西门子PCS7系统

1、西西门子PCS 7系统是完全无缝集成的自动化解决方案。可以应用于所有工业领域,包括过程工业，制造工业，混合工业以及工业所涉及的所有制造和过程自动化产品。作为先进的过程控制系统，SIMATIC PCS7 形成了一个带有典型过程组态特征的全集成系统。 SIMATIC PCS 7 -西门子过程控制系统之特点 基于标准的SIMATIC软件和硬件组件 先进的分布式客户机/服务器架构 可伸缩性强，从小型实验室系统，到具有高达60，000个过程对象的大型工厂 可用于连续和批处理应用 可用于所有工业领域：过程、制造以及混合工业 强大的HMI系统，带有集成的基于SQL服务器的归档系统 基于IEC 61131 的

2、集中式，工厂范围内的工程系统 通过现场总线PROFIBUS，现场设备和驱动系统均可很灵活和容易的集成 无缝集成的安全系统，通过TüV*验证的可满足AK6/SIL3 在同一个可编程控制器中可以混合运行标准和故障安全相结合的形式，高可用性和故障安全相结合的形式 可在所有层级实现冗余，提高可用性 符合ISA S 88.01 和FDA 21 CFR Part 11规范的模块化批处理系统SIMATIC BATCH 通过SIMATIC IT架构实现 MES/ERP层级的接口 比过程化自动市场要求做得更加完美 SIMATIC PCS 7 一个真正的现代DCS系统 门子 SIMATIC PCS 7

3、系统是现代 DCS 的一个实例（分布式控制系统），它采用了当前的 LAN （局域网）技术、久经考验的西门子 PLC（可编程序控制器）和现场总线技术。整个系统由大量的西门子硬件组件组成，包括仪表、执行机构、模拟和数字信号模块，控制器、通讯处理器、工程师站和操作员站等。所有硬件组件由 PCS 7 软件工具支持和组态。图1.1显示了一个典型的PCS 7系统，图中ES为工程师站，OS为操作员站，AS 为自动化站。西门子SIMATIC PCS 7 系统为工业自动化和控制提供了很大范围的硬件、软件、组态、配置和诊断工具。本章概述了系统的结构和功能，并说明了系统中所使用的缩写。PCS 7 项目是在PCS 7

4、工程师站上设计的。工程师站安装有 PCS 7 组态工具，可以和自动化站和操作员站进行通讯。PCS 7 ES 提供了强大的组态工具，例如：􀁺 SIMATIC Manager（SIMATIC 管理器）：项目创建、库创建、项目管理和诊断等。􀁺 PH：Plant Hierarchy（工厂层级）。用于工厂层级的设计。􀁺 HW Config：Hardware Configuration Environment（硬件配置环境）。用于配置CPU、通讯处理器、外围设备和现场总线等。􀁺 CFC：Continuous Function Char

5、t（连续功能图）。用于设计库、自动化逻辑、联锁、算法和控制等。􀁺 SFC：Sequential Function Chart（顺序功能图）。用于设计顺序控制、逻辑和联锁等。􀁺 SCL：Structured Control Language（结构化控制语言）。用于编写算法程序和创建功能块等。􀁺 IEA：Import Export Assistant（导入导出助手）。用于生成控制模型、过程标签类型和副本。􀁺 WinCC：Windows Control Centre（Windows 控制中心）。PCS 7 操作员界面和可视化。&

6、#1048698; Graphics Designer editor（图形编辑器）：图片、图形对象和动画的设计。􀁺 Commissioning Wizard （调试向导）：当 PC 重新启动时，调试向导自动检测新近安装的 SIMATIC 模块（即插即用），并一步步指导用户安装和配置 PC 站。􀁺 Configuration Console（配置控制台）：使用配置控制台可以在Commissioning Wizard （调试向导） 运行后改变设置。用于配置访问点。􀁺 Station Configurator（站配置器）：显示 PCS 7 系统中

7、建立的实际的 PC 配置。􀁺 Multiproject（多项目）：在 SIMATIC 管理器中，您可以创建项目（单项目）或多项目。一个多项目可以包含几个项目和一个主数据库。􀁺 Master data library（主数据库）：一个主数据库是与一个多项目联系在一起的。它不同于其它系统或应用专用库，一个主数据库是存在于多项目中，并收集该多项目使用的所有功能类型。􀁺 Process Object View （过程对象视图）：组态中会创建许多对象。过程对象视图包含了一个项目的所有组态内容。可在视图中显示这些对象并进行编辑。􀁺 S

