西门子6ES7214-2AS23-0XB8选型手册

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**以来，我国通过外国**及世行等项目，引进了国际上较先进的水处理自动化控制理念和技术。经过10多年的努力，以PLC构成的集散监控系统已成为水处理自动化的主流。经验证明，这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的。随着PLC技术性能的不断提升，向来以采用DCS系统为主的化工、冶金行业也在争论是采用DCS或是DCS与PLC的混合系统，还是全PLC系统的问题。随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，现场总线技术成为当今世界自动化领域的新起点。面对现场总线技术的，水处理自动化控制技术还要不要向前发展了呢?回答是肯定的。问题是1999年现场总线技术标准IEC 61158的尘埃落定，有8种总线成为IEC现行的现场总线技术标准，人们所期望的由一种现场总线一统的局面并未发生。IEC 61158将较终选择权推给了用户，如何应用现场总线成为从事水处理自动化工作的技术人员正在思考的一个问题。  
1 对应用现场总线问题的几点看法
1.1　现场总线是自动化技术发展的必然趋势  
    　　一个典型的企业网络信息集成系统可以分成三层结构：控制网infranet、企业内部网 int ranet和**信息互联网 internet。就企业的控制网来说，传统的自动化监控及信息集成系统(包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统)，其主要特点是现场设备与控制站之间采用一对一连线的所谓I/O连接方式，用电压、电流的模拟信号进行测控，是一个模拟与数字混合系统，其缺点是：    
    　　(1)信息集成能力不强。控制站所获取的管理信息有限，大量的数据如设备参数、故障及故障记录等数据很难得到，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换与信息共享。    
    　　(2)系统不开放，可集成性差，不同厂家产品之间缺乏互操作性和互换性。  
    　　(3)可靠性不易保。只是将控制分散到若干局部，而未能实现危险的彻底分散。大量I/O电缆敷设施工，不仅增加了成本，也增加了系统的不可靠性。
    　　(4)可维护性不高。由于现场设备信息不全，其在线故障诊断、报警、记录功能不强，很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。
    　　随着计算机、微处理器、网络等技术的飞速发展，内置CPU的智能现场设备集检测与控制于一体，增强了就地处理能力，使得控制功能完全下放到现场。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，是用于现场设备与控制室控制系统之间的一种全数字化、双向、多站的串行通信的数据总线。开放的、统一的全数字网络通信技术实现了现场设备的互联，形成了现场总线式全分布集成网络控制系统(FCS)。FCS将控制站、可通信智能现场设备以及其他信息资源作为企业网络中的节点，使非控制信息(管理信息)大大增加，从而为企业从过程控制走向过程管理，也即为企业构建管控一体化铺平了道路，促进了企业网络化进程，也为控制网络与公用数据网络的一体化，实现产供销较优起到了促进作用。因此，FCS是自动化技术发展的必然趋势。  
1.2　现场总线的应用要着眼于控制技术的发展，不能为了应用而应用
    　　在信息技术飞速发展的现阶段，我们的立足点应当高一点。不仅要考虑目前市场份额的因素，更宜从技术发展的角度来做出评估和判断。IEC 61158标准不得不采纳多种类型总线标准的根本原因通常认为有二：一是认为没有单一的标准可以从技术和经济角度同时满足不同类型和不同层次应用的需要，因此，从市场角度看不同类别的现场总线并无高低优劣之分；二是认为纯属商业竞争的结果。笔者更倾向于认为后者才是较重要的原因。按广义现场总线的观点可将总线划分为位总线(传感器执行器总线)、设备总线和信息流总线。这样的划分也许并不错，但问题是不能模糊了现代现场总线与古典现场总线之间的本质区别。从技术角度看，各种现场总线由于其发展的背景和应用的目的不同，技术上是存在差异的。例如作为现场总线关键性技术的网络通信技术，目前存在的若干种现场总线其通信方式主要是建立在三种基本的通信模式之上，即客户/服务器型；主/从型；生产者/消费者型。三种通信方式中前两者均为一对一、点对点的通信，后者则是一对多的通信方式，它们在通信的实时性、效率及网络结构灵活性等方面是不相同的。目前现场总线中，既有采用单一模式的，也有采用多种模式相结合以增强其通信能力，满足不同需要的，例如FF总线即是典型的三种基本通信模式相结合的总线，分别将其应用于非周期量通信和准确周期量通信，以提高网络结构的灵活性和安全性。总之，不同的现场总线尽管占有其一定的市场份额，但在技术上各有特点。因此，用户是从广义总线的角度出发，采用按系统的不同部分选用不同的总线即多层次总线呢还是在条件成熟时选用单一总线，是一个需要慎重考虑的问题。
