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：
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