PROFIBUS总线在水源中央空调监控系统中的应用

孙彦军（天津泰达水业有限公司净水厂，天津 300457）



PROFIBUS总线在水源中央空调监控系统中的应用

孙彦军
（天津泰达水业有限公司净水厂，天津 300457）

摘 要：PROFIBUS是比较典型的一种现场总线，其应用极为广泛。针对厂内水源中央空调使用中存在的一些问题，本文提出了利用PROFIBUS总线技术实现水源中央空调上位机和下位机分布式控制的整体解决方案，并在实际应用中达到了令人满意的效果。

关键词：PROFIBUS；WinCC；水源热泵；节能减排

0 引言

水源热泵技术是将深度在1000m以下地表浅层水源（如河流、湖泊和地下水）中吸收的太阳能和地热能提取出来，用以制取冷（热）风或冷（热）水的技术，属于可再生能源技术。目前应用最广泛的是水源中央空调系统，夏季水源温度比室内环境温度低，水源中央空调将室内的热量转移到水源中，从而达到制冷的效果；冬季水源温度比室内环境温度高，水源中央空调将水源的热量转移到室内，以满足供暖需求。水源中央空调节能高效，不会产生如CO2、SO2等气体，把节约能源和环境保护两方面的优势融为一体，是21世纪最有效的制冷、制热空调技术，被称之为绿色能源技术，近年来在我国发展得非常迅速。本文介绍的就是利用PROFIBUS总线技术实现水源中央空调上位机和下位机分布式控制的具体应用。

1 水源热泵简介

厂内共有水源热泵机组3套，工作介质为每日供应量稳定在2万t左右的海水淡化水。根据实际情况和不同使用需求将水源热泵机组分别安装在厂内的不同位置，利用海淡水水温余热采用热泵方式分别为办公区域和生产区域服务。海淡水水体温度一年四季较为稳定，入厂末端平均温度冬季为18.3℃，夏季为27.1℃，全年供暖和制冷效果优异。一套水源中央空调可以替代现有供暖系统和空调系统，全年运行费用仅为普通中央空调的50%左右，节能效果优越。不仅如此，由于水源热泵中央空调的制冷、制热工作原理有别于其他空调，所以用其制冷和制热的过程温度变化更加平稳，使人体感更加舒适。

水源热泵机组为近期安装设备，现阶段只能在现场进行手动操作。另外厂内面积较大，每天上班员工数量少，在夏季水源中央空调温度调节又较为频繁，给设备的正常使用和管理带来极大的不便。

2 PROFIBUS总线概述

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置或系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线。以挂接在总线上具备信号输入、输出、运算、控制和通信功能的各类仪表或设备作为网络节点，以通信线缆为传输纽带，按照开放、规范的通信协议，在多个具备数字计算能力和数字通信能力的测量仪表、设备和控制站之间实现数据传输与信息交换，形成适应各种应用需要的自动控制系统。可实现如实时监控、PID控制、参数修改、报警等综合自动化功能。现场总线是一项以数字通信、计算机网络、自动化控制为主要内容的综合技术。

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，由3个兼容部分组成，即PROFIBUSDP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS。其中DP型适用于工业自动化领域，特别适合PLC与现场I/O设备之间的通信，可取代24VDC或4m～20m信号传输，广泛应用于分布式控制系统；PA型适用于过程自动化，遵循IEC1158-2标准，用于对安全性要求高的场所及由总线供电的站点；FMS型适用于车间级通用性数据通讯，满足中等传输速度的周期性和非周期性通讯任务。PROFIBUS是属于单元级、现场级的SIMATIC网络，适用于传输中、小量的数据。传输介质可以是屏蔽双绞线、光纤、无线传输等。PROFIBUS-DP数据模型使用了ISO/OSI模型中的物理层、数据链路层和应用层，第三层到第六层未使用，这种精简的模型确保高速数据传输和控制成本。根据应用特点和实际需要，水源中央空调监控系统采用PROFIBUS-DP总线控制方式。

图1系统结构示意图

3 水源中央空调监控系统

3.1 系统主要配置

（1）DELL工控机两台，内置以太网卡；

（2）西门子SIMATIC WinCC7.0上位机组态软件两套；

（3）西门子S7-300PLC一台，选用型号为S7315-2DPCPU；

（4）PROFIBUS-DP光纤模块OLM一个；

（5）EM277通信模块3个。

3.2 系统结构

系统采用“集中管理、分布控制”的网络结构，主要利用PROFIBUS-DP总线将本系统中各种硬件整合到一起，形成一个在上位机即可对现场设备进行实时监控和远程操作的控制网络。整个系统采用混合通信方式，即上位机与下位机之间通过以太网进行通信，由于传输距离较远，采用光纤通信。下位机以S7-300PLC的CPU315-2DP作为主站，从站S7-200由于本身没有DP接口，CPU224通过扩展EM277通讯模块连接到PROFIBUS-DP总线上。系统结构示意图如图1所示。

将装有SIMATIC WinCC组态软件的两台工控机作为上位机，用以监控整个网络的运行状态。上位机位于厂内总控室，为使系统运行更加稳定可靠，由不间断电源UPS供电。两台上位机互为冗余，同时具备现场设备信息采集功能、监控功能和控制功能。当其中一台设备发生故障后，另一台可继续投入使用。两台上位机均具备工程师站和操作站的权限，可通过不同的用户名登录系统。操作站仅能进行基本的生产操作，工程师站可进行设备操作、修改程序和参数等一切操作。S7-300PLC负责读取从站状态、发送控制信息，从而实现对整个系统的数据采集和远程终端控制。各从站利用S7-200PLC实现对每台水源热泵机组的控制，采集在线的实时数据，如流量、温度、压力、频率等运行参数，利用PLC输出端发出操作指令。

3.3 软件设计

本系统涉及到的软件分为两部分：上位机监控软件和现场控制软件。上位机监控软件选用西门子SIMATIC WinCC7.0，WinCC集成了图形技术、人机界面技术、数据库技术、控制技术与网络通信技术。利用WinCC软件实现上位机与PLC之间的通信连接，以便进行数据交换和数据处理。根据工艺和控制要求在该平台上开发出水源中央空调系统的主控画面，报警界面、参数设定界面、实时趋势曲线界面、报表界面。通过与下位机进行实时通信，接收下位机处理后的数据及运行状态，并存储到数据库中，同时把得到的数据（如当前状态和各种过程参数）显示在各界面的相应位置，其中数字量以指示灯的方式显示，模拟量以文本的方式进行显示，以满足各种监控需求。设置了联动、单控、手动3种运行模式，通过各个界面上的按钮、开关，允许操作人员对现场设备进行远程操作，以满足操作需求。通过主控画面上的对话框修改温度、频率等参数设定值，以满足管理需求。现场控制软件用STEP7软件进行开发，用于进行PROFIBUS主从站结构网络的参数设置，确定各主从站在PROFIBUS在网络中的地址。

结论

基于PROFIBUS-DP的水源中央空调监控系统采用总线连接方式，设计合理、架构简单，减少了由接线点多造成的不可靠因素。该系统投入使用近一年，运行稳定可靠。系统相应速度快、控制精度高，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。系统具有友好的人机界面，操作直观方便，减轻了厂内运行人员的工作强度，提高了整体的工作效率。

参考文献

［1］蒋能照，刘道平.水源、地源、水环热泵空调技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［2］夏继强，邢春香.现场总线工业控制网络技术［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

［3］王春梅，周仕强.地源热泵微机自动监控系统设计［J］.工业控制计算机，2011，24（7）：14-15.

中图分类号：TN915

文献标识码：A