2PCS7 深入浅出第一章系统概述.docx
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2PCS7深入浅出第一章系统概述
第1章:
系统概述
目录:
第1章系统概述1-3
1.PCS7系统结构1-3
1.1典型的系统组态1-3
1.2ES:
工程师站1-3
1.3AS:
自动化站1-5
1.4现场设备1-6
1.5PCS7OS:
操作站1-9
1.6工厂总线和终端总线1-10
1.7从工程组态至过程运行1-12
2.PCS7软件系统1-12
2.1基本数据1-12
2.2软件授权许可1-13
3.全集成自动化(TIA)1-13
附录1-15
附录1:
PCS7安装1-15
1.1对操作系统的要求1-15
1.2PCS7和域1-15
1.3PC站规格要求(最低)1-16
1.4PCS7站安装1-16
附录2:
PCS7不可或缺的文件1-16
附录3:
PCS7支持服务1-17
附录4:
用于手册中练习的软件和硬件1-18
第1章系统概述
西门子SIMATICPCS7系统为工业自动化和控制提供有丰富的硬件、软件,以及用于工程、组态和诊断的工具。
本章将概述本系统的结构和功能。
本系统所采用的缩写词,也将一并解释说明。
1.PCS7系统结构
1.1典型的系统组态
图1.1显示了一个典型的PCS7系统,图中ES为工程师站,OS为操作员站,AS为自动化站。
终端总线
工厂总线
图1.1:
PCS7系统结构
1.2ES:
工程师站
PCS7项目是在PCS7工程师站上设计的。
工程师站安装有PCS7组态工具,可以和自动化站和操作员站进行通讯。
PCS7ES拥有功能强大的组态工具,例如:
●SIMATICManager(SIMATIC管理器):
项目创建、库创建、项目管理和诊断,等等。
●Multi-Project(多项目):
在SIMATIC管理器中,可以创建(单个)项目或者多项目。
一个多项目包含有一个或者几个项目和一个主数据库。
●MaterDataLibrary(主数据库):
一个主数据库关联一个多项目。
与其它系统或者应用特定的库不同,主数据库属于多项目内部,并聚集了该多项目所使用的全部功能类型。
●ComponentView(组件视图):
用来新增或组态新的工作站(例如:
ES,AS和OS)。
●PlantView(工厂视图):
用于设计工厂的工厂层级(PH)。
●ProcessObjectView(过程对象视图):
组态期间,可以创建大量的对象。
过程对象视图含有项目设计的各个方面。
在视图中,可以查看并编辑这些对象。
●HWConfig:
AS的硬件配置环境(硬件组态)。
用于配置CPU、通讯处理器、外设以及现场总线,等等。
●NetPro(网络组态):
AS至AS之间,以及AS至OS之间的通讯组态环境。
●ConfigurationConsole(配置控制台):
采用配置控制台,可以更改PC网络适配器的设置。
●StationConfigurator(站配置器):
它可显示所创建的实际的PC组态,以及PCS7系统的组织结构。
●SIMATICNET:
NetPro、ConfigurationConsole、以及StationConfigurator都是SIMATICNET的接口。
SIMATICNET是一个平台,用来组态SIMATIC项目所使用的网络和总线系统。
●CFC:
连续功能图。
用于设计库、自动化控制逻辑、联锁、算法与控制,等等。
●SFC:
顺序功能图。
用来设计顺序控制、逻辑与联锁,等等。
●SCL:
结构化控制语言。
用于算法编程以及功能块的创建,等等。
●IEA:
导入导出助手。
用来创建控制模型(Model)、过程变量标签类型(ProcesstagType)和复制品(Replica)。
●WinCC:
视窗控制中心。
PCS7操作界面和可视化。
●GraphicsDesigner(图形设计器):
设计工艺图、图形对象以及动画。
●WebNavigator(网络浏览器):
借助PCS7OSWeb,通过因特网或者企业内网,可以方便地监视并控制过程。
ES上PCS7项目的设计过程可以分为两个阶段,即所谓的AS组态和OS组态。
AS组态包括工厂层级、功能块、CFC、SFC的设计,以及硬件和通讯组件的组态。
OS组态包括设计带有操作功能和工艺图的操作界面,以及对归档和协议(见第1.5节)的设计。
在执行“CompileOS”时,OS组态可以自动地调用AS组态的大量功能。
1.3AS:
自动化站
PCS7自动化站包括以下模块:
●模块式机架(机架)
●电源(PS)
●中央控制单元(CPU)
●工厂总线通讯处理器(以太网通讯处理器)(可选件)
●现场总线通讯处理器(PROFIBUSDP通讯处理器)(可选件)
●输入和输出模块(可选件)
CPU中包括有硬件和固件。
通过工厂总线,S7程序可以从ES下载至CPU,并由它执行。
PCS7AS包括的CPU属于西门子SIMATICS7400系列。
通过CPU内部PROFIBUSDP接口或者profibusDP串行通讯处理器,可以实现现场级通讯。
图1.2描述了一个带有分布式I/O的典型的自动化示例系统。
图1.2:
自动化站
S7程序由前后相连的功能块组成,并在CPU中连续的依次执行。
什么是块?
