自控系统结构设计及系统选型

自控系统结构设计及系统选型
为了将本项目建成一个具有国际先进水平的现代化智能建筑，提供安全、舒适、便利、快捷的卓越服务，建立先进和科学的综合管理机制，提高办事效率，我们特别设计了一个具有最新技术、高运作效率、低维护成本、高可靠性和高性价比的空调BMS设备控制系统。

我们本着以人为本，综合考虑投资效费比与长期使用及维护成本，实际使用效果等因素选用西门子公司生产中型高性能S7-1500系列可编程控制器+WINCC监控软件系统。

WINCC上位软件系统对建筑物内的所有空调系统设备、通风排风设备、冷热源设备和其他系统的自动监测和控制，并同时收集、记录、保存及管理有关系统的重要信息和数据，达到提高运行效率，保证工作或生产环境地需求，节省能源，节省人力，最大限度安全延长设备寿命的目的。

1.1.1.1.BMS系统网络结构规划
本项目系统设计以满足标书的要求，采用最先进的技术和系统、根设计院有关图纸，以技术前瞻性为导向，采用优化的设备配置、运行方案及管理方式，为高科技生物产业园提供高效率的系统管理、提供良好的运行环境、达到温湿度要求、压差要求的洁净厂区。

根据标书要求，结合本项目的实际功能和档次，本次BMS系统在中央控制室设计BMS中控站(本部分设备暂未配置和报价），网络系统采用通用工业TCP/IP网络协议，各主要机房的设备系统采用西门子现场分布式I/O模块控制，方便现场布线与管理，完成正常的监控功能。

在本工程的BMS自动化管理系统的设计和应用中，主要应突出以下重点：
A、采用先进的技术和产品，为生产车间提供一个高效、节能、可靠的智
能控制系统，对生产车间的空调机组等设备予以控制，实现绿色、智能、符合生产试验环境需求的建设目标。

未来的世界是网络的世界，本项目这样的现代化建筑，需要采用符合时代发展的空调BMS自控系统，西门子公司的全以太网结构楼宇控制系统正是顺应这一要求而推出，具有技术的前瞻性，并在同行业中遥遥领先。

B、我们所采用的系统应是一个具有国际先进水平的一流产品，同时也具
有良好的性价比。

其先进性应体现在硬件产品成熟、优质，在国际上有过较长时间的应用历史背景，另外在通讯协议上应能够具有良好开放性和通用性，并已成为发展主流的先进通讯协议，以确保用户在日后系统的升级和扩容上不受单一产品通讯协议限制，方便的对原有系统进行升级和扩容。

在软件上具有良好的人机界面，便于日后酒店管理人员的维护和管理。

C、针对本项目空调设备分布特点，配置西门子S7-1500控制器要保证系统配置的余量和系统扩充能力。

我们所有的现场PLC控制器物理控制点均预留了符合标书要求的余量。

在通讯协议上我们采用了国际流行的标准开放性通讯协议，以保证系统的开放性,为以后其他系统衔接（数据采集、数据发送），提供便利。

D、合理的配置PLC控制器，PLC的分配上要考虑日后施工和管理的便利，便于维护和安装，所有PLC控制器具有现场手动控制和手、自动切换装置。

集散分布方式结构
1）网络管理域：
采用高速以太网组成建筑物的信息主干网，符合TCP/IP协议。

利用OPC技术支持多种开放式协议（包括Modbus-Rtu、Modbus-Tcp、Profibus-Dp），兼容多种标准接口软件（包括ODBC、DDE等）,方便第三方系统的接入；
WINCC 系统采用冗余系统，外加历史数据备份系统，当其中一台服务器发生故障时，备份服务器实时顶替主服务器工作，使整个数据保证安全，WINCC 服务器技术允许第三方系统利用OPC 客户端的应用程序对 WINCC系统实行监测和控制，也可从 WINCC 系统上获取报警信息和事件记录，并为系统提供10M 波特率的通讯速度。

2）网络数据域：
采用以太网结构模块式可编程控制器S7-1500系列，可完全独立于中央站工作，作为网络的节点，实现相互间的双向通讯和数据交换，通信速率达到10/100M自适应。

当系统通讯发生故障时，各个PLC仍然能独自完成正常的监控功能。

3）可靠性
本系统在设计上充分体现了分散控制、集中管理的特点，保证每个子系统都能独立控制，同时在中央工作站上又能做到集中管理，使得整个系统的结构完善、性能可靠。

本系统系统当中的各级别设备都可独立完成操作，即在同一时刻组成不同级别的集散系统（或不同级别的结构组织形式），使用界面非常亲切，其全套空调BMS自控产品、统一的生产管理体系保证了系统的配套性，同时使系统可靠性大为增加。

