摘要：高速弓網關系試驗臺是高鐵高速弓網的實驗平臺，循環冷卻水系統作為其輔助系統對實驗平臺的正常運行起著至關重要的作用。本系統采用分布式控制思想，運用先進的西門子PLC作為主控制器，ET200M作為分布式控制站，采用PROFIBUS+以太網方式作為通訊方式，保證系統的穩定運行。

　　一系統概述

　　本系統將工業過程先進集成自動化技術應用于高速弓網關系試驗臺循環冷卻水自動控制系統，運用先進的控制方法對循環水冷卻系統過程進行自動化監測、顯示與控制，實現智能化控制。循環水冷卻系統包含閉式冷卻塔、循環水泵、冷卻水箱、100μm級過濾器、控制系統及管路等，是用于高速弓網關系試驗臺主盤驅動電機、液壓泵站的冷卻降溫。其中高速弓網關系試驗臺主盤驅動電機設置于試驗大廳設備基坑內；液壓泵站設置于實驗樓首層南側西邊的液壓泵室內。循環水泵自冷卻水箱內吸水（冷凍水），并分別加壓至主驅動電機散熱裝置與液壓泵站，經以上系統內置的熱交換設備（換熱器）換熱后，回水至室外冷卻塔，經冷卻塔降溫并回流至冷卻水箱。

　　二系統總體設計方案

　　整個循環水冷卻系統由4層結構組成（如圖1所示），即設備層、PLC控制層、監控層以及信息管理層。設備層主要的控制對象有監控對象：閉式冷卻塔循環水泵、冷卻水箱、主驅動電機、散熱器以及液壓泵站等。

　　為了降低布線成本以及系統布線復雜度，本系統采用了分布式控制站思想。采用西門子ET200M分布式控制站，在室外的冷卻塔系統安置一套ET200M，控制鼓風機、立式單級泵、冷卻塔等設備；液壓泵房內配置另一套ET200M分布式站，主要控制冷卻水箱、循環水泵、液壓泵站，試驗大廳設備基坑內配置一套ET200M，主要控制主驅動電機以及散熱器等設備。

　　主控制器采用西門子S7300系列的CPU315-2PN/DP，自帶1個DP口和一個以太網口，DP口加三通實現和兩套ET200M分布式控制站的通信，以太網口主要是為調試時所留用。

　　監控計算機上安裝CP5611板卡，采用PROFIBUS通訊方式和現場PLC通信。監控計算機通過Web發布的方式實現遠程主機對其訪問和控制。

　　熱備份計算機與監控計算機同步，當監控計算機由于意外情況停止運行時，熱備份計算機能夠馬上投入使用，避免影響系統控制效果。

　　服務器主要負責實驗所需參數的存儲，所需重要數據一方面存于監控計算機上，又同時上傳到服務器，監控計算機上的數據保存的年限有限，服務器的數據可以一直保存，以備歷史查詢和檢索。

圖1系統結構圖

　　2.1控制方式

　　控制方式有兩種類型：“本地／遠控”和“手動／自動”。

　　PLC柜上設有“本地／遠控”開關，當開關打到“本地”時，由PLC控制系統內所有設備；當開關打到“遠控”時，監控計算機可以直接控制本系統內的現地設備。

　　對每一個單機設備，電控柜上都設有“手動／自動”開關。當開關打到“自動”時，由PLC程序自動控制設備；當開關打到“手動”時，由工作人員人工控制設備，這樣就保證了PLC出現故障時，動力設備能正常運行。

　　對功率在7.5KW以上的設備，采用軟啟動方式或變頻控制方式。對功率在7.5KW以下的設備采用直啟動方式。對需要軟啟動的設備，采用I/O觸點直接控制。

　　2.2控制中心各功能的實現

　　控制中心實現的功能如圖2所示，下面介紹重點實現部分。

　　2.2.1實時數據采集

　　對各能源分系統的運行數據和運行狀態進行實時采集。

　　監視系統內每一個模擬量和數字量，連續采集于處理所有監測點信號及設備狀態信息、以便及時向操作人員提供有關的運行信息，實現設備的安全、經濟運行。一旦設備發生異常工況及時報警。