1.3　现场总线不排斥远程I/O，但也只是权宜之计
    　　仅将总线送到远程I/O是DCS、PLC技术早已解决的问题，在IEC 61158标准中，有些现场总线本身就是由PLC控制系统发展而来，是以远程I/O总线技术为基础的。说过，PLC(包括 DCS)加上安装在现场的分布式I/O，其经济性是明显的，特别是对一些简单的现场设备，所以总线系统并不排斥远程I/O，但这绝不等于"现场总线"。现场总线系统的本质特征是使用有现场总线通信能力的智能现场设备，这些可通信智能现场设备所构成的网络节点，不仅具有竖向(与系统)通信也具有横向(节点之间)通信的能力。"现场"的概念不仅指距离，更主要的是指可通信的智能化设备。如果仅用远程I/O转换，那就失去现场总线多信息和丰富诊断管理控制功能的灵魂。由于目前现场总线的智能现场设备品种还不丰富，有时将远程I/ O和现场总线混为一谈也只是权宜之计而已。
1.4　FCS与DCS、PLC目前应是共存而非取代
    　　FCS是在传统的仪表控制系统和集散控制系统的基础上利用现场总线技术逐步发展形成的，目前仍然使用着大量的模拟仪表、DCS和PLC。根据现状，现场总线式智能仪表还不可能完全取代模拟仪表，FCS也不可能完全取代DCS和PLC，这里存在一个过渡期。我国现在还处于开发现场总线的初始阶段，普遍应用现场总线的条件还不成熟，主要是标准的确定和产品( 主要是国内产品)的支持率等方面问题。因此，从用户角度而言，大可不必太着急。在过渡期内的水处理自动化仍可坚持采用由PLC构成的分布式网络控制系统，只是在组网上应更加灵活，控制分站的数目不于拘泥，远程I/O应得到更好的应用，以缩短模拟信号传输路径，尽量延长数字通信距离。为利于今后发展，较好是选用支持多主从系统并具有广泛支持率的PLC通信总线，以便在有条件的时候，以现场设备的通信接口取代分布式I/O接入系统。IEC 61158包含了8种类型的现场总线标准，另外还有其他国际或国家标准的现场总线，如CAN、Lon Works等。这种多总线并存的情况是过渡期的一个重要特点，也因此而促成了现场总线集成技术的发展，其系统和网络的软、硬件集成技术及产品的开发研制已成为当今自动化领域的一个热门课题，有的产品已开发成功。因此，现在采用PLC系统应不必担心今后与FCS系统在通信协议上的兼容问题。    
1.5　信息需求量的增加将推动现场总线与以太网相结合
    　　随着各种智能现场设备产品的丰富和应用以及工业管理自动化的深入，有资料认为在未来数年里，估计信息量还要再增加10～30倍。管理者根据经营管理的需要，希望得到更多的实时信息，并通过建立开放的信息管理系统去实现信息的交流与共享。因此，随着仪器仪表智能化的提高，传输的数据也必将趋于复杂，未来传输的数据可能已不满足于几个字节。信息需求量的不断增加，将推动现场总线技术的发展，因此有人认为，以太网向控制系统底层延伸是必然的，也是我们在选择现场总线时应注意到的一个问题。  
1.6　现场总线标准的统一是必然的
    　　这种预言也许为时尚早，但无论如何从用户角度看，多种总线并立决不是一件好事。如前所说，由于这些现场总线采用完全不同的通信协议，要解决这些不同标准系统之间的相互兼容和互操作问题，就必然会增加用户的投资和使用维护的复杂性。统一的TCP/IP协议使得In ternet网络快速发展的经验和以太网标准的许多进步，使一直为不同协议的兼容问题所困扰的工业界看到*希望，许多现场总线组织正致力于发展Ethernet/IP技术，以太网以其廉**速方便的特性被引入底层网络不仅使现场层、控制层和管理层在垂直面的集成获得方便，更能降低不同厂家在水平层面的集成成本。当然，要使工业以太网较终成为统一的总线标准还有许多技术问题有待解决(如总线供电、本征安全等)，但并非是不可能的。
2　结语  
    　　综上所述，现场总线技术适应了控制向智能化、分散化、网络化以及标准化发展的潮流，是建立企业信息网络，实现管控一体化的基础，因此成为自动化技术发展的热点。但多种总线的利益之争，实际上已阻碍和了FCS技术在我国的应用。面对多总线并立的局面，作为应用现场总线技术和产品的用户来说，在目前的过渡期中，如何选择现场总线应是一个要审慎考虑的问题。本文所谈的一些看法未必正确，正因为如此，笔者建议国家水工业的管理和技术研究中心成立一个象建设部科技委下属智能建筑技术推广中心的Lon Works现场总线协作网一样的机构，主要负责跟踪现场总线技术的发展，信息技术交流，指导行业对这一新技术的推广和应用，并在此基础上制定我国水处理自动化技术的标准与规范，推动水处理自动化技术的发展

