西门子PLC和Pro-face HMI在空调末端控制系统的应用

1 引言

    某超大型现代化综合购物中心项目,建设规模达420000平方米建筑面积。其中购物中心面积300000平方米，地上7层，地下2层半;西塔楼是48层超五星级酒店;东塔楼为25层超甲级写字楼,总车位1500个。
项目中央空调系统中，共有末端设备210台，根据广场设计要求，系统必须实现机电一体化、智能化,整个空调末端设备形成独立控制网络，系统采用上位集中监控，未端采用触摸屏（HMI）进行参数修改，故障报警，系统状态信息显示等功能。

    2 设计方案

    采用德国西门子公司的S7系列PLC作为机电一体化机组的现场控制设备，通过智能通讯模块与中央数据采集的PROFIBUS总线相连，中央数据采集由德国西门子公司新推出的基于PC的自动化产品WINAC 4.0承担，该产品可以结合PCI插槽的CP5613卡实现4条PROFIBUS总线下大500个PROFIBUS从站（125×4）的网络连接，上位机的监控软件则采用西门子公司在自动化领域先进技术与微软公司共同开发的处于地位的组态软件WINCC 6.0。而在触摸屏部分,选用了在HMI市场处于地位的Pro-face公司新推出的小型触摸屏ST系列。系统结构参见图1:

图1 系统结构图

    3 项目评估

    3.1 硬件评估
 　
    PLC采用SIEMENS SIMATIC S7-200系列PLC。S7-200适用于全面的过程与逻辑检测、监测及控制的自动化。它的强大功能使其无论在独立的运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。并且，S7-200具有极高的性能价格比。
    
    （1） SIMATIC S7-200系列PLC具有如下特点:

    ●SIMATIC S7-200的结构牢固紧凑;易于安装和接线。
    ●SIMATIC S7-200在电气上符合VDE、UL、CSA、CE、FM标准和船籍社船用电器认证，其体系已获得ISO9001认证。
    ●SIMATIC S7-200的CPU配有EEPROM，可性地存储用户程序和其它重要的系统参数。
    ●SIMATIC S7-200的CPU内设有硬件实现的实时时钟，以便用户作故障报警时间记录工作以及其它基于时间控制的工作。
    ●SIMATIC S7-200可对外供给传感器/负载直流24V电源，输出电流可达180mA～400mA。此外，还有电源模块可供选用。
    ●SIMATIC S7-200备有专用的扩展模块，可以很方便地对系统的输入输出点作扩展。
    ●SIMATIC S7-200具有极高的可靠性;极丰富的指令集、集成功能和强劲的通讯能力;易于掌握和操作。
    ●SIMATIC S7-200 PLC具有极高的抗干扰能力，特别适用于电磁干扰大的场合。
    ●S7-200 PLC编程灵活、调试方便，便于工程技术人员现场根据实际情况随时修改调整参数，节省调试周期。
    ●S7-200 PLC通过液晶中文文本显示器，方便用户管理人员现场察看设备运行使用情况及报警信息，同时可以操作现场液晶中文文本显示器调整参数。
    ●S7-200 PLC通过EM277模块接口，就能够联网到现场总线PROFIBUS-DP上进行高速数据传输，高波特率为12Mbps。

    （2） Pro-face Simple Touch可编程触摸屏特点

    HMI则采用Pro-face公司新推出的小型可编程触摸屏Simple Touch系列。Pro-face（即Digital）公司是一家一直致力于Human Machine Interface（HMI）的领域，从1989年开发出一台可编程触摸屏以来，一直以高品质的产品满足客户的使用要求。Simple Touch系列小型可编程触摸屏作为Pro-face新推出的产品，具有以下特点:

    ●3.8英寸亮丽外观、体积小仅104mm×130mm,安装方便节约空间。
    ●强大的编程功能，6个功能键可自由定义。
    ●可连接国内外多种PLC，适应各种恶劣运行环境。
    ●琥珀色背光灯，支持2级亮度8级灰度。且可更换背光灯，维护简易。
    ●ST402型具有RS285（MPI）口，专门用于和SIEMENS　PLC通信，速度可高达187.5kbps。
    ●和GP系列触摸屏共用一套编程软件GP-PROPBIII，该软件具有强大的网络通信功能，使用简单、组态方便。使用时，只需要设置PLC的类型和通信参数，并在监控画面的部件属性中设置正确的PLC位地址或字址，触摸屏工作时就能根据不同PLC的通信协议建立起与PLC内部地址的连接和通信。