　　2.2.2數據圖形顯示

　　監控計算機通過網絡直接與設備控制層通信，將參數數據和系統狀態實時地通過工藝圖、實時曲線、歷史曲線和參數列表等方式表現給用戶。監控畫面實時顯示總畫面、各子系統工藝流程圖、報警畫面，動態顯示子系統和設備工況、工藝參數。

　　主要包括：

　　●設備工藝圖及參數顯示。

　　●運行參數列表顯示

　　●系統報警指示。

　　●參數實時曲線。

　　●參數歷史趨勢圖。

　　●操作指導。

　　●棒狀圖顯示。

　　所有圖形上顯示的數據實時更新。

　　2.2.3遠程控制功能

　　遠程計算機系統的操作員可以遠程控制閥門的狀態，可以控制泵的運行等等，這種控制通過在顯示器上選擇相應的畫面，操作系統鍵盤和鼠標來實現。

　　合法性檢測：必須進行控制命令的合法性檢測，保證遠程控制的合法性。

　　所有運行人員的操作控制和操作的精確時間都存儲在數據庫中，以備查詢分析需要。

　　2.2.4報警功能

　　監控計算機和本地操作站具備報警功能，系統能通過過程變量或觸點狀態的變化，參照預先設定的參數值進行掃描比較，分辨出狀態的異常、正常或狀態變化，當某一點超過其預先設定的限值，CRT上就應出現報警畫面并發出音響信號。當報警被取消后消音。

圖2監控中心功能說明

　　報警信息可以自動在打印機上輸出，也可以根據用戶的需求發送磁盤文件和數據庫中。

　　所有報警數據自動地存儲到數據庫中，用戶可以按照各種需要的條件檢索數據庫中的報警記錄。

　　2.2.4.1故障和超限報警功能

　　監控計算機和本地操作站可顯示并存儲報警/事件的日期、時間、類型、地點（位置）等信息，同時提供相應信息供調度員采取措施。報警/事件信息以突出顏色或閃爍顯示，并有聲音提示。監控中心的操作員可以組態報警事件，如：超限報警、故障報警等。

　　2.2.4.2故障診斷處理功能

　　系統在發生預定報警時，能夠根據用戶的要求執行定義好的動作。

　　系統還具有故障自診斷功能，包括網絡（總線）故障診斷、電控器件故障診斷、以及在實驗過程中，根據各工藝點的工藝指標完成情況分析生產的異常報警和提示等。

　　發生故障時，故障診斷系統按照Windows指標的故障診斷模式，通過與設備管理數據庫的緊密結合，給出全面的包括機械、電氣、保養等方面故障分析，逐步智能的查找故障原因、故障點，并給出相應的故障分析和解決措施，同時通過系統維護界面可由用戶擴展為智能化專家系統;

　　通過診斷功能，用戶可以實時掌握系統運行狀態，掌握系統中計算機、控制器、智能儀表等設備的運行狀態。

　　系統以直觀的圖形使得操作員可以方便地掌握系統的運行情況。操作員可以需求選取需要查看的設備或控制器的模塊，設備或控制器相應模塊的狀態和參數都會在界面上。

　　通過廠級局域網或遠程登陸的方式，實現遠程在線診斷和維護，以減少故障排除時間，保證實驗設備正常運行；

　　2.2.5數據處理功能

　　2.2.5.1數據存儲統計

　　系統提供數據的數據庫存儲和本地存儲兩種策略來保護歷史數據。可以對歷史數據進行存儲、處理、計算、檢索和記錄。要存儲的數據包括系統數據庫中的實時數據、報警數據、操作員操作和有關系統參數，也可能是通過計算機得到的數據。

