好。所以我们采用当运行机组满负荷运行时，如果需要进一步提高冷量，开启备用机组，直道机组全部开启。而当运行机组容量小于50%时候，需要继续降低容量，停止一台运行机组，直道全部停机。而对于已经运行的机组，运行能量尽可能保持一致。这样还可以有效地避免机组的同时启动，造成电网的冲击。l 回路调控算法设计：工程经验表明，控制与调节质量的优劣绝大部分因素取决于回路调控算法的选择及设计，一个算法的优劣将直接影响整个冷水及空调系统运行的稳定性，更重要的是，算法的准确性及优化程度，直接影响着水系统及风系统各大功率设备的节能程度。图7.一天冷量需要示意图l
23、回路调控算法综合分析：一般的回路控制中，基本上采用以下3种方法调节：1.标准PID算法；2.过程控制PI算法；3.过程控制PID算法。对于空调这样的特殊系统，我们采用PI调节和模糊控制方式相结合。而且此算法功能对不同的调控对象，将采取不同的算式。可以直接通过控件设置被控对象（如：压力、流量、温度、机组容量、运行电流等）来调用不同的算式。l 机组能量调节方式：对于机组可以采用有级和无级能量调节两种方式，有级能量调节控制精度比较高，能量控制精确，对于电制冷系统相比较无级能量控制它的成本没有明显变化。建议使用无级能量调节方式。l 冷却塔风机控制：由于采用多风机控制和冷却水系统，对于冷却塔风机可以使用
24、变频调速或者风机数量调节两种方式。由于机组对冷却水系统温度没有很高的要求，所以对于是否需要加装变频器我们认为没有太大必要，对系统没有太大的影响。同时由于管理系统主机采用模块结构，可以后期根据需要再加装，不会影响前期施工和后期改造。l 系统蓄冷控制：为了节约能源，有效避开用电高峰，系统采用水蓄冷储冷，用户可以使用强制或者预先设定自动储冷运行，通过设定储冷运行时间，就可以使得机组进入水储冷程序运行状态。3.系统设备选型设备选型我们重注品牌的选用，选用既是国际著名公司，同时在我国又有广泛的使用市场的产品，设备选型按照以下三个方面的内容进行选择：l PLCl 通讯网络一级网络采用INTERNET,二级
25、网络采用PROFIBUSl 触摸屏监控软件l 调节阀l 仪器仪表3.1.设备的选型原则：l 高度的可靠性和稳定性。l 能快速、有效、可靠、实时的获得运行的实时数据。l 能灵活方便的进行扩展。l 能方便的嫁接在老系统上。l 具有众多供货商和标准。l 在我国拥有众多的用户和具有良好口碑的产品。一级网络采用INTERNET使能与现在以及以后的系统能够完美结合，二级网络采用使用现场总线，现场控制总线技术是随着计算机技术、通信技术、集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业控制领域出现了一种新兴的控制技术，它是80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程控制自动化、生产制造自动化、楼宇自动化、设备监控
26、自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。 我公司选用的是目前在工业控制和楼宇控制使用率最高的现场控制总线PROFIBUS,PROFIBUS是目前应用最为广泛的总线系统，在世界范围内有超过10000家供货商，它不仅是国际标准，同时也是目前通过我国标准的总线，在我国许多工厂尤其是化工厂大都采用，它的可靠性、实时性是经过考验的。 PROFIBUS的最高波特率可达12M，设备间是通过一对双绞线或者光纤进行连接的，设备的连接方式灵活可以采用线形、心形、环形等种拓扑结构。为了保证其扩展的灵活、方便，我们网线采用双绞线，做到那里需要监控，就把网线布置在那里，在那里设置分站。实现建筑区域内大量空调设备的监控。
27、3.2管理监控主机具有以下特点l 中心控制室采用PC机，基本结构为标准PC、PC机选用HPDX7280计算机，支持正版 Windows XP Professional 凭借最新的英特尔 945G芯片组和含超线程技术的处理器、 最高达250GB的大容量SMARTIII串行ATA3.0Gb/s硬盘和最大4GDDR2533/667 SDRAM内存，可以大幅提升您的工作效率 ，基本的硬件安全和管理特性让您高枕无忧；可靠、完善的工程设计和高品质的组件确保了较长的系统寿命。配用30英寸液晶显示器，贴心的免工具机箱设计，令您可以轻松方便地对其进行维护。 l 现场总线主站接口卡PC5611，通过组态软件和应用
