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王德吉 （1975-）
男，河南鄲城縣人，博士，中國煙草總公司職工技術培訓中心高級培訓師、高級電氣培訓師，中科院智能所高級訪問學者、鄭州大學電氣學院兼職教授。中國自動化學會高級會員、IFAC會員，中國煙草學會會員。主要研究方向為煙草信息化與自動化。
項目資助：本文由國家自然科學基金資助項目(60075022)支持。
摘要：為提高煙廠電力監控系統的自動化程度和可靠性，提出了基于PROFINET煙廠電力監控系統：把儀表、組態軟件與PROFINET結合。該系統將硬件電路組裝在開關柜中，通過組態軟件開發設計監控軟件，顯示系統的配置及各種電氣參數，實時控制現場各用電設備，實現配電網數據采集、監控和管理。整個系統集成度高，能滿足煙廠電力監控系統分散化、網絡化、智能化的要求。
關鍵詞：PROFINET；儀表；組態軟件；卷煙廠；PLC
Abstract: To improve the automation and reliability of power monitoring system of
cigarette factory, a new monitoring system was proposed by integrating instrument,
monitor software & PROFINET. The hardware was installed in a switchcupboard, and
the monitor was developed in configuration software, which can display the system
configuration & electrical parameters, control the electrical devices in real time.
The system can also collect, monitor and manage the distribution network data. The
whole system has high integration, can meet the industry power monitoring system’s
requirements in decentralization, network& intelligence.
Key words: PROFINET; instrument; configuration software; cigarette factory; PLC
卷煙廠電力監控系統是整個煙廠安全、優質、高效運行的重要保證。隨著計算機及電子技術的迅猛發展和日益成熟，性能先進，運行可靠穩定的微機綜合自動化系統得到廣泛的應用，逐步替代了傳統的繼電保護與自動化設備。微機保護與常規繼電保護的根本區別在于其實現了數字化，即通過對主設備運行狀態參量的實時、快速數字處理，完成故障診斷、保護動作。但還存在數據傳送速度低、數據利用率不高。本文提出了一種利用當今先進的PROFINET，組態技術和可編程計算機控制器技術的煙廠自動化監控系統，確保復雜的煙機設備啟?？刂?，變壓器保護等系統得以可靠的實現。同時以模塊化的設計保證系統功能的靈活擴充。該系統功能層次更加清晰，安全可靠性更高。論文首先給出了控制網絡的選擇，第二部分給出了系統概況，第三部分給出了硬件選擇，第四部分給出了軟件設計，最后給了總結。
1 控制網絡的選擇
為了快速反映電力監控信息，這就需要根據煙廠范圍內的連續信息流，用于戰略決策: 從生產第一線，到工廠控制層，直到管理層。因此信息技術，特別是基于電力監控的信息技術將成為推動生產效率、降低損壞率和增強企業創新的主要力量。采用基于工業以太網的開放式、跨供應商標準的PROFINET 。PROFINET由PROFIBUS國際組織推出，是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準。作為一項戰略性的技術創新，PROFINET為自動化通訊領域提供了一個完整的網絡解決方案，囊括了如實時以太網、運動控制、分布式自動化、故障安全以及網絡安全等當前自動化領域的最新技術，并且，作為跨供應商的技術，可以完全兼容工業以太網和現有的現場總線（如PROFIBUS）技術，保護現有投資[1] 。
由具有網絡管理功能和三層交換路由功能的工業以太網交換機組成冗余光纖環網作為車間級的主干通訊網絡網，主要用于各控制系統間的網絡通訊和控制系統與集中監控系統間的通訊。網絡介質采用高速無干擾的多模光纖，構建千兆高速網[2] 。