　　系統還提供歷史數據文件支持歷史數據的存檔。數據文件將標記年、月、周、日、和時間信息。所有歷史數據都可顯示和打印。使用專用的編輯軟件設計專用的顯示和報表格式。

　　數據庫包括：

　　●實時數據庫六個月

　　●歷史數據庫一年

　　●故障信息數據庫一年

　　●控制操作數據庫三年

　　系統以一定的時間頻率定期存儲實時數據作為歷史數據。采集的數據存儲在數據庫中。系統還提供歷史數據文件來支持歷史數據的存儲。系統支持歷史數據處理、計算、檢索和記錄。所有檢索到的歷史數據都可顯示和打印

　　2.2.5.2數據備份

　　允許用戶把數據備份到服務器，可以永久保留，防止數據丟失帶來的損失。

　　2.2.5.3網頁發布功能

　　系統采用C/S與B/S相結合的方式，監控計算機充當webserver允許授權用戶在局域網網絡連接到的任何地方觀察實驗現場實時數據和歷史數據。

　　2.2.5.4數據上傳功能

　　監控中心具有存儲數據的能力，在必要時將數據實時、延時或處理后上傳到服務器中。通過調用ODBC接口，實現集控系統采集的數據自動、實時、準確地上傳到服務器級數據庫。可以傳輸的數據由報警數據、實時參數數據和設備運行時間狀態等信息。

　　三系統硬件配置

　　3.1服務器

　　由于服務器在系統中起著關鍵節點的作用，所有必須選用高可靠性的機型，一保障服務器長時間的24小時連續運行（應配有UPS），同時還應具有較高的性能，以滿足其實時性。數據庫服務器選用DELL服務器。

　　3.2監控計算機

　　監控機用于調度人員發布監控命令、顯示循環水冷卻系統運行狀態以及完成監控數據檢索、統計分析、聲光報警和發送控制指令等功能。選用DELL工控機。

　　3.3網絡設備配置

　　交換機Cisco帶8個100M以太網接口

　　以太網網卡10/100Base－TX

　　3.4UPS電源

　　為了增加系統的可靠性，并考慮網絡的擴展，本系統配置了一臺5KB支持2小時延時的USP電源。當電網突然停電時，工作人員可以及時將系統退出。采用后備式：標稱后備時間：2小時。

　　3.5PLC部分

　　PLC是該控制系統的核心，控制過程中全部的輸入輸出量都要經過PLC的處理，所有繼電器的動作都由PLC的輸出控制來完成。

　　本設計選擇的是德國西門子公司S7-300PLC，西門子公司是具有150多年歷史的世界知名公司，PLC是其重要產品之一，在世界各PLC應用領域中，無論從占有量、質量還是知名度，西門子公司的PLC都是名列前茅。因此選擇西門子公司的PLC是對工程可靠運行的有力保證。

　　S7-300是模塊化中型PLC系統，它能滿足中等性能要求的應用。模塊化，無排風扇結構，易于實現分布，易于用戶掌握的特點使得S7-300成為各種中等規模性能要求控制任務的方便又經濟的解決方案。

　　S7-300可編程控制器是模塊化結構設計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合。

　　S7-300的系統組成主要有：中央處理單元（CPU）、信號模塊(SM)、通訊處理器（CP）、功能模塊（FM）、負載電源模塊（PS）、接口模塊（IM）、SIMATICM7自動化計算機等。SIMATICS7-300適用于通用領域，高電磁兼容性和強抗震性，使其具有最高的工業環境適應性。溫度適應范圍從0°C--60°C，特殊條件下可達-25°C--60°C，具有更強的耐受震動和污染特性。

　　四系統軟件設計

　　4.1操作系統

　　選用符合IEEE和ANSI標準的產品。選用的操作系統如下：

　　服務器操作系統采用MicrosoftWindows2003Server,該操作系統具有以下特點：

　　能與Internet緊密聯系

　　當運行繁忙的Web服務器、終端服務、電子商務和VPN解決方案時，通過使用網絡負載平衡，將傳入的通信在眾多的服務器群中分布；利用了最先進的服務器硬件，實現了多達8路的SMP和多達8GB的RAM而增強了性能；通過可靠的集成Internet服務，高性能的WEB站點和應用程序，從而能全面利用Internet的潛力。