28、软件，充分利用PC机软件硬件资源技术，对实现系统组态、数据库组态、历史数据库组态、图形组态、控制算法组态、数据报表组态。l 管理主机选用西门子S7-400HPLC系列控制器。SIEMENS S7-400 PLC的技术特点：SIEMENS S7-400 PLC集散控制系统基于智能化、数字化、网络化设计思想；针对大中小型工业设备或生产过程；具有模块化柔性设计；提供开放数据接口、现场总线与互联网接入；顺应时代发展潮流，吸收最新电子技术、网络技术、控制技术；实现过程控制、逻辑控制、顺序控制综合；既可以规模化分散联控，也可以低成本单机配置；具有可靠性高、系统开放、构成灵活、界面友好、功能强大、维护简便的
29、特点。冗余设计：电源冗余、网络冗余、控制模板冗余，可根据可靠性要求配置冗余方案；电源冗余，支持双电网输入，并具有过压、过流保护；网络冗余，保证系统通讯稳定可靠；控制冗余，无扰动切换，保持控制连续性；多处理器分布处理、协调工作：I/O模块、控制模板、通讯模板、显示记录模板均配置相应微处理器，分工协作、就地处理、自主工作，负荷分散、危险分散、耦合减少、可靠性高、稳定性强，支持模板故障隔离、在线插拔等；信号智能调理与隔离技术，全电子数字化设计，无磨损部件，全隔离、隔离配电、自诊断、自校正、自恢复、故障隔离，自动补偿环境影响；通用信号输入，软件配置信号类型，基于数字总线，信号无损传递，支持全系列信号模
30、块自动识别、任意混装，开放协议，可为用户定制特殊模块；电磁兼容性（EMC）设计，信号端抗群脉冲干扰，达到了EMC的相关标准；在电磁发射源5W功率/0.5m距离下，能完全抑制射频干扰；多用户分级分区域安全设计、重要组态信息冗余化、可恢复，保证系统信息安全；针式连接器，有效的防尘与散热措施； 严格遵循国际ISO9001质量保证体系，贯彻于系统设计、开发、研制、生产、服务全过程。系统分布式、硬件模块化、软件组件化。整个系统可分步实施，并根据需要不断进行横行或纵向扩展，能自由地组成从几个回路的小规模数据采集与单元控制系统到成百上千回路的中大规模分布式监控与控制系统，既可用于化工、制药、建材、轻工、化肥
31、、城市工程等行业中的小型装置的控制，也可用于电力、石油、化工、冶金等行业中的中型装置和一些联合装置的控制；通用模拟量输入，支持工业标准信号，如热电阻、热电偶、电流、电压、/型标准信号等的全范围输入，只需软件设置信号类型、信号量程，并确认接线即可； 全方位开放设计，支持ActiveX、OPC、ODBC；系统提供数据库接口，可与常用的MIS数据库直接接口；完全实现OPC规范；提供OLE自动化服务器接口、DDE数据交换接口、驱动程序接口等将系统全方位的开放于用户，允许用户进行功能扩展与个性发挥；符合IEC61131-3标准的组态语言，包括功能块图FBD、梯形图LD、结构化文本ST等；基于模块化的系统
32、硬件、开放化的软件平台、专业化的应用软件，进行灵活集成与巧妙组合，如操作站/工程师站既可一体化集成配置，以节省空间、节省费用，也可分离配置、分布处理，满足不同层次、不同场合用户的需求。功能强大，系统完全基于构件结构，各模块独立性强，系统稳定，扩展系统和引用第三方软件方便；支持实时趋势曲线在线组态，用于系统运行分析、故障分析；灵活方便的报表组态方式，可形成多种多样的报表；输入输出仿真软件包，多种仿真手段，检查实施方案的正确性，节省成本；l WIN CC工业控制应用软件开发平台，基于中文WindowsNT/2000/XP环境，全中文操作界面，全面支持ODBC、OPC、ActiveX、TCP/IP协
33、议；多媒体操作界面色彩丰富，动画显示形象生动，易学易懂不需专门培训；透明的网络管理技术，无需任何网络编程知识和经验，在单机上无需联网即可完成分布在多区域的多机分布式监控系统的组态开发；提供多种标准算法模块和高级控制算法，先进的图形组态方式，形象直观，只需指定模块，拖拉连线，填写参数，无需编程即可生成系统；扩展IEC61131-3标准控制语言，支持先进控制与过程优化算法，结合西门子公司多年控制理论与控制应用研究成果，可扩展先进控制与过程优化算法集。在线故障诊断技术，自动确定故障点，模板可带电插拔，在线修复；模板智能化、多功能、类型少、易维修，消除配置浪费、减少备件；模拟量输入类型及数字量输入输出
