ｌ ｍ程建设与设计 ＩＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｄｅｓ ＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ 综合监控系统网络通讯设计与实现 Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆａ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ＳｙｓｔｅｍＮｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 李晓硕 （中国中元国际工程公司，北京１０００８９） ＬＩ Ｘｉａｏ．ｓｈｕｏ （ＣｈｉｎａＩＰＰＲＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８９，Ｃｈｉｎａ） 【摘 要】以自动化设备综合监控系统项目为背景，针对工厂解决方案中多家设备厂商和应用程序的通信问题，设计 并实现了基于现场总线ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ的分布式控制集成方案；解决了复杂的第三方通信、控制逻辑等问题，实现了信 息采集、中心管理、远程控制的功能 【Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｂａｓｅｏｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｐｒｏｊｅｃｔ，ｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ ｉｅｌｆｄｂｕｓ－ｂａｓｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｐｌｎｔａ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｉｎ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｓｏｌｖｅ ｈｅｃｏｍｐｌｔｅｘｔｈｉｒｄ－ｐａｒｔｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｒｅａｌｉｚｅｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ｃｅｎｔｅｒｍａｎａｇｅｍｅｎｔａｎｄｒｅｍｏｔｅｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． 【关键词】监控系统；分布式控制；ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ；第三方通信 【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ；ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ；ｔｈｉｒｄ－ｐａｒｔｙｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 【中图分类号１ＴＰ３９３．０９ 【文献标志码】Ａ 【文章编号】１００７—９４６７（２０１２）１０—０１３２－０３ １引言 通常在一个工厂解决方案中集成不同制造厂商的仪器设 风系统主要监控的设备有风机、风阀、空调机、除湿机等， 主要用于自然环境的进排风、温湿度调节，从而保证值班人员 的正常生活环境。风系统中监控的设备与用户设定的温湿度、 备和应用程序是很复杂的工作，因为系统集成设计到多方通 信等复杂问题。本文以海军某基地自动化设备综合监控系统 项目为背景，该自动化设备监控系统从功能上主要包括风系 统、水系统、电系统和环境温湿度监控四个子系统，各个子系 统分别负责其相应的职能。整个系统近３ ０００个点，通过现场 总线ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ实现ｓ７．