本系统采用冗余数据服务器，保证数据归档的可靠性。

4）先进性
WINCC在网络扩展方面提供了强大的功能，可与其他厂家的系统或产品（包括各种形式的PLC，消防系统等）在不同的层面上进行联接。

WINCC优越的远程通讯功能，能够使不同楼宇、厂房间的控制系统联系起来组成一个群集系统。

WINCC网络结构的开放性和兼容性，确保了它和先进通讯技术结合的能力，并且保证系统结构在产品更新换代时的延续性。

5）经济性
本BMS系统结构形式为模块式，各种不同的标准化模块使得控制方式极其灵活，控制层的维护和扩展极为方便。

空调BMS系统可以很方便地扩展，节省初期投资，系统各部分可分别随调试完成投入使用。

本BMS系统能够满足您在管理上节省费用的要求，投入有效的使用能量即能保证房间的高标准和舒适性。

6）系统架构
系统配置
1）中央工作站
控制机房安装有中央工作站。

中央工作站由PC主机、彩色屏幕液晶显示器及打印机组成,不间断UPS电源，可直接与以太网相连。

WINCC组态软件借助于Windows 2003多任务环境作为是本系统的管理与调度中心，实现对全系统的集中监督管理及运行方案指导、以及对整个空调BMS自控系统的被控设备进行监测、调度、管理，实现设备的远动控制。

2）软件功能
数据采集与处理
中央管理工作站采集各现场控制器（PLC）上送来的各项数据，运行参数及运行状态，实时刷新数据库，供进一步处理及查询分析。

系统运行状态与历史状态显示
以图形方式显示当前或历史上某一时刻的运行参数，实时显示各测点的参数及各设备的运行状态。

运行记录报表与参数曲线打印
以表格形式打印各测量参数及设备运行状态。

故障诊断和报警
中央管理单元根据实时接收到的各个现地控制单元的参数状态信息，经分析整理后将故障信息及时在屏幕上进行显示。

APOGEE系统软件,它具有以下特点：
大容量
一台中央工作站可以控制的点数达到1,000,000点
多任务性
冗余系统
历史数据库备份
审计追踪
电子签名
由于采用了WINDOS 2003操作平台，其强大的多任务功能，通过全动态窗口，操作员可以同时监视多个视窗，从而可提高操作员和系统的效率，是一个真正的多任务系统。

保密性
多级密码限制对数据库和其它机密信息的存取，采用多级密码控制，以满足众多指定用户的需要，可根据工作需要，任意定义用户的操作权限，控制范围。

报警与信息提示功能，产生报警信号时，可直接切换至动态图或者查询信息提示
动态的系统监控体系和系统构架图，可以直观的检测和设置整个系统的通讯，便于诊断系统故障，方便系统数据的上载和下载。

易于管理
可以针对不同操作者的权限和工作性质，精确指定不同操作者的的不同权限内容。

系统能完全向上兼容，无需特殊设备和工艺就能完成系统升级及容量扩充。

可预设长达一年的时间表，用于设备定时控制和报表输出。

电子签名及审计追踪
通过使用电子签名可以使关键操作的执行取决于用户的电子签名。

只有当已组态用户通过密码验证后，才能执行给定的操作，如果用户未经授权或输入错误密码，则不能执行该操作。

密码区分大小写。

成功的签名步骤和被中止的签名不在都将通过消息加以记录。

“审计跟踪”功能，不仅可以对工程与组态进行跟踪审核(“对项目都作了哪些改动？”)，而且还可以在运行WinCC时进行跟踪审核(“是谁执行的操作员输入？都有哪些操作员输入？以及是在何时执行的？”)。

这完全符合FDA的要求。

除此之外，在工程与组态过程中执行审计功能，还可通过文件管理修改项目。

审计跟踪的结果可加密保存在归档系统 (Historian)中
数据备份 (Automatic backup)
WINCC自动备份是WINDOWS界面和独立运行的软件，可在任何WINCC服务器或终端上运行。

WINCC备份功能提供以下的能力：
备份WINCC SQL SERVR数据库,存放在历史数据服务器中；
从自动备份软件所创建的备份数据中恢复WINCC SQL SERVR数据；
配置和安排重复使用的数据；
清除不必要的备份以清空磁盘空间；
3）软件基本配置
运行于Windows 2003中文平台，灵活的动态图形操作界面，软功能键、下拉式菜单，可用鼠标完成大部分功能
面向对象的数据库Objectivity
跨平台数据库数据交换（ODBC）
接口与服务器（DDE）
历史服务器及软件
数据采集与管理应用软件
运行参数与状态显示应用软件
运行记录报表的打印应用软件
故障诊断及报警应用软件
可制定的权限
可制定的权限
每个工作站可有500个操作员
运行画面若干张（多层嵌套）
现地控制单元编程软件
4）系统软件功能实现及基本操作描述
WINCC操作系统
WINCC操作系统为空调BMS自控系统提供了强大的工作平台，通过操作系统的程序，操作员可以在空调BMS自控系统内进行各项资料的取存及监控。