34、模式可软件设置，选型方便、改型容易；模块化结构，方便用户按需要逐步进行系统扩展和升级；基于视窗技术的系统软件，易学易懂，方便用户自行维护； SIEMENS S7-400 PLC网络结构SIEMENS S7-400 PLC控制系统网络结构图SIEMENS S7-400 PLC集散控制系统采用二层网络结构，分别是系统网络SNet、控制网络CNet。I/O功能模板通过背板连接智能I/O调理模块；CNet连接各个功能模板；SNet采用工业以太网，可连接多套控制站，或多台操作站/工程师站，并可无缝连接MIS/ERP。l 实时数据显示、历史数据显示、图形显示、数据打印输出、数据输入及控制参数修改、报警处理
35、、故障处理等各个方面,真正实现监控对象可视性，达到完全开放的控制要求。l 通过形象逼真图形操作界面简单、方便进行空调机组操作控制。图8.空调监控界面示意l 由于空调机组采用了先进的分布式现场总线技术PROFIBUS，使得网线可以直接连接在空调机组上，现场总线系统的接线十分简单。由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而系统减少了设计、安装的工作量，设计、安装、调试、维护的费用大幅度地减少。l 系统可以实现中央集中控制，在中心控制室可以实现对空调机组的集中控制与管理，监控空调机组运行与关闭。l 可以根据需要在中央控制室设定空调机组的开通与关闭时间。l 可以根据需要在中央控制室开关空调机组
36、控制，实现定时开关、或者控制台手工开关。l 网络故障时，各现场控制器可以脱离主机独立工作。33系统软件软件选用工业组态软件，软件充分利用PC机的软件硬件资源，借用WINDOWS作为操作平台，采用工业标准化的应用软件，全中文化的图形化操作界面监视所有监控点的运行状态，以形象直观的动态图形方式显示现场环境状态和设备运行状态，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。WINCC软件具有以下特点。l 全中文、可视化、面向窗口的组态开发界面，真正的32位程序，支持多任务、多线程，可
37、运行于Microsoft Windows 2000/XP等多种操作系统。l 庞大的标准图形库、完备的绘图工具集以及丰富的多媒体支持，使您能够快速地开发出集图像、声音、动画等于一体的漂亮、生动的工程画面。l 全新的ActiveX动画构件，包括存盘数据处理、条件曲线、计划曲线、相对曲线、通用棒图等，使您能够更方便、更灵活地处理、显示生产数据。l 支持目前绝大多数硬件设备，同时可以方便地定制各种设备驱动；此外，独特的组态环境调试功能与灵活的设备操作命令，使硬件设备与软件系统间的配合天衣无缝。l 强大的数据处理功能，能够对工业现场产生的数据以各种方式进行统计处理，使管理人员能够在第一时间获得有关现场情
38、况的第一手数据。l 方便的报警设置、丰富的报警类型、报警存贮与应答、实时打印报警报表以及灵活的报警处理函数。l 对于用户来说，生产过程可以通过直观形象的图形界面，观察到整个生产过程，生产线上的全部设备的运行情况全部显示，系统通过总线对所有连结在总线上的设备进行控制，通过预先设置控制的功能，根据现场实际采集的数据，按照编辑好的程序对连结在总线上的设备进行集中管理和调度。同时通过选择可以对现场设备进行现场手动控制和监控室手动控制操作。l 报警系统具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能
39、，以及通过网络的远程报警管理。还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗。当系统出现故障、现场的设备出现故障、现场检测的环境数据出现异常时，系统发出声光报警，同时在计算机屏幕上提示报警的内容提示工作人员。当报警得到确认后才能消除报警。所有报警将纪录在报警总表中随时可供察看和打印，供操作人员察看和备案。提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日