２００／３００主从站结构，主要监控的 设备有风机、阀门、水泵、空调机、冷却塔、排烟降温机组等，另 氧气含量、二氧化碳含量实现联动：当某个房间环境温度高于 设定值时，相应区域空调机自动开启；当某个房间温度低于设 定值时，相应区域空调机自动关闭；当氧气含量低于设定值 时，相应区域的风机、风阀自动打开为该区域供风。 水系统主要监控的设备有水泵、水阀、冷却塔等，主要用 于保障该环境的生活用水、消防用水、冷却用水。另外还需要 监测系统内各水库液位，并使水库进水阀门与液位实现联动： 当液位低于设定值时，水阀自动打开开始补水；当液位高于设 定值时，水阀自动关闭停止进水。 外包括两个１０ｋＶ／３５ｋＶ变电站监控分系统及环境温湿度数据 采集分系统。 电系统主要监控两个１０ｋＶ／３５ｋＶ变电站运行状态，从而 【作者简介】李晓硕（１９８４～），男，河北石家庄人，助理工程师，从事 电气自动化设计及工程管理，（电子信箱）ｌｉｘｉａｏｓｈｕｏ＠ｉｐｐｒ．ｎｅｔ。 １３２ 保障系统内部各种用电设备的正常工作。主要监控的参数有 主进线电压、电流、功率因数，各支路电压、电流、功率因数等。 公用工程设计ｌ Ｍ Ｕｔｉｌｉｔｉｅ 诤 Ｊ 环境温湿度分系统主要用于采集各房间和区域的温湿度、氧 气、二氧化碳含量，保障人员安全，并实现环境温湿度参数与 风系统、空调设备的联动。 总之，该自动化设备综合监控系统是为保障系统各方面 总线站能够在规定时间内获得充分的机会来完成它的通信任 务。另一方面，复杂的ＰＬＣ或ＰＣ与简单的分布式处理Ｉ／Ｏ外 设间的数据通信要快速并尽可能降低协议开销。ＰＲＯＦＩＢＵＳ 总线符合Ｅ Ｒｓ４８５嘲标准，ＰＲＯＦＩＢＵＳＲＳ４８５的传输程序是 以半双工、异步、无间隙同步为基础的。传输介质可以是光缆 或屏蔽双绞线。 的正常工作而建立的，而且当发生紧急事件时，可以及时启动 应急措施，保证设备的正常运行和人员的安全。 ２通信方案总体介绍 Ｗｉｎ（（ Ｗ ¨ Ｈ 、 图１系统结构 该系统主体部分采用分布式控制，主要使用了现场总线 ＰＲＯＦＩＢＵＳ—ＤＰ主从通信方式。其中ＤＰ主站为西门子ｓ７．３００ 系列ＰＬＣ（ＣＰＵ３１５—２ＤＰ），ＤＰ从站为扩展了ＥＭ２７７通信模块 的西门子ｓ７．２００系列ＰＬＣ（ＣＰＵ２２４／２２６），系统包含多个ＤＰ 从站。ｓ７．２００ＰＬＣ直接采集现场设备的状态和控制信息，并通 过ＰＲＯＦＩＢＵＳ．ＤＰ网络与ｓ７．３００主站通信；扩展了ＣＰ３４３ １ 通信模块，ｓ７．３００主站通过以太网与ＷｉｎＣＣ上位机进行通 信。系统结构见图１。 在本系统中，有许多环境变量需要监控：如环境温度、湿 度，空调相关的运行数据，水泵相关的运行数据，风机和阀１、］ 的相关运行数据等。 然而，这些系统或设备本身是成套的，很多自带有小型的 图２第三方通信解决方案 在工业现场实际应用中，无论该设备出自哪家厂商，只要 符合ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ规约的设备均可以直接接入到 ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ网络中，这样就保证了ＤＰ通信方式的通用性 和标准。 在本系统中，ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ是主要的通信方式。选用西 门子ｓ７．２００系列ＰＬＣ做ＤＰ从站。使用的ＣＰＵ型号分别有 ＣＰＵ２２４ＣＮ、ＣＰＵ２２６ＣＮ（ＣＰＵ版本２．Ｏ１）。为满足现场总线 ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ通信需要，扩展了ＥＭ２７７ＤＰ通信模块。其中空 调机控制系统使用的控制器为Ｓ７．２００ＰＬＣ，为了将该控制系 统纳入到综合监控系统中，为空调机控制系统加装了ＥＭ２７７ ＤＰ通信模块。通过ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ总线通信方式直接与 ｓ７．３００ＤＰ主站通信。 ３．２ ＯＰＣ 控制系统，同时，由于生产厂商不同，这些设备可以对外提供 的接口有很大的差异，目前已有的现场总线技术和ＩＴ技术都 有可能使用到。 ３通信技术介绍 ３。１ ＰＲＯＦＩＢＵＳＤＰ 在目前的情况下，ＯＰＣ是基于微软ＣＯＭ（组件对象模型） 技术的。