8、IMATIC NET：调试向导，组态控制台和站配置器是 SIMATIC NET 的接口。SIMATIC NET 是一个 SIMATIC 项目中配置网络和总线系统的平台。􀁺 网页浏览器：使用PCS 7 OS Web，你可以通过互联网或企业网监控过程。在 ES 中组态 PCS 7 项目可以分成 2 个阶段：AS engineering（AS组态）和 OS engineering （OS 组态）。AS 组态包括了工厂层级、功能块、CFC、SFC 和硬件及通讯组件配置的设计。使用“Compiling OS（编译 OS）”功能，可以自动得到 OS 组态的项目数据。OS 组态是设计操作功

9、能和图形。一个自动化站可由电源（PS），中央处理单元（CPU），通讯处理器（CP）和输入和输出模块组成的。CPU 处理操作系统和程序。PCS 7 CPU 是从西门子 SIMATIC S7 400 CPU 系列中选择的。它们通过 System/Plant Bus（系统/工厂总线）与 ES 和/或 OS 服务器进行通讯。AS 也有一个通讯端口通过 Profibus DP 与现场设备进行通讯。如图 1.2 是一个连接到分布式 I/O 的自动化系统典型例子。OS 可以是指 OS 服务器、OS 客户机、OS 项目。“服务器”通常是指物理机器。一个 OS 项目可以是 Single-user（单用户）项目、

10、Multi-user（多用户）项目或者 Client（客户机）项目。“单用户或多用户系统”是指一个 OS 项目的类型。（1）OS 组态OS 组态是在一个 ES 中实施的。它包含了下列功能：􀁺 图形对象的设计（按钮、幻灯、趋势、面板等）。􀁺 SFV：Sequential Function chart Visualisation（SFC 可视化）。用于在 OS 运行系统中显示 SFC。数据归档（变量和消息）以及长期数据存储的设计。􀁺 报表的设计。系统和过程数据的打印输出。用户管理。针对不同的操作任务，分配和控制用户访问权限。􀁺

11、 冗余。配置与主服务器连接的第二个 OS 服务器。如果两个服务器之一发生故障，第二个服务器即承担整个系统的控制。故障服务器恢复工作后，所有消息和过程文档的内容被复制和同步。􀁺 时间同步。一个 OS 在运行时间里作为时间主站，对连接到系统总线和终端总线的所有其它 OS 和 AS，以当前时间进行时间同步控制。􀁺 设备状态监视。设备状态监视是用于持续地监视独立系统（OS 和 AS），并在运行系统中以屏显的方式显示其结果。􀁺 与其它应用软件的连接。PCS 7 OS 为用户的解决方案提供开放式接口。这样，就可以把 PCS 7 OS 集成于复杂的、全公

12、司范围内的自动化解决方案中。（2）单用户项目一个单用户项目是用于一个独立的操作站。适合于在一台 PC 上运行服务器和客户机功能的小系统场合。（3）多用户项目一个多用户项目是用在服务器/客户机环境中，项目数据库位于服务器中，而客户机可以访问数据库。（4）OS 服务器OS 服务器与 AS 和 OS 客户机进行通讯。一台服务器最多可以被 32 台客户机所访问。一台服务器可以访问大约 256 k的变量（85,000 过程对象），这些变量是由 AS 提供和生成的。OS 客户机的操作员也能够发出指令并将其输入到 AS 中。项目数据如图片和数据归档存储在服务器上，并可由客户机所使用。如果一个项目需要几台 O

13、S 服务器，那么，服务器根据工厂层级而排列。可将一个或多个层级分配给一个服务器。这一点与 SCADA 系统有着根本上的区别，SCADA 系统中服务器是根据归档任务分配的，比如消息（报警）服务器，过程-趋势（过程变量）服务器和图片（图形对象）服务器。PCS 7 系统总线是基于 IEEE 标准 802.3，数据传输率为 10 或 100 Mbps 的工业以太网。多达1024 个站可以被连接到工业以太网上。传输介质可以是：三同轴电缆（屏蔽同轴电缆）ITP（Industrial Twisted Pair 工业双绞线）光缆（FOC）网络可以使用光链路模块（OLM）。一个OLM 的实例如图 1.8 所示，