    3.2 软件评估

    （1） 中央监控软件—WINCC6.0

    “WINCC”即“WINDOWS CONTROL CENTER”（窗口控制中心），它是应用于标准PC机和WINDOWS标准环境中的,拥有各种便利功能，确保安全可靠地对生产和工艺过程进行控制的人机界面（HMI）。WINCC是结合SIEMENS在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。其zhuoyue的技术突出地表现再以下几个方面:

    ●全面开放—WINCC采用开放性标准，集成更简便。Microsoft SQL Server 2000—高性能的实时数据库，在任何场合下，可在压缩的基础上每秒大存储10,000个测量值或100条消息，然后通过WINCC内置工具进行分析。通过各种开放性接口（SQL，ODBC，OLE-DB和OPC），可以随时应用外部工具进行数据归档处理。

    ●组态简便、高效—WINCC提供方便组态的用户界面、工具提示以及范围广泛的在线帮助和应用实例。超级控制面板、组态向导、图形库、交叉引用表、多语言应用、离线检查、在线组态等一系列功能可使原本烦琐单调的组态工作变得简便和有趣。
    
    ●生动的用户界面—WINCC提供大量的图形库、开放的结构能导入各种制图软件所生成的图形，并能通过C++或VB对图形的各种属性进行变量连接或控制，从而使用户界面生动漂亮。
    
    ●可靠性高—WINCC是SIEMENS公司与Microsoft公司共同开发的人机界面产品，结合SIEMENS公司在自动化控制领域的zhuoyue技术与Microsoft公司在IT行业的优势，WINCC在运行和控制上都非常稳定可靠。

    ●强大的延展能力—WINCC提供大量的扩展功能，用户如有需要，只需花少量的价格,便能选购WINCC的其余功能软件，实现诸如多用户系统、服务器/客户机系统、Web Navigator、ProAgent、冗余、过程可视化和数据分析等功能。

    （2） 远程数据caijiruanjian—WINAC4.0

    由于本工程有210台单机控制设备,而WINCC只能提供126个PROFIBUS从站的连接。故本系统采用WINAC 4.0作为从站设备数据采集。 
西门子公司提供全范围的基于PC的自动化产品。作为工业领域中成熟的市场领导人，它已发展成为全集成自动化的中流砥柱，并把PC科技的开放性引入到了所有的自动化任务中。其优点在于:

    ●NAC 4.0与上位监控软件WINCC通过WINDOWS内部连接,将可视化功能和数据采集运算功能完美结合在同一台工控机,为用户节省投资成本。
    
    ●将IT科技与远程数据采集结合在同一平台上，SIM- ATIC NET通过PROFIBUS现场总线使基于PC的自动化与高端管理系统以及现场领域的I/O之间得以通讯。

    上传的采集数据由CP5613卡通过PCI总线与工控机CPU数据交换,PCI总线具有133MB/S的数据传输率及很强的带负载能力,故与传统的RS-232串口115.2K/S的数据传输率相比提高了上千倍的速率,突破了大型建筑楼宇自控中央监控系统的数据传输速率的瓶颈,为本系统成功实现提供了有力的保障。
工控机内插三个CP5613卡通过三条PROFIBUS-DP总线与208台单机控制设备相连，PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它主要特点如下:
    
    ●高12M的通信速率和可靠的通信质量（海明距离=4） 
    ●适用多种通信介质（电、光、红外、导轨以及混合方式） 
    ●灵活的拓扑结构,支持线型、树型、环型结构以及冗余的通信模型 
    ●强大的通信功能,支持基于总线的驱动技术和符合IEC61508的总线安全通信技术 
    ●先进的网络规模（多支持126个总线站,网络规格可达90公里） 

    4 触摸屏（HMI）典型画面设计

    共分为三个画面:控制画面、数据显示画面及报警信息画面

    4.1 控制画面
用于选择空调运行模式:夏季模式和过渡季模式,设备启动和停止并显示设备状态,如图2:

图2 控制画面

    4.2 报警信息画面
 
    用于显示设备错误报警及报警发生的时间,如图3:

图3 报警信息画面

    5 结束语

    系统采用SIEMENS公司以及Pro-face公司高端科技产品，其产品质量和性能是不用致疑的，的产品使得本系统的自动化和先进性保持，以确保中央空调系统的正常稳定运行。