西门子 PCS 7 系统结构及典型配置

西门子 SIMATIC PCS 7 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。软件系统高度地满足了各种工业场所不同自动化任务的设计、组态和调试方面的要求，如化工，石化，制药，水处理和电厂等行业。

典型的系统配置

下图显示了一个典型的PCS 7系统，图中ES为工程师站，OS为操作员站，AS 为自动化站。

ES：工程师站

PCS 7 项目是在PCS 7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 Chart（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。
• Graphi cs Desi gner edi t or（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。
• SIMATIC 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。

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 组态是设计操作功能和图形。

AS: 自动化站

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/Palnt 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。下图 是一个连接到分布式I/O的自动化系统典型例子。

现场设备

PCS 7 系统的一个很大的优点是：采用现场总线技术把各种现场设备和仪表无鏠集成于它们的中央控制系统中。西门子公司本身和各种设备供应商提供了多系列遵守 Profibus 协议的驱动器、变送器、传感器和仪表。Profibus 支持本质安全型仪表，并具有 HART 和 AS 模块的接口。下图 显示了 PCS 7 系统设备级的概况。

Profibus DP 和 Profibus PA

Profibus DP 的设计是来替代制造自动化中传统的 24 V 并行信号传输，过程自动化中 4 – 20 mA 或 HART 模拟信号传输。Profibus PA 协议集定义了典型现场设备如测量变送器或定位器的参数和性能。PA 协议集适用于 4 – 20 m A 和 Hart的模拟量传输。把 Profibus 技术与传统的电缆技术相比较，好处是显而易见的。分离器、终端和分布设备由一个 Profibus 系统所取代。图形化界面和全面的诊断工具的应用可以高效地安装总线系统。通过光纤，比如建筑物之间的长距离通讯，开始成为切实可行的。Profibus 的简易性大大减少了调试和服务的工作量。下图 显示了使用 Profibus 技术的简易性。

用于现场设备的 PCS 7 组态工具（PDM）

PDM（Process Device Manager 过程设备管理器）能集成于 PCS 7 组态系统中，或作为单机控制台使用。SIMATIC PDM是一种用于现场设备和自动化组件调试、维护、诊断和显示的工具。下图 显示了可以在其中校验设备，在总线中设定设备地址，以及与设备进行在线通讯的软件环境。

PCS 7 系统也提供库功能，把设备集成至自动化设计中。下图显示了通过功能块 PA_AI把压力变送器读数读入CFC 中，并在 OS 中显示数值。

OS: 操作员站

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、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。

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 OS 服务器，那幺，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。下图显示了 PCS 7 OS 服务器根据工厂区域的分布情况。

（5）冗余服务器

此处，冗余位于 OS 级。PCS 7 提供其它级的冗余，比如， AS 级，系统总线级和外围设备级等。冗余服务器功能上与服务器相同，与服务器并行运行。在正常工作时，过程数据服务器完全是并行运行的。每台服务器有着自己的过程连接和数据归档。AS 把过程数据和消息发送到双方冗余服务器中。如果一个服务器发生故障，客户机将自动从故障服务器切换到正常运行的服务器上。故障服务器恢复在线后，冗余功能将履行故障期间的归档同步，传送丢失的数据到故障服务器来填补由于故障而产生的归档缺口。该运行均衡了服务器。

（6）OS 客户机

OS 客户机基于Windows 客户机/服务器技术与OS服务器之间有网络连接。客户机不能直接访问系统总线和 AS。它们是通过 OS 服务器进行项目数据的访问。

系统总线

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。

传输媒体可以是：

三同轴电缆 （屏蔽同轴电缆）

I TP（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 的实例如下图所示，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。

对于性能要求极高的中型至大型系统，系统总线采用Fast Industrial Ethernet 快速工业以太网（以后简称为 Fast Ethernet快速以太网）。快速以太网是标准以太网的进一步发展，其基本特性与一般的以太网标准相似。它们都使用相同的数据格式、CSMA/CD （带有冲突检测的载波侦听多路存取）访问程序、玻璃纤维光缆以及双绞电缆（非三同轴电缆）。快速以太网-网络结构的构造主要基于光学数据的传输。工业以太网 OSM（Optical Switch Modules光学交换模块）使您能够使用工业双绞线（传输速度为 10/100 Mbps）和以玻璃光纤（传输速度为100 Mbps）为快速以太网主干的交换技术，对工业以太网网络进行配置。一个工业以太网 OSM 实例具有六个工业双绞线接口（ITP 端口）和两个光学接口。由此，您可以把多达六个 ITP 终端或

其它ITP 网络连接到 ITP 端口上。您可以将工业以太网总线组态为冗余网络。所使用的冗余概念如下：

冗余光学环

带 REDCONNECT（冗余连接）的传输介质冗余

一个环形结构允许电缆一次失效，如：电缆被切开或断开。传输介质冗余是指：一个 ES 或 OS有两根连接到冗余系统总线的电缆。

带 REDCONNECT（冗余连接）的传输介质冗余：

S7-REDCONNECT （冗余连接）软件包把冗余 S7-400H 可编程逻辑控制器与 OS 相连接。因此，两个通讯处理器（CP1613）必须安装在一台 OS PC 中，如下图 所示。

从组态到运行

项目组态完成后， 把程序（AS - 专用数据块：DB、FC、FB、和 OB 等）从ES下载到 AS中去执行。项目的 OS 部分（OS-专用数据：图片，消息和文件归档）被下载到 OS 服务器和客户机中。然后在服务器和客户机上激活OS 项目。项目就处于 PCS 7运行系统的控制之下。