　　提高可靠性

　　兩節點的、高可靠性的群集服務能確保關鍵的應用程序正常并按需要進行；網絡負載平衡能將發生故障的服務器上的Web工作負荷重新分配；經過改善的核心體系結構提供設計增強功能，以提供系統正常運行時間；分段升級支持，以減少維護或升級（包括從WindowsNT4.0群集升級）所需的計劃停機時間。

　　更加易于使用和管理

　　可以從任一聯網Windows2000系統中的“群集管理器”和NLB腳本命令接口遠程管理群集；將“群集服務”群集作為ActiveDirectiry對象來訪問和管理。

　　新設備的最佳選擇

　　利用最新的服務器硬件，包括利用Intel和Profusion芯片和體系結構多達8路的SMP，和使用Intel的物理地址擴展（PAE）的8GBRAM。

　　監控機和管理機操作系統采用MicrosoftWindows2000Professional.

　　4.2組態軟件WINCC

　　WinCC是西門子公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司在共同開發的居于世界領先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強大的全面開放的監控系統，既可以用來完成小規模的簡單的過程監控應用，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優化生產過程。

　　WINCC幾乎擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能已包括：

　　圖形系統---用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態。

　　報警信息系統---記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便。

　　變量存檔----接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能。

　　報表系統---用戶自由選擇一定的報表格式，按時間順序或事件觸發來對信息操作、文檔當前數據進行用戶報表輸出。

　　數據處理----對圖形對象的動作使用C語言及C編譯器進行編輯。

　　標準接口----通過ODBC和SQL訪問用于組態和過程數據的SYBASE數據庫。

　　應用程序接口----允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標準應用程序。

　　另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發工具CDK，允許用戶開發用于連接數據管理器與任何目標系統的通訊軟件。

　　WINCC的組態及歸檔數據存放在關系型數據庫中，數據可用標準工具如ODBC和SQL等讀出。很多標準的應用如MicrosoftExcel等可以和WinCC并行運行，同時可通過DDE裝載過程數據。操作員站軟件允許通用的OCX、ActiveX鏈接。更進一步，集成的OPC(OLEforprocesscontrol)服務器使得過程數據可由其它應用程序(OPC客戶機)訪問。

　　4.3編程軟件STEP7

　　STEP7是SIEMENS公司S7-300、S7-400、M7系列PLC的標準編程工具。它是在國際標準IEC-1131-3的基礎上建立的，它與其它公司的建立在IEC標準上的PLC編程語言是相似的。

　　STEP7可以在微軟公司的WINDOWS平臺上運行，是可視化編程工具。它同其它WINDOWS應用軟件一樣容易操作，界面友好，與WINDOWS溶為一體，其基本功能體現在：

　　▲硬件的組態和參數設置

　　▲定義通信網絡

　　▲控制程序編制

　　▲測試、啟動、維護

　　▲文件、建檔

　　STEP7以塊形式管理用戶編寫的程序和數據，在一個塊中調用另一個塊的可能性，即使是子程序，用戶程序結構化仍成為可能。這將顯著增加PLC程序組織的清晰性，可理解性和易維護性。

圖3冷卻水箱控制流程圖

　　4.4應用軟件

　　為了長期保存實驗系統中重要的參數，本系統在監控計算機上安裝了數據上傳應用軟件，負責將數據從監控計算機上傳到服務器上，數據庫前臺應用程序開發工具選用VisualStudio.net，在它的軟件包內集成了VB、VC等開發工具。

　　4.5后臺數據庫

　　數據庫用于保存系統運行的參數歷史數據、參數報警數據、設備運行時間、設備狀態變化時間等信息。將通過人機界面下達的生產任務和監控機執行的情況作永久的記錄，已備將來查詢。