按照各控制系統的控制范圍劃分，采用工業以太網交換機為各工段控制系統構建星型控制子網絡，以提供各控制段主控器件和IO站點間的網絡通訊。各控制子網可通過交換機接入主干網。
為集中監控系統構建子網絡，該網絡一方面通過以太網交換機接入車間主干網，完成集中監控系統和控制系統間的網絡通訊；另一方面通過交換機或Web服務器與廠級網絡連接，為廠級數據通訊提供網絡接口，同時在與廠級網接口處安裝硬件防火墻，以保護集控系統和控制系統安全，防止來自廠級網和Internet的侵害。
所有網絡設備采用雙路供電，以保證網絡設備具備冗余電源供應，確保網絡的穩定可靠。
因為局域網交換機只能對確定目的地址的分組進行單獨信息交換，而各站點發送數據包之前都要廣播查詢所要到達目的地的MAC地址，同時，由于大量應用層軟件需要廣播傳送某些數據包，而這些數據廣播包只須發向某一組用戶，此時如果沒有VLAN，這些數據包會很快占用整個網絡大量的資源，仍然象集線器一樣，向交換機的所有端口上轉發廣播信息。使得正常數據包無法搶得正常帶寬，嚴重影響到網絡效率及性能，因此必須使用VLAN技術[3] 。
2 系統概況
根據全集成自動化（Totally Integrated Automation）的思想，將煙廠電力監控系統分為管理級、控制級、現場級。系統簡圖如圖1所示。
管理級：管理級是系統的核心部分，完成對煙廠電力監控過程各部分的管理和控制 ，并實現廠級的辦公自動化。管理級提供人機接口，是整個控制系統與外部信息交換的界面 。管理級的工業計算機具有相互通訊的功能，實現數據交換或共享?？紤]到管理層功能結構的層次性和可分割性，采用客戶/服務器（Client／Server）的體系結構。服務器選用大型的網絡關系數據庫，滿足開放、分布式數據庫管理方式的要求。服務器具有遠程控制操作功能、狀態顯示功能、數據處理功能、報警功能、報表功能、通訊功能和冗余功能等。煙廠電力車間中心控制室中設備包括：兩臺安裝Siemens公司WinCC監控組態軟件的冗余服務器作為上位機 ，安裝有WinCC組態軟件的完全版以及冗余軟件包，兩臺服務器互為備用，實現冗余，提高系統的可靠性。裝有WinCC運行版的PC機作為監控工程師操作站。這種配置的最主要的優點是保證數據的完整性和監控操作的連續性。
控制級：控制級是實現系統功能的關鍵，也是管理級與現場級之間的樞紐層。 其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，對煙廠電力狀況監控 ，同時將現場狀態輸送到管理層?？刂破魇钦麄€系統的核心，所以在控制級中，主要采用三套Siemens公司S7_300(CPU315_2PN/DP)型PLC組成，采用光纖和交換機構建成數據交換網絡， CPU315_2PN/DP配有集成的PROFINET接口，通過該接口連接I/O現場設備，STEP7包含有所需的驅動，也可以延伸到低端PROFIBUS上的設備，而無需重新連接編程器?，F場設備也能夠使用額外集成的PROFIBUS接口進行連接，而且，PROFINET接口可以用于單元級的通訊。PRIFINET CPU 能夠使用STEP7在工業以太網上通過編程器/PC進行編程。
現場級：現場級是實現系統功能的基礎。現場級主要由一次儀表（如繼電器的電壓、電流等遙測量，以及開關、保護狀態等量）、控制設備等組成。其功能主要是對系統設備的狀態、傳感器參數進行監測，并把監測到的數據上傳；接受控制級的指令對執行機構進行控制。由于控制設備比較分散，在傳統的工廠內，輸入／輸出設備連接到一個集中的機架，在設備改變和系統擴展時，導致接線工作量大，成本高，柔性度低。通過開放的、標準化的現場總線PROFIBUS系統來連接現場控制部件(一些控制設備可能是第三方廠商提供)，是解決這些問題的最佳方案。分布式配置意味著可編程序控制 、I/O模塊和現場設備通過PROFIBUS_DP現場總線的信號電纜連接。將輸入/輸出模塊轉換成就地監測器和執行器，可就地轉換和處理過程信號。從而保證了控制級與現場級控制設備的獨立和兼容 ，同時解決了與第三方設備通訊問題。
如果一個WinCC服務器出現故障，該服務器的客戶機（工作站）自動從發生故障的服務器切換到備用的服務器上，使所有的客戶機始終可以監控生產過程，修復后的服務器回到系統后，自動實現歸檔數據的匹配，管理級與控制級的數據交換均采用了工業以太網，真正體現了公司范圍內從辦公區域到現場級的集成通訊。所有相關用戶都可隨時隨地訪問到該服務器，了解各工廠電力的配電狀況。
3 硬件選擇