（1）指令输入及菜单选择的方式
操作员除了可以通过常规的键盘进行操作外，亦可以通过“鼠标”进行操作，包括启停，更改设定点，选择菜单等各项操作。

（2）图形及文字显示
在空调BMS自控系统内每一个监控点，操作员可以决定在操作站以图形或文字方式显示和操作。

（3）多方面资料的显示
操作系统有能力在同一时间内以“窗口”式的方法显示多方面的资料，以便容易对不同表现进行分析，真正做到了实时和多任务。

（4）密码的保护
多级别的密码将为业主及管理人员提供一个有效的保护工具,管理及限制不同部门人员使用空调BMS自控系统, 同时防止系统被非有关人员使用，提高系统的安全性。

同一密码系统同时应用在所有的操作装置上，如操作站，手提检测器等。

当密码系统有增减或改变时，所有操作装置同一时间自动配合，而不需要在个别操作装置做出更改。

密码系统可提供无限多重级别设定，完全取决于用户需求。

当操作人员离开前忘记彻去密码所容许的操作深度时，系统应提供一个从一分钟至一小时的可调时间，自动将操作人员的密码彻去，使系统继续受密码保护。

系统内最少有五十个密码以供有足够的人员容量。

（5）操作员的指令
操作系统可容许操作员进行最少下列各项的指令
a) 启停有关的设施、装置
b) 设定各设定点数值
c) 增加、取消或修正时间控制程序
d) 执行或停止执行各项电脑程序
e) 停止或接上有关监控点的报警状态
f) 执行或停止执行有关监控点的运行时间累积记录
g) 执行或停止执行有关监控点的动向趋势记录
h) PID控制回路的参数设定点
i) 修正系统内的日期、时间
j) 加入或更改模拟量输入点的报警上下限数值
k) 加入或更改模拟量输入点的提示危险上下限数值
l) 检察报警及提示危险上下限数值
m) 自动备份历史数据
n) 手动或自动生成和打印实时和历史数据报表
o) 自动生成故障报警报表
（6）记录及摘要
空调BMS自控系统内的活动可通过人手或自动地制作成一份记录表，然后打印或在显示屏显示出来，或存放在硬盘/ 磁蝶内。

系统可以容许操作员最少很轻易获得下列的记录表。

a) 系统内的所有监控点总表
b) 所有正在报警中的监控点
c) 所有数据库中的报警点
d) 所有数据库中历史数据监测点
e) 所有正在被锁上的监控点
f) 所有被指定为须要跟进的项目
g) 上下限数值及偏差值系统内的所有监控点总表
系统同时可以提供以下的摘要：
有关监控点
互相关联点的组别
操作员自行选择的组别
在任何情况下，操作员在指示空调BMS自控系统提供记录或摘要时，并不需要提供有关硬件的地址码。

（7）彩色动态图形显示
为使系统内的报警更快被确定及更容易分析系统的表现，建管系统根据本方案的要求提供彩色动态图形显示，包括楼层的平面图及机电装置的系统示意图。

操作系统容许操作员通过菜单的选择、文字的指令或图象的途径而达至不同系统的图形示意图或平面图。

有关的图形是动态显示，将温度、湿度、流量、状态等在图形正确位置中不断以实时的数值及状态显示出来，操作员不需介入，作出任何的动作程序。

操作站以“窗口”式运作，可同时显示多幅图形，以便分析或将报警的图形显示出来而不影响正在进行的工作。

（8）人机界面举例
（9）西门子可编程S7-1500系列控制器
a）描述
CPU 1500-3PN编程用的块的总数最多为6000个，数据块最大5 MB，FB、FC、OB最大512 KB。

用于程序的工作存储器5MB，用于数据的工作存储器1MB。

插槽式装载存储器（SIMATIC 存储卡）最大2GB，可存储项目数据、归档、配方和有关的文档。

S7定时器、计数器分别有2048个，IEC定时器、计数器的数量不受限制。

位存储器（M）16 KB。

I/O模块最多8192个，过程映像分区最多32个，过程映像输入、输出分别为32KB。

每个机架最多32个模块。

运动控制功能最多支持20个速度控制轴、定位轴和外部编码器，有高速计数和测量功能。

(10)末端设备层介绍
末端设备包括现场检测仪表、传感器、变送器、执行机构。

对于输入输出信号为I/O模拟信号（0～10Vdc或4～20mA）或开关量信号的末端现场设备，直接接入PLC控制器的I/O模块上，这类设备包括压力、差压、温湿度等各种变送器，以及电动阀门和低压配电产品（开关、接触器等）。

对于提供ModBus-RTU、ModBus-Tcp、Profibus-DP、PROFINET等总线接口的智能型末端现场设备，可通过通讯网络接入控制系统上位系统或PLC控制主站。