　　數據庫采用支持網絡的流行的數據庫軟件，并支持ODBC、DDE、DLL等開放接口。我們選擇性價比高的SQLServer2000,其特性如下：

　　●完全的Web支持

　　SQLServer提供可以Web標準為基礎的擴展數據庫程序功能。豐富的XML和Internet標準支持允許您使用內置的存儲過程以XML格式輕松存儲和檢索數據。您還可以使用XML更新程序容易地插入、更新和刪除數據。

　　I.通過Web輕松訪問數據，有了SQLServer，您可以使用HTTP來向數據庫發送查詢、對數據庫中存儲的文檔執行全文搜索、以及通過Web進行自然語言查詢。

　　II.強大而靈活的基于Web的分析。SQLServer分析服務功能被擴展到了Internet。您可以通過Web瀏覽器來訪問和控制多維數據。

　　●開發周期短

　　SQLServer是Microsoft.NETEnterpriseServer的數據管理與分析中樞。SQLServer包括加速從概念到最后交付開發過程的工具。

　　I.集成和可擴展的分析服務。有了SQLServer，您可以建立帶有集成工具的端對端分析解決方案，從數據庫創造價值。此外，還可以根據分析結果自動驅動商業過程，以及從最復雜的計算靈活的檢索自定義結果集。

　　II.快速開發、調試和數據轉換。SQLServer帶有交互式調節和調試查詢、從任何數據源快速移動和轉化數據、以及按Transact---SQL方式定義和使用函數等功能。您可以從任意VisualStudio工具以可視化方式設計和編寫數據庫應用程序。

　　III.簡化的管理和調節。使用SQLServer，您可以很容易地在企業資源旁邊集中管理數據庫。可以在保持聯機的同時輕松地在計算機間或實例間移動和復制數據庫。

　　五系統網絡

　　本系統選擇可靠的網絡系統至關重要。在本方案中，各分布式IO站和PLC以及PLC和監控計算機的信息傳輸采用了可靠、快速的有線傳輸網絡——歐洲的工業現場總線網PROFIBUS，它是由SIEMENS推出的歐洲標準工業現場總線，以其很高的數據傳輸速度、很高的數據傳輸可靠性、良好的物理及電氣接口標準，在控制領域獲得了廣泛的應用。

　　5.1PROFIBUS的定義及分類

　　PROFIBUS是ProcessFieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準，即EN50170歐洲標準，目前世界上許多自動化生產廠家都為它們生產的設備提供PROFIBUS接口。它廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力、等其他領域自動化。PROFIBUS根據應用特點分為：PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。

　　（1）PROFIBUS-DP：經過優化的高速、廉價的通信鏈，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或0～20mA并行信號線。用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

　　（2）PROFIBUS-FMS：解決車間級通用性通信任務，提供大量的通信服務，完成中等傳輸速度的循環和非循環通信任務，用于紡織工業、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執行器、可編程控制器、低壓開關設備等一般自動化控制。它是一個令牌結構，實時多主網絡。

　　PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。

　　5.2PROFIBUS協議結構

　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準、以開放式系統互聯網絡（OpenSystemInerconnectionOSI）作為參考模型的。該模型共有七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。現場總線采用簡化的網絡體系結構，具有類似于OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層的3層協議或進一步包括網絡層或傳輸層在內的4層協議，而不采用會話層和表示層。流量控制和差錯控制放在數據鏈路層執行，而報文的可靠傳輸可以放在數據鏈路層或者應用層執行。這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能。

　　PROFIBUS-DP采用RS485進行傳輸，采用屏蔽雙絞同線電纜，共用一根導線對。波特率從9.6Kbit/s到19.2Mbit/s。RS485操作容易，總線結構允許增加和減少站點，分布投入不會影響到其他站點的操作。

　　六結束語

　　循環冷卻水系統作為高速弓網關系試驗臺的配套系統，為試驗的安全性和持久性做了保證。本系統提出了分布式控制站的設計思想，同時引入熱備份冗余監控策略，符合DCS系統分散控制、集中管理的思想。系統運行中重要的關系數據都備份到數據庫服務器進行保存，這對試驗臺的規范化管理作了技術準備。本系統已成功運用在高鐵高速弓網試驗臺系統中。