正常情況下，PLC、現場I/O等器件，選用符合IEC標準的產品即可。不過，因采用了最新的工業以太網PROFINET，相關器件的接口就有了新的要求。PLC要求具備PROFINET接口，現場I/O子站的耦合器要求具備PROFINET接口。此外，交換機要求支持PROFINET功能，這樣才能傳送實時信號。其中，PLC主站采用的是S7-300/400PLC；遠程 I/O 采用支持PROFINET技術的ET200S。
控制層骨干網絡由最新的SCALANCE X系列交換機搭建靈活構建電氣或光學工業以太網；網絡拓撲結構、類型以及端口數量都可很容易地適配工廠布局。它有高度的網絡可用性；即使故障時，也能通過非?？焖俚木W絡重新配置（<0.3 秒），可靠通訊 ；通過SC 接口（千兆以太網）、ST 接口（快速以太網）以及預裝配光纖，可實現簡便的光纖連接技術 ；無需進行傳輸時間的計算就可以簡單地進行網絡組態；應用信號觸點、數字量輸入、SNMP 以及電子郵件和PROFINE IO 診斷功能，監視和診斷都十分簡便；通過在SIMATIC 系統故障報文概念SFM的集成，降低SPS/HMI工程費用 [4]。
其中SCALANCE X 200 連接PROFINET網絡，骨干網采用SCALANCE X414-3E形成一個環形的光纖冗余網絡，保證在網絡上一點發生故障時正常通訊。也可以在不中斷通信的情況下，隨時進行網絡擴展，充分的保證系統的可靠性。SCALANCE X400型交換機為上層管理網絡提供了千兆的通訊接口，也為各個子系統的集成提供了一個開放的平臺。該型交換機全面支持VLAN和路由功能，有效的減輕網絡負載和防止網絡風暴的發生。進一步提升了網絡的可靠性。連接控制網絡和廠區外部網的SCALANCE S模塊能夠隔離內網和外網的非安全連接。有效屏蔽外網的非授權訪問和其它不安全信息的傳播，同時又能保障有效信息的通訊。由于所有的分系統，都采用PROFINET網絡，統一了所有現場設備的接口，實現了多網合一。統一的PROFINET系統接口，使得整個車間處于集中監控狀態，增強了整個系統的透明度，有效數據采集和傳輸也更為方便和快捷。這些都為設備管理提供了極大的便利。同時，編程中引入CBA概念，各個分系統分別作為各自獨立的組件，再通過IMAP軟件將它們連接成一個統一的系統。極大的簡化和方便了通訊編程和調試的復雜程度，節約了大量時間。大量西門子工業級光纖和工業級連接輔件的使用，也讓網絡的每一個細小連接牢不可斷。
4 基于現場總線的監控軟件設計
通過工業以太網，具有與多臺下位機系統通訊的能力，實時監控多臺下位機的工作狀態 ，顯示生產過程中的工作曲線；具有遠程控制能力；向下位機采集數據，對歷史數據進行存儲、查詢、顯示、打印等。因此，在一個自動監控系統中，運行的監控組態軟件是系統的數據收集處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心，與各種控制、檢測設備（如PLC、智能儀表等）共同構成能快速響應的控制中心。本系統選用了Siemens公司WinCC(Windows Control Center)6.0組態軟件[5]。WinCC具有控制自動化過程的強大功能，是基于個人計算機，同時具有極高性價比的SCADA級操作監視系統 。在兩臺服務器上安裝服務器版和冗余軟件包，工作站上安裝運行版。
Wincc監控軟件通過與綜合保護繼電器、PLC等I/O設備進行通訊獲取信息。輸入輸出的數值存放在I/O設備的寄存器中，寄存器通過其地址進行引用。大多數I/O設備提供與其他設備或計算機進行通訊的通訊端口或數據通道，監控軟件通過這些通訊通道讀寫I/O設備的寄存器，采集到的數據可用于進一步的監控，不需要讀寫I/O設備的寄存器。監控軟件提供了一種數據定義方法，定義了I/O變量后，可直接使用變量名用于系統控制、操作顯示、趨勢分析、數據記錄和報警顯示。
運行報警和事件記錄是控制軟件必不可少的功能，當變量的數值或數值的變化異常時，將產生報警，以便操作者采取必要的措施。監控軟件提供強有力的報警和事件系統，并且操作方法簡單。監控軟件中的報警和事件主要包括變量報警事件、操作事件、用戶登錄事件和工作站事件。通過這些報警和事件，用戶可以方便地監視和查看系統的報警、操作和各個工作站的運行情況。當報警和事件發生時，監控軟件把這些事于內存中的緩沖區中，報警和事件在緩沖區中是以先進先出的隊列形式存儲，所以只有最近的報警和事件在內存中。當緩沖區達到一定數目或記錄定時時間到時，系統自動將報警和事件信息寫到報警存儲文件、打印機或數據庫中(請注意：要先定義是否存儲到文件、數據庫或直接輸出到打印機)。報警和事件在報警窗中會按照設置的過濾條件實時顯示出來。通過實時數據庫管理從一組工業控制對象采集到的各種數據，并把數據的變化用動畫的方式形象地表示出來，同時完成報警、歷史記錄、趨勢曲線等監視功能，并可生成歷史數據文件。改造后監控系統的新功能如下：
4.1 歷史報警記錄查詢功能使