PCS7中有些什么块?
PCS7中,“块”是一个重要的概念。
表1.1中对本系统所使用的块做了一个总结。
块
功能简述
组织块(OB)
组织块确定用户程序的结构和执行顺序。
系统功能块(SFB)
系统功能调用(SFC)
SFB和SFC集成在S7CPU内部,通过它,可以调用某些系统功能。
功能块(FB)
功能块是包括程序以及可以存储变量的“内存”的块。
用户可以设计自己的功能块。
功能调用(FC)
FC包含频繁使用的功能的程序子例程。
FC无内存区域。
背景数据块(instanceDB)
当调用FB/SFB时,背景数据块将与块进行关联。
编译时,它们可自动地创建。
数据块(DB)
DB是存储用户数据的数据区域。
此外,数据并非指定给某一功能块,它可以定义为全局数据块(共享数据),以供所有块全局地使用。
系统数据(SDB)
SDB包含硬件配置数据。
表1.1:
PCS7块
注:
缩写词SFC指顺序功能图(编辑器或者图)。
系统功能调用不采用该缩写词。
然而,在PCS7系统中,你可能会看到例如SFC4、SFC265、SFB35等的对象,它们指系统功能(系统功能调用/块)。
1.4现场设备
PCS7系统的一大优点是采用现场总线技术,在其中央控制系统中无缝地集成了大量现场设备和仪器。
西门子自己以及各类设备供应商,例如PROFIBUS用户组织成员(),提供有丰富的驱动、转发器、传感器和仪表等,这些设备都兼容PROFIBUSDP协议。
PROFIBUSDP支持本安测试设备,并具有与其它现场总线系统的接口,例如PROFIBUSPA、HART协议和基金会现场总线。
图1.3概括描述了PCS7AS的现场级。
图1.3:
PCS7现场级
1.4.1PROFIBUSDP和PROFIBUSPA
PROFIBUSDP设计用来替代制造自动化中传统的24V并行信号传输,以及过程自动化中4-20mA或HART模拟信号传输。
PROFIBUSDP在PCS7AS至现场区域之间的距离上可以采用高达12Mbits的波特率进行信号传输。
在现场区域内部,PROFIBUSPAprofile决定了典型现场设备如:
测量器,传感器或定位器的参数和性能。
PAprofile适于传输带有附加状态、服务和诊断信息的模拟信号。
PROFIBUS技术与传统的布线技术相比,优点十分明显。
采用一个PROFIBUS系统,就可以取代隔离、终端和分布式设备。
由于可以使用图形界面以及丰富的诊断工具,因此,可以高效地安装总线系统。
配合光纤线路,使得例如建筑物之间的长距离通讯成为可能。
PROFIBUS技术简便,极大地降低了调试和维护的成本。
图1.4:
PROFIBUS和PA的简易性
图1.4:
PROFIBUSDP和PA的简易性
1.4.2用于现场设备的PCS7组态工具(PDM)
SIMATICPDM(过程设备管理器)可集成在PCS7工程师站中,或者作为独立终端使用。
SIMATICPDM是一个调试、维护、诊断和显示现场设备与自动化组件的工具。
图1.5显示了该软件环境。
在该环境中,可以调校设备,设置设备总线地址,还可以与设备进行在线通讯。
图1.5:
采用PDM进行参数化以及与设备进行通讯
PCS7系统还提供有库函数,可以将设备集成进自动化方案。
图1.6显示,通过功能块PA_AI,周期性地将压力传感器的测量值读入CFC,并显示在OS上。
图1.6:
现场设备与PCS7组态工具的集成
1.5PCS7OS:
操作站
在简单情况下,PCS7OS是一台计算机,用来控制过程工厂,并同时承担过程值和消息的管理/维护和归档功能,即所谓的OS单站。
在分布式系统中,OS被区分为OS客户端和OS服务器。
OS客户端位于控制室,用来控制工厂。
OS服务器承担所有的管理/维护和归档功能。
(1)OS组态
OS组态在ES上进行。
OS项目,是ES项目的一部分,可以采用下列功能进行组态:
●设计图形对象(按钮、滑块、趋势,面板Faceplate等等)。
●SFCVisualization(SFC可视化):