14、有三个工业双绞线（ITP）端口和两个光学端口。使用 ITP端口，可以连接多达三个终端或其它 ITP 段。使用光缆端口，可以建立冗余环形网络。在一个环中，最多可连接 11个 OLM。图 1.8：工业以太网和 OLM表明了一个 ES/OS 和 AS 通过一条TP（双绞）线被连接到一个 OLM 端口。总线主干是光缆环。PCS 7 软件系统2.1 基本数据PCS 7 系统的能力与过程对象、变量和数据归档的处理有关。一个过程对象（PO）指的是一个功能块（FB）和它的操作面板。下列公式用于近似计算 PCS 7 系统的项目数据容量。1 个过程对象（如电动机，阀门和控制回路） 1 个功能块 + 操作面板 50

15、 个 OS 变量全集成自动化SIMATIC PCS 7 系统是为过程工业、混合工业和离散（制造）工业领域提供全面自动化组件的一个平台。随着新技术的应用和创新，原先分开的专用的工业控制系统现在正在合并和交迭。PCS 7 能够提供跨行业领域应用的硬件和软件组件。参第2 章 SIMATIC 管理器和对象SIMATIC 管理器是 PCS 7 项目工程任务的核心管理工具。SIMATIC 管理器提供三个视图（Plant View 工厂视图、Component View 组件视图和Process Object View 过程对象视图）实行项目数据的访问。在 SIMATIC 管理器中，对项目对象进行创建、复制

16、、移动和编辑等。1. SIMATIC 管理器的全局设置SIMATIC 管理器的初始设置，对于在工作平台创建的每个项目都具有影响效应，且在项目管理中尤为关键。1.1 用户定制当您首次打开 SIMATIC 管理器，在创建任何新项目之前，您必须自定义软件的工作平台，如：指定项目中将使用何种语言，以及用户项目和库的存放位置。图 2.1 说明了如何指定项目语言。第3章：PCS 7 站和通讯SIMATIC PC 站（兹简称为“PC 站”）是安装有 SIMATIC 组件的 PC 机。在 PCS 7 系统范畴中，PC 站可以代表一个物理的 OS 服务器或 ES。PC 站之间的通讯是指：􀁺 把

17、组态数据从ES 传输到 OS，以便 OS 能做好运行系统通讯的准备􀁺 ES/OS 和 AS 之间的组态和通讯PC 站和通讯的主题是：从 SIMATIC Manager 中，对所有包含在 PCS 7 项目中的所有 PC 站进行组态。1. 用于 PC 站组态的软件工具􀁺 SIMATIC Manager（SIMATIC 管理器）HW-Config（硬件配置） NetPro􀁺 Configuration Console and Commissioning Wizard（组态控制台和调试向导）Station Configuration Editor（

18、站组态编辑器）在 SIMATIC Manager 中，将 PC 站插入项目中。您必须考虑：物理上存在于 PC 中的是哪一种通讯卡（如：是 CP1613 还是 3Com Etherlink），因为需要为使用的项目组态通讯卡。一个 PC 站，不管是 ES 还是 OS，均有 WinCC application（WinCC 应用程序）来使用通讯通道。在HW-Config（硬件配置）中插入与组态通讯卡和 WinCC 应用程序。ES/OS 的另一端是自动化站：AS。必须在 WinCC Application（WinCC应用程序）和 AS CPU 之间建立逻辑连接。该连接在 NetPro 中进行设置。Con

19、figuration Console（组态控制台）提供 PC 的 SIMATIC 硬件设备的全貌，并用于 SIMATIC PC 通讯系统的组态、调试和诊断。通讯的属性包括使用该工具设置参数、地址和访问协议。采用 Commissioning Wizard （调试向导），首先识别 Configuration Console （组态控制台）列出的 SIMATIC PC 硬件设备。Wizard（向导）对每个 PC 站运行一次1，以后，设置在 Configuration Console （组态控制台）中被设定。当向导运行时，由 Commissioning Wizard （调试向导）识别的设备被编入索引，

20、将来在 Configuration Console （组态控制台）中可以调整索引。Station Configuration Editor（站组态编辑器）指示了当前激活的卡和应用程序。它也可以用于诊断。1 SIMATIC 硬件组件的任何改变将被Commissioning Wizard（调试向导）识别。第4章：创建PCS 7 项目-入门本章将通过一个示例来介绍 PCS 7 工程系统的基本知识及途径。如图 4.1 所示，该示例是要控制一个简单的阀门，即开启和关闭阀门。阀门控制器通过“开启”或“关闭”控制信号来开启或者关闭阀门。阀门的位置由限位开关检测，并作为反馈信号进行监控。阀门和限位开关都是物理

