西门子主控系统下的隧道通风照明系统改造

张 俊 ，孙竹梅

(1.山西交通控股集团有限公司大同南高速公路分公司，山西 浑源 037400； 2.山西大学自动化系，山西 太原 030013)

0 引言

某高速公路隧道原有通风照明控制系统采用欧姆龙可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)实施控制，属于就地控制系统，未纳入隧道整体一体化远程监控系统。为实现现场无人值守和一体化管控要求，根据当地自然环境以及隧道的工作环境，引入西门子PCS7系统作为主控系统。因此，需要将欧姆龙PLC控制系统接入西门子主控系统。由于就地控制系统与主控系统采用的通信协议不同，两者之间不能直接进行数据交换。对此，可选的改造方案有2种。①将现有欧姆龙PLC控制系统替换为西门子控制系统，与主控系统通信协议一致，集成全新的控制系统。该方案需要废除原就地控制系统，购买成套新设备，重新建造安装调试现场控制系统。整个系统的建设周期长，费用高。②在现有就地控制系统基础上，建设不同通信协议下的主控与就地系统。通过网间协议转换器，实现欧姆龙PLC就地控制系统与西门子主控PCS7的数据通信。就地控制系统经过软件设置与编写程序接入西门子主控系统，可实现主控系统的一体化管控模式。该方案利用了现有设备，同时缩短了改造周期，降低了改造费用。

本文认为方案②更适合该隧道改造的实际情况。因此，采用方案②，构建西门子主控系统下的隧道通风照明一体化远程监控系统[1]。

1 系统整体设计

本文以西门子PCS7为主控系统，欧姆龙PLC为现场控制器。在搭建系统时，主控系统采用Profibus-DP协议(简称DP)，现场就地控制系统欧姆龙PLC采用DeviceNet协议。由于两者的协议不同，引入网间协议转换器，在主控系统与就地控制系统之间实现数据交换。这就构成了就地控制系统接入主控系统的一体化管控模式。

1.1 系统硬件集成

西门子主控系统下的隧道通风照明系统包括远程监控计算机、西门子主控制系统PCS7、现场就地控制系统欧姆龙PLC、网间协议转换器、现场就地监控计算机，以及其他现场通风、照明等设备。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

主控制系统为西门子S7-400 PLC的高端控制器。远程监控计算机既是PCS7系统的服务器，又是PCS7系统的操作员站和工程师站，可以进行数据采集与信息交换、系统的组态和维护。西门子主控系统PCS7与远程监控计算机使用以太网通信。现场就地控制系统欧姆龙PLC系统与就地监控计算机之间通过以太网传输数据。网间协议变换器实现Profibus-DP协议与DeviceNet协议之间的转换，完成支持两协议之间硬件系统的通信。网间协议变换器选用上海泗博公司生产的网关PD-100S。PD-100S搭建了Profibus-DP协议与DeviceNet协议之间的硬件连接与协议转换。网关PD-100S与西门子主控PCS7系统通过Profibus-DP总线连接，网关PD-100S与就地控制系统欧姆龙PLC通过DeviceNet总线连接[2-3]。

1.2 网关通信原理

网关是不同协议标准之间的桥梁。PD-100S网关是建立Profibus-DP协议与DeviceNet协议之间联系的桥梁，完成Profibus-DP协议与DeviceNet协议的数据格式转换和数据的读写操作，实现西门子主控系统PCS7与欧姆龙PLC硬件设备之间的数据交换。在Profibus-DP协议与DeviceNet协议之间建立映射关系，实现二者之间的数据交换。PD-100S网关建立了Profibus-DP网络输入缓冲区和输出缓冲区，网关从就地控制系统读入的数据存入PD-100S的输入缓冲区，由Profibus-DP网络读取。同时，网关也从PD-100S的网络输出缓存区提取Profibus-DP网络送来的数据，并发送到现场就地控制器欧姆龙PLC。网关PD-100S既是Profibus-DP网络的从站，也是DeviceNet网络的从站，占用两边网络的站地址。因此，需要对网关PD-100S单独配置节点[4]。PD-100S通信原理如图2所示。

图2 PD-100S通信原理图Fig.2 PD-100S communication schematic diagram

2 系统软件组态及配置

系统软件组态与配置包括：西门子主控系统PCS7组态，现场就地控制系统欧姆龙PLC组态，网关PD-100S配置。

2.1 西门子主控系统组态

西门子主控系统使用PCS7系统，用西门子软件STEP7进行组态。组态包括：项目的创建，组态自动化站、工程师站以及操作员站。西门子主控系统主要采用西门子S7-400 CPU，以及与其相匹配的电源模块和通信模块。在建立自动化站以后，根据使用设备型号插入机架、电源模块、CPU和通信模块[5]。

网关PD-100S在组态时，首先作为DP侧的从站，需挂在DP主站下面，将PD-100S网关GSD文件导入STEP7文件。对此，可以在组态目录中找到PD-100S，将其挂接在DP站下。网关PD-100S从站地址由网关设备的地址旋码器设定，组态中PD-100S的从站地址与其设备设定的地址必须一致。其次，网关作为DP与DeviceNet协议的转换器，占用两个网络的输入输出地址。分配PD-100S在DP侧输入输出地址时，根据现场就地控制系统的隧道通风照明设备地址进行设定。组态结束后，保存编译下载组态。下载组态通过以太网进行。自动化站组态完成以后，组态工程师站，通过连续功能图(continuous function chart，CFC)语言在站内编写程序，以进行数据读写，并在操作员站中组态远程监控画面，实现系统对隧道通风照明设备运行过程的监视，以及远程控制[6-8]。