 自来水厂水生产系统是一个多变量（如流量、温度、压力等）多任务（如水的输送、投药/加氯控制、格栅与排泥控制、滤池控制、出水泵起/停控制、压力控制、数据管理等）多设备（如电机、阀门、泵等）并具有时变性、耦合性和随机性的复杂非线性系统。图1表示了净水生产工艺流程。国内现有的自来水厂水生产系统大部分采用落后的常规仪表和后动操作。近年来，也有采用DCS技术的计算机控制，取代了常规仪表和手动操作，在实现水生产的分散自动控制和集中监控方面，取得了一定的进展。但基于DCS的系统存在一些重要缺陷，一方面传统的DCS系统是自封闭式的集散系统，难以实现设备之间以及系统与外界之间的依靠交互和共享，使 自动化系统成为"信息孤岛"；另一方面传统DCS系统的现场底层传感器和数据采集器之间采用物理连线和模拟信号传输导致大范围布线，给现场施工带来很烦，同时，信号传输的抗干扰能力也较差。随着计算机技术、通信技术和控制技术的迅猛发展，特别是开放系统互连协议（OSI）的制定和TCP/IP协议的广泛应用，工控领域也不断产生先进的控制模式，逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。现场总线（FIELDBUS）就是顺应这一形势发展起来的新技术。基于现场总线技术，我们针对某水厂设计了现场总线水生产系统，它以PROFIBUS现场总线为核心，以智能设备PLC为控制主体，以IPC-610工控机和PC机为系统编程、组态、维护、监控和管理的一体化工作平台。较好地解决了传统DCS系统中存在的问题，实现了水生产现场网络通信与计算机控制系统以及工业电视监视系统的集成。
 
现场总线技术
现场总线是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种先进的控制技术。目前国际行的现场总线主要有过程现场总线PROFIBUS、基金会现场总线FF、LonWorks总线、CAN总线等，世界上许多自动化技术生产商都推出了支持某种主流现场总线标准的产品。PROFIBUS是由Siemens等80家公司联合制定的标准规范。近年来，PROFIBUS在众多的现场总线应用中占居**，已广泛应用于加工制造自动化、过程自动化、楼宇自动化等领域。
 PROFIBUS是一个多种协议并存的现场总线技术，不同协议的数据在系统内透明传输，这使得PROFIBUS成为连接过去、现场和未来的一种十分有效的现场总线技术。所以，在水厂网络控制系统设计中，PROFIBUS成为当然的选择。

系统网络结构设计
现场总线技术的核心是网络技术。控制系统的计算机网络是一个实时网络，信息处理要满足实时性、完整性、一致性和可靠性的要求。基于水生产系统的特点，系统采用了企业局域网（Enterprise LAN）和现场总线的集成化结构，实现了从现场测控到水厂内部信息管理系统的集成结构，实现了从现场测控到水厂内部信息管理系统的集成以及与水厂外部信息交互的集成。
 