21、装置，而阀门控制器则是一段软件代码，它发出命令信号（开启关闭）并获取反馈信号（开启和。下面的图4.2中概述了创建一个 PCS 7项目来实现阀门控制的步骤。2.6 使用 SFC 编程2.6.1 任务 自动控制阀门设计一个 SFC 程序，允许在没有故障的情况下自动开启阀门，并随后关闭。2.6.2 设计 SFC 图双击 SFC 图打开 SFC 编辑器。然后可以通过添加 Step（步骤）和 Transition（转移条件）使用各种功能图拓扑来构建 SFC程序。参见图4.25。功能图要开启阀门，必须打开某个步骤的“Properties”对话框，在此处设置 AUTO_OC=1。遵循图 4.26 中的图例。

22、第5 章 自动化站这一章首先将介绍如何为 PCS 7 项目进行硬件配置，然后将就使用硬件配置工具实现硬件配置进行多方面阐述。同时还将介绍 S7 CPU 和 I/O 驱动的基本原理。1. 硬件配置 第一步1.1 配置硬件组件的基本过程自动化站（AS）至少包括一个机架，一个电源和一个 CPU。见图5.1 AS的图解说明各组件的功能在表 5.1 中给出。自动化系统S7-400PCS 7 的自动化系统使用 S7-400 的组件。S7-400 控制器采用模块化设计，无风扇，鲁棒性，并可以高度扩展。S7-400 控制器拥有全面的通讯设备、集成的系统功能，并可以连接到集中式或分布式 I/O。只要能正确选择

23、S7-400 自动化系统，几乎所有的自动化任务都可以实现。3. PROFIBUS3.1 主要内容简介PROFIBUS 是当前应用最广泛的现场总线系统。它包含三种不同的传输协议 PROFIBUS-DP 、-PA 和 -FMS。PROFIBUS-DP 是使用最频繁的通讯协议集。它在速度、效率和低连接成本方面进行了最优化设计，专门用于在自动化系统和分布式外围设备之间进行通信。DP 是制造业自动化中传统的、使用 24 伏电压的并行信号传输，以及过程自动化中使用4 20 mA 或 Hart 的模拟量信号传输的理想替代者。第6 章 连续控制CFCCFC（连续功能图）处理自动化和控制功能。这些功能在CFC编

24、辑器中以图形块的形式表示。在CFC编辑器中，可以使用具有特定功能的预制功能块。只需将这些功能块放置在功能图中，互连功能块并分配参数即可。1. 块的概念1.1 块类型块类型是一些可以被插入到一个CFC功能图中的预先编好的程序。当插入一个块类型时，就创建了一个块实例。一个块类可以创建任意多个块实例。对于SIMATIC S7CPU，可以在梯形图（LAD）编辑器、语句表（STL）编辑器和结构控制语言（SCL）编辑器中创建、编辑及编译块类型。对于PCS7项目，则使用结构控制语言（SCL）创建块类型，或者将功能图编译为块类型。1.8 功能块FB、FC、BOP当创建一个块时，它必须被“声明”为功能块（FB）

25、、功能调用（FC）或者基本操作块（BOP）。FB是一个带有存储区的功能块；换而言之，在从一个周期到另一个周期的处理过程中，数据一直存在并且可以被访问。为了能够访问数据，为每一个块实例创建一个数据块（DB）。在多实例功能块中，调用FB包含多个子FB，但是只创建一个公共的数据块DB。FC是一个不带有存储区的功能块；换而言之，功能块产生的数值被立刻处理。FC不需要数据块。FC在输出端没有缺省值。BOP也是一个不带有存储区的功能块。它们用于实现一些简单的功能，例如AND、OR等。在CFC中，基本操作是一些程序元件，在编译过程中作为SCL语句表被输入。BOP位于CFC Chart文件夹中。参见图6.4。

26、其中BOP由各功能图标标识。原料罐单元的控制4.1 原料罐单元4.1.1 功能描述使用P&I图，即管道设备流程图描述控制和自动化任务。图6.89给出了原料罐（液体）单元的P&I图。这个单元是生产线上的第一个原料罐，在手册中记作RMT1。对于这个原料罐单元，主要操作任务是为两个反应器中的一个提供一定剂量的原料。首先，选择一个反应器，例如：Reactor1。通过打开通往Reactor1线路上的阀门NK113，NK112和NK111，开放管道通路。管道通路开放后，释放液体流量控制，泵启动开始输送液体。当泵开始运行时，定料给料功能块开始工作。第7 章 创建功能块 SCL如第六章所述，可以使用 LAD，STL 和 SCL 创建功能块类型。在 PCS 7软件环境中使用的功能块应使用结构控制语言（SCL）创建。在 CFC 编辑器中，有一个功能叫做“Com