2.2 就地控制系统组态

就地控制系统使用隧道现有的欧姆龙PLC控制系统。为了实现隧道通风照明系统的远程一体化管控，对现有的欧姆龙PLC就地控制系统进行改造，即接入主控系统，以实现整个控制系统无人值守的远程管控。

在将原有就地控制系统接入主控系统时，原有的欧姆龙PLC硬件配置不需要进行修改，都可以使用。同时，需要将网关PD-100S组态到原欧姆龙PLC控制系统中。首先，将PD-100S的EDS文件安装在欧姆龙PLC的软件中。然后，在其软件创建项目工程，配置扫描表。欧姆龙PLC通过扫描表扫描挂接在其下面的设备，扫描表中出现PD-100S后，说明网关已经被组态在就地控制系统中。扫描表中包含硬件、硬件地址、硬件对应模块的I/O地址。I/O模块地址是就地与远程系统数据交换的地址[9-10]。

2.3 网关PD-100S配置

网关PD-100S作为DP与DeviceNet网络的协议转换器，连接主控系统与就地控制系统，在主控系统是DP站的从站；在就地欧姆龙控制系统中，是DeviceNet网络的从站。网关的配置包括硬件和软件配置。硬件配置包括网关在DP侧从站的站地址，以及在DeviceNet网络中从站的站地址。软件配置是通过计算机超级终端，对网关的输入输出字节长度、网络状态字、数据交换方式、工作方式以及更新周期等进行设置。这些设置与网关工作环境中所承担的任务是匹配的。

3 主控系统远程监控程序

西门子主控PCS7系统通过CFC语言编写远程监控程序，实现对隧道通风照明现场控制系统的远程管控。

西门子主控系统PCS7在完成硬件组态后，组态工程师站，并通过工程师站远程控制现场过程。在组态工程师站中，利用CFC语言编写监控程序，建立变量与远程监控画面的连接，实现西门子PCS7系统对现场控制系统的参数、设备状态监视和远程的启停控制[11]。

隧道通风照明设备的状态及其启停控制信息属于开关量信号，改变对应位存储地址的变量，即可实现对隧道通风照明设备的启停控制。射流风机远程启动控制CFC程序如图3所示。

图3 射流风机远程启动控制CFC程序图Fig.3 CFC program for remote start control of jet fan

4 创建监控画面

系统设计监控画面有远程与就地画面。双画面能够实现远程与就地的双重控制、无人值守的远程管控，以及主控系统下的一体化管控。远程监控画面可以远程监视现场的运行过程与运行参数，并能够远程管控现场运行的启停。就地监控画面可以在现场主控室监视现场运行，以及控制现场运行过程。远程监控画使用WinCC软件制作，就地监控画面使用组态王软件制作，制作画面过程相似。下面以远程监控画面为例，说明画面的制作与控制过程[12-13]。

西门子主控PCS7系统的远程监控画面，是在操作员站下建立的。在主控系统PCS7完成自动化站与工程师站的组态以后，通过WinCC软件创建远程监控画面，建立画面与监控变量的连接，设置变量的变化范围。远程监控画面的控制是通过CFC组态实现的。

主控系统远程监控画面是一体化系统的人机接口。主控运行人员可以通过远程监控画面，对隧道通风照明系统进行启停、设备状态监视以及手动控制，无需依赖现场工作人员就能实现对就地设备的控制。隧道通风照明系统的远程监控画面主要可以实现：系统的手动/自动运行状态的选择，远程运行人员对射流风机的控制状态(启停)、照明设备的控制状态(启停)操作的软按钮等[14]。系统远程监控画面如图4所示。

图4 系统远程监控画面Fig.4 Remote monitoring screen of the system

5 结论

隧道通风照明系统在西门子主控系统PCS7系统的远程管控下，实现了对现场就地控制系统欧姆龙PLC的远程监视与控制。通过在主控系统中创建变量和监视画面，并建立变量与监视画面之间的连接，在主控系统下编写控制程序，可以独立控制现场的通风设备与照明设备；远程管理人员也可以通过远程监控计算机，监视现场的运行状态。将现场控制系统欧姆龙PLC接入西门子主控系统，可以通过主控制系统PCS7实现远程监视现场设备的运行状态，远程管控人员也因主控制系统实现了更高的控制权限，在需要或必要时远程控制现场设备的运行状态，甚至是整个现场系统的启停。

本文在对某高速公路隧道现有控制系统的改造过程中，实现了远程就地的双层监控，通过使用西门子主控系统达到了一体化管控模式。这种改扩建中能够明显降低改造成本、缩短建设周期；在充分利用西门子主控系统控制功能的情况下，亦可获得更宽的控制范围和更好的控制品质。该改造方案可为隧道一体化建设提供参考与示范。