在OS运行系统中自动显示SFC的执行顺序。
●数据归档(变量和消息)以及长期数据存储的设计。
●报表设计:
系统和过程数据的打印输出。
●UserAdministration(用户管理):
组态和控制不同操作用户的授权访问。
●Redundancy(冗余):
组态与主服务器配对的对等OS服务器。
这两个服务器中,若某一个故障,则第二个将承担整个系统的管理/维护工作。
故障服务器恢复工作后,将会复制并同步所有的消息和过程归档。
●TimeSynchronization(时间同步):
在运行时刻,一台OS充当主时钟,对当前工厂总线和终端总线上所连接的所有其它OS和AS的时间实施同步操作。
●LifebeatMonitoring(Lifebeat监视):
Lifebeat监视用来持续不断地监视单个系统(OS和AS),并在OS运行时系统的屏显中显示其结果。
●AssetManagement(资产管理):
除Lifebeat监视外,还可以自动生成诊断图形有助于更好地进行工厂维护,使得这些数据可以提交至更高一级的管理系统。
●与其它应用程序的连接。
PCS7OS为用户解决方案提供了开放接口。
使PCS7OS可以集成进复杂的、企业级自动化解决方案中,例如OPC或OLEDB。
可以创建3种不同的OS项目。
(1)Single-userproject(单用户项目)
单用户项目用于独立的操作站。
它适用于小型系统,服务器和客户端功能组合在同一台PC机上。
工程设计和操作视需求而定,也可以组合在一个单站上。
(2)Multi-userproject(多用户项目)
多用户项目用于服务器/客户机环境。
服务器上的项目拥有自己的数据库并为OS客户端提供项目数据。
(3)Clientproject(客户端项目)
客户端项目也用于服务器/客户机环境。
OS客户端上的项目无自己的数据库,其项目数据来源于OS服务器。
OS项目设计完成后,OS项目将会被下载至相应的站。
(1)OS服务器
OS服务器将过程图中的过程值提供给所连接的OS客户端,并将操作员的指令传递给被指定的AS中的功能块。
一个OS服务器最多可供32个客户端,即所谓的操作站访问。
通常,不使用OS服务器来管理工厂。
OS服务器可访问的过程对象数目由其授权决定,最多可访问85000个过程对象,这些过程对象可分布在多达32个AS上。
若工厂项目需要多个OS服务器,则按工厂层级组织这些OS服务器。
一个或多个区域可以指派给一个OS服务器。
这与SCADA系统从根本上不同,在SCADA系统中,OS服务器按归档任务分配,例如,消息(警报)服务器、过程-趋势(过程变量)服务器、图形(图形对象)服务器。
图1.7显示了按工厂区域分布的PCS7OS服务器。
图1.7:
PCS7OS服务器
(2)冗余OS服务器
这里指OS级冗余。
PCS7可以在所有层级提供冗余,例如,AS级、工厂总线级和设备级,等等。
两个OS服务器可以组成一对冗余的服务器,其中,一个被设计为备用服务器。
这一对服务器,功能完全相同,正常工作时,并行运行。
每个服务器都有其自己的过程连接和数据文件。
AS会将过程数据和消息同时发送给这两个冗余服务器。
若一个服务器故障,则客户机自动地从故障服务器切换至另一个的运行的服务器。
故障服务器修复并联网后,冗余功能将执行故障期间的归档同步操作。
服务器将故障期间所丢失的数据发送给曾经发生故障的服务器,从而,消除了因故障所导致的归档差异。
该过程将使服务器一致。
(3)OS客户端
OS客户端通过终端总线与指定OS服务器进行通讯。
客户端不能直接访问工厂总线和AS。
它们仅能通过所谓的服务包ServerData访问OS服务器上的项目数据。
1.6工厂总线和终端总线
工厂总线和终端总线都是采用符合国际标准802.3的工业以太网。
尤其适用光纤环网的网络结构,因为,它们具有优良的稳定性和高可用性。
对于高标准的中等规模和大型工厂,SIMATICPCS7采用了最新千兆网和快速以太网技术。