 
整个系统中的管理工作站、生产调度工作站、监控工程师站、监控操作员站和数据管理服务器构成系统的生产和调度、计划和管理、决策支持信息网络层。该层网上传递的是管理数据，数据量较大，但实时性要求不是很高，所以采用以太网。为提高系统可靠性，防止由于通信电缆故障引起的数据丢失和失控现象，采用以工业以太网方式互连，使系统具有冗余功能。通过网络能将水厂决策、计划、管理、经营和调度等所有功能信息进行有效地集成，使水厂各个职能部门和车间成为一个统一的整体。同时通过网络也可以访问水源地的源水信息，实现大范围的数据共享。系统网络中各计算机的主要功能是：生产调度工作站的功能是实现水厂各车间生产调度自动化，并自动生成水生产安排业务单；管理工作站的作用是对系统实时数据和历史数据的管理，生成水厂管理所必需的各种统计信息报表并打印；数据管理服务器选用大型数据库SQL Server2000来完成对数据的管理，数据库提供标准SQL查询，并通过ODBC或DDE或其它数据库连接；监控工程师站的作用是完成对系统工艺参数的设定和修改、报警上下限的设定、设备的组态以及系统运行、生产、报警历史资料的显示和查询等功能；监控操作员站的作用是完成系统的数据采集与处理、数据存储与交换及显示等功能。
现场控制网络层传递的是实时数据，数据量少，但实时性强。所以，现场控制网络选用PROFIBUS。
主控PLC之间可以通过PROFIBUS-FMS互连，同时也与以太网互连，主控PLC与分控PLC控制单元通过PROFIBUS-DP现场总线相连。各分控PLC可以独立工作。采用PROFIBUS-DP能使分控PLC、变频器、软启动器、各种智能传感器和外围I/O设备等同主控PLC或计算机联网。PROFIBUS-FMS用于现场控制单元网络的通信任务。
PROFIBUS网络设备主要由通信处理器CP（Communication Processor）和网络介质组成。通信处理器用于总线网络和点到点通信，通RS485接口使系统与其它厂商的总线系统互连，并能使系统中的主要现场设备，如变频器、软启动器等实现即插即用。另外，该网络结构还应包括工业电视监视系统，它由工业摄像机、镜头、云台、视频矩阵切换器、工业监视器、室外和录像机等硬件设备配以多媒体软件组成，完成对水生产工艺过程的重要工位进行监视管理。
系统功能描述
基于PROFIBUS设计的水处理网络控制系统主要具有如下功能：
１、格栅与排泥控制
格栅间有4台格栅机，由一台输入点数为32、输出点数为16的SIEMENS S7-300PLC来控制，控制方式有自动和手动。在自动方式下，系统根据PLC中设定的定时值以及格栅前后水位差来自动控制格栅机的动作。吸砂机的工作状态也由PLC检测和控制。沉淀池PLC根据水浊度高低，设定吸泥机运行周期时间和运行方式，浊度高时，双程吸泥，运行时间长；浊度低时，单程吸泥，运行时间短。
２、投药加氯控制
投药/加氯控制系统的输入输出点数较多，选用一台输入点数为192、输出点数为192的SIEMENS S7-400 PLC来控制。
投间有混凝剂加计量泵8台，助凝剂投加计量泵8台。每台计量泵均用一台交流变频调速器驱动，两种投加计量均为6台工作、2台备用。6台计量泵对应6组反应池，一对一投加混凝剂和助凝剂。投控制是水厂水处理的关键环节，它是一个大延时强耦合的非线性系统，在技术上有一定难度。我们设计了自学习模糊控制算法，系统根据PLC采集的原水温度、浊度、PH值等参数的大小，经自学习模糊控制器调整后，由PLC控制交流变频调速器的工作状态改变计量泵的频率和冲程，以此控制计量泵的频率和冲程，以此控制计量泵投药量的大小，控制效果较好。加氯间有7台真空式V型槽加氯机，其中4台负责进水管处的前加氯，其余3台加氯机作为加氯（后加氯）用，加氯采用流量、余氯复合闭环控制方式（2台工作，1台备用），向2个滤池出水管处加氯。另外，投药/加氯主控PLC还要担负投药间的干粉溶解、加氯间的瓶切换、漏气报警和安全控制等任务。

３、滤池控制
滤池控制是水厂自动控制系统中较主要的控制环节，按其过程可以分为过滤过程控制和反冲过程控制。由于滤池个数多且每个滤池I/O点数较少，选用25台输入输出点数均为16的SIEMENS S7-300 PLC来控制。在过滤过程中，各滤池的PLC能根据对应滤池的水位、阻塞值以及运行时间自动调节各净水阀开启度并使各滤池水位保持恒定。当阻塞值或滤池运行时间**设定值时，滤池PLC向反冲洗PLC发出反冲洗请求，当请求被允许之后，滤池进入反冲洗过程。在反中洗过程中，反冲洗PLC需要控制反冲洗水的流量、反冲洗气的压力，并与对应滤池PLC配合控制反冲洗时间、漂洗时间以及反冲洗过程中有关阀门的开启与关闭。
４、水泵制
制作好的净水要通过水泵输入到水管道中。出水泵房共有8台容量大小不等的水泵。系统用了一台输入点数为48、输出点数为16的SIEMENS S7-300 PLC来控制。根据管网压力和生产调度的要求系统能自动完成开泵和关泵过程。由于在开阀或关阀时，管网压力会突然变大或变小，为了避免因此而造成的误动作，系统设计时，对开阀或关阀指令进行记忆，在一定时间内系统自动停止开关阀门，等到管网压力稳定后自动继续开关阀门。同时，系统对阀门、机械、电路等多种故障具有监控报警功能。
５、其他功能
系统除了具有以上控制功能外，还具有生产计划与调度、信息管理与决策支持等管理功能，以及视频监视功能等。 

 结论与展望
基于现场总线的水生产网络控制系统能有产地进行工作，与传统的方法相比，其较大的特点是造价低、功能强、结构灵活实用、可靠性高、安装调试简单且开发和维护费用低，根据不同的现场情况与用户要求，系统可以扩展为不同的模式。现场总线控制系统实现了现场通信网络、自动控制系统和计算机网络的有效无缝集成，从本质上完成现场通信网络、现场设备互连、通信线供电、统一组态、开放式互连网络等功能。
现场总线控制系统将为工业企业生产的全面自动化和远程控制提供强大的基础