ＣＯＭ对象可以在网络上透明地分布，所以ＯＰＣ Ｃｌｉｅｎｔ 自动化工业过程和制造过程是现场总线技术的主要应用 领域，ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线访问机制能够满足其中的两个极为重 要的需求。一方面，同级别的ＰＬＣ或ＰＣ之间的通信要求每个 可以通过ＤＣＯＭ（分布式ＣＯＭ）的方式访问ＯＰＣ服务器。现 １３３ Ｉ工程建设与设计 Ｉ ｃ鲫５ 啪 ＆ＤｅｓｉｇａＦｏｒＰｒ ｅｃｔ 在有３００多家自动化领域的著名厂商都支持ＯＰＣ接口，其中 包括西门子公司。微软保证Ｗｉｎｄｏｗｓ的兼容陛。这样，集成各 个厂家的设备和应用程序就非常容易。 台达ＰＬＣ的ＣＯＭ３扩展口只支持ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ格式 通信方式，所以需要在ｓ７．２００ＰＬＣ中编写ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ格 式的通信程序。 ＳＩＭＡＴＩＣ ＷｉｎＣＣ全面支持ＯＰＣ，也就是说ＷｉｎＣＣ中的 ＯＰＣ符合ＯＰＣ基金会的ＯＰＣ规范。集成在基本系统中的 ＯＰＣ ＤＡ Ｓｅｒｖｅｒ，可以让其他兼容ＯＰＣ的应用程序访问 ＷｉｎＣＣ的过程数据，进行进一步的数据处理。 在本项目中，已建设并投入运行变配电监控系统具有符 合电力行业１０１、１０２规约的通信方式及上位机监控系统，该 上位机监控系统提供ＯＰＣＤＡ服务器通信接口。因此，我们使 用ＷｉｎＣＣ作为ＯＰＣ ＤＡ客户机与该监控系统进行通信。 ３．３ ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩｌ ＭＯＤＢＵＳ协议是Ｍｏｄｉｃｏｎ公司于１９７８年发明的一种用 于电子控制器进行控制和通讯的通讯协议。通过此协议，控制 器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间 可以进行通信。它的开放眭、可扩充性和标准化使它成为—个 通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以简单可 靠地连成工业网络，进行系统的集中监控，从而使它成为最流 行的协议之一。 自由口通信是西门子ｓ７．２００ＰＬＣ特有的一种通信方式， 其物理层采用Ｓ７．２００ＰＬＣ自带的ＲＳ４８５接口（Ｐｏｒｔ０或Ｐｏｒｔ １）。在自由口通信方式下，用户可以自己定义通信协议，通过 编写程序，ｓ７．２００ ＰＬＣ可以与任何通讯协议公开并且具有通 信能力的设备进行通信。西门子ＳＴＥＰ７／ＭｉｃｒｏＷｉｎ ＳＰ５以上版 本编程软件中也具有ＭＯＤＢＵＳ ＲＴＵ指令库可供用户进行 ＭＯＤＵＢＵＳ ＲＴＵ格式的通信时使用。然而ｓＴＥＰ７／Ｍｉｃｒｏｗｉ１１ 软件并不自带支持ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ指令库，这就使得用户在 进行ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ格式的通信时需要自己编写通信程序。 在本项目中，环境监控分系统的冷却水控制系统使用的 是台达ＤＶＰ３２．ＥＨ，该型号ＰＬＣ并不支持ＰＲＯＦＩＢＵＳ ＤＰ，只 能采用其他通信方式。 在该控制系统中，台达ＤＶＰ３２－ＥＨＰＬＣ自带的两个通信 接口均已被占用：ｃ０Ｍ １连接了触摸屏，ＣＯＭ２连接了变频 器。因此，考虑使用扩展口ＣＯＭ３与ｓ７．２００ＰＬＣ进行通信， Ｓ７．２００ ＰＬＣ通过读取台达ＰＬＣ的寄存器获得变频器相关的 运行数据，同时，Ｓ７．２００通过写数据到台达ＰＬＣ的寄存器从而 达到控制变频器的启停和改变变频器工作频率的目的。 １３４ ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ通信方式为典型的单主站结构，在本项 目中，冷却水控制系统中有３个台达ＤＶＰ３２．ＥＨＰＬＣ均需要 与ｓ７．２００ＰＬＣ使用ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ方式进行通信。因此， ｓ７．２００ ＰＬＣ作为ＭＯＤＢＵＳ ＡＳＣＩＩ主站，台达ＰＬＣ作为 ＭＯＤＢＵＳＡＳＣＩＩ从站。 ３．４ ＵＤＰ ＵＤＰ（ＵｓｅｒＤａｔａｇｒａｍＰｒｏｔｏｃｏ１）：用户数据包协议，是ＯＳＩ 参考模型中一种无连接的传输层协议，提供面向事务的简单 不可靠信息传送服务。ＩＥＴＦＲＦＣ７６８是ＵＤＰ的正式规范。 ＵＤＰ是一个面向无连接的协议，传输数据前数据源端和 终端不需要建立连接，当它想传送时就简单地去抓取来自应 用程序的数据，并尽可能快地把数据发送到Ｅ￣ｅｍｅｔ网络上。 在发送端，ＵＤＰ传送数据的速度仅仅是受应用程序生成数据 的速度、计算机的能力和传输静 艮制；在捶撒端，ＵＤＰ把每个 消皂段 舒＾歹 扣，应莉国事每次从队列中读一个消息段。 在本项目中，１０ｋＶ／３５ｋＶ变电站系统符合电力１０１、１０２ 规约，对外可提供ＵＤＰ通信接口。因此，选择本系统中加装了 ＣＰ３４３．１以太网通信模块的ｓ７．３００主站与１０ｋＶ／３５ｋＶ变电站 系统通过ＵＤＰ方式进行通信，从而将变电站监控系统的数据 显示在ＷｉｎＣＣ运行系统里。 ｓ７．３００ ＰＬＣ使用ＵＤＰ通信方式只需要在网络组态 Ｎｅ＆ｒｏ中新建ＵＤＰ连接（见图３），将ＩＰ地址及通信端口号等 信息设置好，并且在程序中调用ＡＧ ＲＥＣＶ功能块来接收数 据，如图４。 图３ ＵＤＰ连接 （下转第１３７页） 公用工程设计ｌ ｂｌｉｅ Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ Ｄｅｓｉｇｎｌ 表１传统控制方式与电机控制模块方式技术指标与性能比较 制模块中，完全取代了传统二次控制回路的分离元 器件。模块按所控制设备的数量和启动方式分为 １０种类型，通过在模块上编程设定不同的控制程 序和接人不同的控制信号，可实现国标图集如《常 用风机控制原理图｝１０Ｄ３０３．２、《常用水泵控制原 理图））１０Ｄ３０３—３等所列出的所有控制方案并可定 制各种非标控制功能。完全摒弃了电机采用分离元 器件的传统二次控制方式所带来的弊端。 传统控制方式与电机控制模块方式技术指标 ５电机控制系统 本工程使用了大量的风机、水泵等电机拖动设备，风机类 有：单台普通风机、单台排风兼排烟风机、排烟风机、正压送风 机、新风机组、排风兼排烟双速电机等；水泵类有：冷冻泵、冷 却泵、热水循环泵等。 和陆能比较详见表１。 ６结语 作为电气设计人员，一方面期待着国家有关规范、行业标 准进一步完善，并与国际接轨。另一方面在设计过程中，应推 广采用先进技术，在节能的基础上体现“医疗建筑以人为本、 对其电机的二次控制系统设计采用了新型的节能配电设 备一电机控制模块。 安全第一”的设计理念，为病人和医护人员提供一个技术先 进、功能齐全，安全可靠的医疗环境。＜ 【参考文献】 【１】ＪＧＪ １６—２００８民用建筑电气设计规范【ｓ】． 电机的传统二次控制都是采用分离元器件，如指示灯、控 制按钮、转换开关、中间继电器、时间继电器等拼装而成，存在 安全性、可靠性差；安装调试难度大、时间长；控制箱、配电箱 尺寸大；能耗高、运行费用高；所需耗材多、安装人工成本高； 受环境温度、湿度影响大等诸多弊端。而电机控制模块以应用 ＦＰＧＡ控制技术为核心，通过微电子技术、数据传输技术、软件 技术、液晶显示等技术的应用，将电机二次控制线路集成在控 【２】ＧＢ １６８９５．２４－－２００５建筑物电气装置特殊装置或场所的要求 医疗场所【ｓ］． 【收稿日期］２０１２．０３．１３ （上接第１３４页） 本文以海军某基地实际工程项目为背景，设计并实现了 自动化设备综合监控系统。该系统解决了复杂的第三方通信、 控制逻辑等问题，集成了多家厂商的自动化设备，实现了自动 化设备状态信息现场采集、中心管理、远程控制的功能。 笔者作为项目方案设计和现场实施的主要负责人，完成 了整个系统的结构设计、ＰＬＣ控制器产品选型及安装、软件编 程调试、项目验收及系统售后维护等工作。该系统自投入运行 至今，运行稳定，受到了ＥＯ方使用人员的一致好评。ｄ》 【参考文献】 【１】西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团．深入浅出ＷｉｎＣＣＶ６．０ 图４ Ｆ０功能调用 【Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００５． ４结语 【收稿日期］２０１２．０６．１７ １ ３７