它结合了光纤环网高度的安全性、依托交换技术所带来的可扩展性能,拥有高数据传输速率,最高可达1Gbit/s。
传输介质可采用:
●工业用双绞线(ITP)
●光缆(FOC)
图1.8:
工业以太网和OLM
在SIMATICPCS7中,主要采用以下交换机:
●SCALANCEX414-3E,带有两个千兆以太网端口,用于冗余工厂总线和OS–LAN(终端总线)的设计,支持千兆环形网技术;具备最优通讯性能,尤其适用于拥有大量节点和大型通讯网络的超大型工厂。
●SCALANCEX208,带有8个传输速率高达100Mbit/s的端口,适用于线型、星型或者环型拓扑的电气工业以太网络结构(环型拓扑时,需与具有冗余管理器功能的SCALANCEX-400一起使用)。
●SCALANCEX204-2,带有2个光纤和4个电气端口,传输速率高达100Mbit/s的端口,适用于线型或者环型拓扑的光纤工业以太网络结构(环型拓扑时,需与具有冗余管理器功能的SCALANCEX-400一起使用)。
在PCS7中,工厂总线和终端总线的布线实现了最佳隔离。
通常,每个控制柜内都有一个或者多个交换机,采用网线将AS、ES或者OS的通讯模块连接在一起。
CP443-1专用AS通讯模块。
情况简单时,ES和OS通讯模块可以采用标准的网络适配器。
性能要求高时,在工厂总线内使用CP1613。
对于工厂总线上的通讯,新建的各站S7连接可以基于MAC地址或者TCP/IP地址进行下载。
采用PCS7,可以将工厂总线和终端总线组态为冗余网络。
以下冗余方案可以彼此组合:
●电气或者光纤环形结构:
一个环网至少包括两个交换机,其中一个承担冗余管理器的功能。
它可以容许单个错误,例如,电缆上的某处故障或者断线。
●冗余环网:
构建了现有环网结构一个完整的备份。
两个环网在终端总线需要连接。
在工厂总线上,最好隔离这两个环网。
●软件SIMATICS7REDCONNECT(工厂总线):
若某个容错AS处于工作中,则S7REDCONNECT可以在2至4个已设计连接中自动地切换。
因此,构建了S7容错连接,并取代了S7连接。
此外,一个前提条件是,必须在每个OS服务器或者OS单站中采用一个CP1613作为网络适配器。
●终端总线冗余连接:
终端总线上的每个OS,通过2个网络适配器,都连接至某个冗余环网结构。
这两个Intel网络适配器组合在一起,并使用一个TCP/IP地址,因此,即使一个网络适配器故障,通过终端总线也可以访问该站。
1.7从工程组态至过程运行
项目在完成工程组态阶段后,其S7程序(AS特定数据:
DB、FC、FB、和OB,等等)将从ES下载至AS,并执行。
项目的OS部分(OS特定数据:
图形、文件和服务器包)将下载至OS服务器和客户端。
接下来,在服务器和客户端上激活该OS项目。
现在,借助PCS7OS运行时系统,操作员可以对过程实施控制与监控。
2.PCS7软件系统
2.1基本数据
PCS7系统的功能与过程对象、变量和数据归档息息相关。
一个过程对象(PO)意味着一个带有OS面板的AS功能块(FB)。
也下为PCS7系统有效的关系,以及项目数据容量的近似值。
1个过程对象(例如,电机、阀、控制环路和SFC)
1个功能块+面板
25-50个OS变量
工厂总线上节点的数量
1024
访问单个OS服务器的客户端的数量
32
OS服务器或者服务器对的数量
12
一个AS内部PO的数量
约500,视扫描周期而定
一个项目内部PO的数量
60,000
表1.2:
PCS7系统性能的数据
2.2软件授权许可
虽然OS运行时间是基于变量的数量,但PCS7系统(AS+OS)是依据过程对象的数量而定。
软件包的容量等级见表1.3所列,其中,每个授权许可都包含一个512变量的归档授权许可。
AS/OS授权许可
OS变量的最大数量
250PO
8000
2,000PO
64000
3,000PO
100000
5,000PO
150000
8,500PO
256000
表1.3:
PCS7PO授权许可