過去的監控報警信息報出的信息是按時間順序簡單排列，對各類信息沒有分類選擇性。改造后的監控軟件中既可以顯示當前的報警，也可以顯示歷史的報警事件。同時對每一個變量的報警，可以規定報警的報警類型。信息還可以用文件的形式進行歷史記錄或實時打印報警信息?？梢酝ㄟ^選擇起始時間和終止時間以及報警類型調取設備的歷史事件記錄，對事故的過程分析有更準確的依據。歷史報警查詢畫面如圖2所示。
4.2 通過故障錄波分析故障時的狀態
電力繼電保護使用綜合保護繼電器后，具有了自動故障錄波的功能。此次監控改造在監控軟件設置了讀取故障錄波的功能。利用故障錄波軟件讀取綜合保護繼電器錄下的故障前后幾十個周波的跳閘電流、電壓波形，分析繼保動作的準確性。對于電機啟動時過流保護動作狀態以及“晃電”時BZT(備自投)動作的過程分析，都有了過去不可能獲取的準確依據。
4.3 利用歷史曲線分析電機運行狀況
原監控系統信息采集方式采用的是查詢式，沒有實時數據，因而無法顯示歷史曲線。改造后的系統具有實時和歷史數據庫，能夠顯示長達3個月的歷史曲線。通過觀察歷史曲線，電機在運行中如果在負荷變化不大的情況下電流(溫度) 發生明顯變化，就必須分析原因。在電機本體或者軸承發生損毀前解決故障。通過觀察電機電流的歷史曲線了解電機運行的狀況和趨勢?！ ?BR>
4.4 電機累計運行時間的記錄
維修規程上要求電機運行一定時間后下線檢修一次。監控軟件上記錄的累計運行時間是安排檢修周期的準確依據。改造后通過新增的組態畫面可以看到電機累計運行的時間，電機檢修后通過系統管理員按鈕對此數據清零。
4.5 通過邏輯狀態顯示來查找二次回路故障
過去的監控系統能夠反映儀表信號的有無，但對綜保繼電器內許多開關、狀態量無法監視。改造后增加了一些組態畫面，實現了許多狀態量的顯示。在二次回路出現故障時，通過分合閘邏輯圖中各控制點的狀態來綜合分析、查找二次回路的故障點。可以通過各邏輯狀態的顯示，了解HA301高低速電機合閘邏輯中控制點的狀態(深色為“1”，淺色為“O”)。當電機無法合閘時?？梢岳么私M態畫面分析是那個條件尚未滿足。
4.6 電力系統信息的集中監控和發布
過去在各變電所的監控系統都是“各自為政”，各類通訊協議的系統無法實現數據共享。這不符合未來電氣值班人員精簡和系統集中監控的發展趨勢。此次改造建立了各變電所之間的光纖網絡連接，為信息共享做好了物理平臺。軟件系統的改造使各變電所的微機成為I/O信息服務器，通過集中監控微機的軟件，讀取各處的信息量，實現2#總降監控機對全廠電力系統的集中監控。改造后的軟件具有Web信息發布的功能，過去調度只有聽取電氣值班人員匯報，現在可以了解到全廠電力系統狀況，這對電力系統事故狀態下的調度指揮也很有益處。
5 結束語
經過科學的設計、安裝和調試，整套系統達到了預期的功能。通過監控系統實現了控制各種儀表、PLC、單片機；實現對配電網數據采集、監控和管理；同時具備報警處理等功能。友好的界面操作系統和簡易的操作，使系統更具有人性化。而且，本系統將硬件設備組裝在自行設計的通用開關柜中，實現集中管理，同時也便于系統的維護與更換，提高產品的模塊化、標準化、層次化，便于系統的擴展。
采用基于PROFINET構成計算機監控系統，使系統結構簡潔靈活，可靠性高，根據不同的現場情況與用戶要求，本系統可擴展為不同的模式。整個系統集成度高，能滿足工業控制系統分散化、網絡化、智能化的要求，可極大地提高工業控制現場的自動化水平。
采用組態軟件，減少了電力設備狀態監視對人力依賴，降低了人力的成本，提高了經濟效益。為電力系統的生產運行和管理提供了科學、準確的依據。
其它作者：
邊永生（ 1970-），男，河南方城人，本科， 中國煙草總公司職工技術培訓中心高級培訓師，主要從事煙草機械信息化研究。
栗衛軍（ 1971-）男，河南駐馬店人，碩士，中國煙草總公司職工技術培訓中心高級培訓師，主要從事數據挖掘研究。
參考文獻
[1] 西門子PROFINET系統說明書. A5E00879148_01 2006/10馮國華. 監控組態軟件及其應用[M].北京：清華大學出版社，2001.
[2] 張杰. 工業以太網PROFINET革新制絲線的電控系統[J].自動化博覽，2008(2):98-99.
[3] 吳愛國.工業以太網的發展現狀[J].信息與控制，2003，32(5):458-461.
[4] 馮冬芹.Ethernet與工業控制網絡[J].儀器儀表學報，2003，24(1):23-26.
[5] 西門子(中國)有限公司. SIEMENS WinCC V6.0編程手冊[Z]. 北京: SIEMENS公司，2007.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號