40、报表、月报表、年报表、实时报表的组态。支持工业以太网，支持OPC服务。3.4通讯网络1.2.1系统网络Snet系统网络采用工业以太网，符合IEEE802.3标准；其通讯速率10/100Mbps，传输介质为5类非屏蔽双绞线。系统网络采用可靠性高的冗余结构，热备份工作，可以保证在任何一条网络失效的情况下不影响系统通讯。系统网络拓扑结构为星型和菊花链型，在一定区域范围的各节点都通过双绞线连到一个集线器上，各区域又通过双绞线或光纤把多个光端机/集线器互连在一起。1.2.2控制网络Cnet控制网络是控制站功能模板，如各I/O模板、控制模板之间的数据通道，控制网络采用PROFIBUS现场总线，是一种按优先
41、级抢占式的总线网络，采用双绞线为通讯介质，最大通讯速率12Mbps，它具有以下特点：多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需地址等节点信息，可方便地构成多机备份系统；网络节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输；采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续,传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况；只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广
42、播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”；采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了极低的数据出错率；节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。1.2.3现场总线PROFIBUS现场总线PROFIBUS是S7-400 PLC连接智能模块的高速总线，最高可达12Mbps，实现调理模板控制器和所有智能I/O模块之间的互连和信息传送，具有以下特点：n 支持点对点发送和广播发送功能；n 节点错误严重时不会影响其他节点正常工作；n 传输时间短，不易干扰，具有极好的检错效果；n 容易实现信号和信号之间，信
43、号和主机之间的隔离；n 容易实现模块级功能扩展。图9.总线PROFIBUS协议示意图通讯网络采用也采用了RS-485传输，是一种经过优化的高速、安全的传输形式，用于设备级控制系统与分散式IO的通信，暂时是按照PROFIBUS进行阐述的，其最大优点在于具有稳定的国际标准EN50170和国内标准作保证，并经实际应用验证具有普遍性。目前已应用的领域包括加工制造、过程控制和自动化等。PROFIBUS开放性和不依赖于厂商的通信设备，已在10多万成功应用中得以实现，PROFIBUS有国际著名自动化技术装备的生产厂商支持，有10000多供应商可以提供PROFIBUS产品，它们都具有各自的技术优势并能提供广泛
44、的优质新产品和技术服务，它是最具竞争力的一类现场总线。如果用户选用其它总线，由于控制器选用模块结构，可以选择相应网络模块，达到用户的要求。图10.PROFIBUS协议构造图l 采用RS-485传输是PROFIBUS最常用的的一种传输技术。这种技术通常称之为H2。在该系统中，网络采用的电缆是屏蔽双绞线铜线。l 全部设备均与双绞线连接，插头连接使用9针D型插头。l 每段的头和尾部各有一个总线终端电阻，确保操作运行不发生误差。l 电缆采用A型电缆，参数：阻抗：135165 电容：30 pf / m 回路电阻：110导线面积：0.34mml 连接各站时，确保数据线不要拧绞，屏蔽编织线和屏蔽箔，应在两端
45、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。3.5现场分站模块通过开放的、标准化的现场总线系统来连接各现场控制部件，在屋顶空调机组中，我们采用德国西门子分布式I/O解决方案，在系统中我们选用西门子S7-300系列控制器，组成了分布式监控方案。 分布式配置意味着： l 机组内控制器通过称为现场总线的信号电缆（屏蔽双绞线）连接。 l 可以脱离主站独立工作。3.6仪表选型 为了保证产品质量，同时根据我们的工作经验，建议PH计和电导仪采用光华爱尔梅特的CPM253-MRCPA442CYK10CYK10，CLM253CLS2150088281，调节阀选用西门子的，压力变送器选用EJA的，热电阻选用A级的PT100，由于没有详细的技术指标，所以仪表的选型没有办法特别准确，我们会根据甲方提出的技术指标，结合我们的工作经验选择最合适的仪表。