3.全集成自动化(TIA)
SIMATICPCS7系统是为加工工业、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。
随着新技术的应用与创新,一度被分离的工业特定控制系统正在不断地合并与交迭。
PCS7能够提供跨行业领域应用的硬件和软件组件。
图1.9:
工业领域与控制系统
SIMATICPCS7是西门子全集成自动化(TIA)方案的核心。
图1.10:
SIMATIC7应用领域
图1.10:
SIMATICPCS7应用领域
本手册主要描述PCS7系统的工程组态。
按照自动化系统的物理级,本手册描述了OS服务器、OS客户端、AS,以及分布式I/O。
图1.11描述了一个PCS7系统组件的示例。
在PCS7系统中,可以包括并组态有更多的设备。
限于本手册的大小,不一一列出。
图1.11:
PCS7系统结构
关于其它主题,例如SIMATICBATCH和PROFIBUS技术等等的培训文件与课程材料,也可以向西门子索取。
附录
附录1:
PCS7安装
注
关于PCS7安装的最新信息,请参阅PCS7的“PCS7Readme”文件。
1.1对操作系统的要求
SIMATICPCS7V7.0
MicrosoftInstallation
工程师站
WindowsXPProfessionalSP2
WindowsServer2003StandardEditionSP1
(用于多项目工程设计)1)
操作员系统–单用户
WindowsXPProfessionalSP2
操作员系统–终端(客户端)
WindowsXPProfessionalSP2
操作员系统–服务器
WindowsServer2003StandardEditionSP1
SIMATICBatch–单用户,或者
SIMATICBatch–客户端
WindowsXPProfessionalSP2
SIMATICBatch–服务器
WindowsServer2003StandardEditionSP1
集中式文件服务器
WindowsServer2003StandardEditionSP1
1)多项目设计时,将项目集中归档在服务器上
表1.4:
Windows安装
完成本书中的练习,至少需要一个工程师站。
1.2PCS7和域
可以在一个Windows域内,而不是在Windows工作组内管理PCS7工厂。
因此,PCS7站(OS、ES,和BATCH)不得用作域控制器。
它也不得用于其它域管理目的(DHCP服务器和DNS服务器,等等)。
1.3PC站规格要求(最低)
站
要求
ES或者OS服务器
CPU
PentiumIV;2GHZ
物理内存
1GbyteRAM
硬盘容量
120Gbyte
OS客户机
CPU
PentiumIV;2GHZ
物理内存
1GbyteRAM
硬盘容量
120Gbyte
表1.5:
PC站规格要求(最低)
1.4PCS7站安装
关于在工程师站上安装操作系统和PCS7,请参阅实际PCS7安装DVD光盘中的文件“_Manuals→English→PCS7-PCConfigurationandAuthorization.PDF”
第3章:
安装PC站
附录2:
PCS7不可或缺的文件
PCS7文件位于PCS7工具包内的第二张DVD光盘。
它包括与PCS7有关的所有手册。
PCS7安装会将这些文件拷贝至目录StartMenu→SIMATIC→Documentation。
PCS7的重要信息和各个组件位于目录StartMenu→SIMATIC→Information。
附录3:
PCS7支持服务
PCS7在线:
www.PCS.
技术信息与讨论:
www.PCS→Support→FAQs.
技术支持:
电话:
+49(0)1805050222
传真:
+49(0)1805050223
支持请求:
网站:
FAQ:
AVC:
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