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基于WINCC组态软件对复杂工程设计的研究与实现（完整版）
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XXX毕业设计
诚信承诺书

本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计《基于WINCC组态软件对复杂工程设计的研究与实现》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

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日期： 年 月 日

基于WINCC组态软件对复杂工程设计的研究与实现
摘 要

随着工业自动化水平的迅速提高，人们对工业自动化的要求越来越高，集成了人机界面（HMI）系统和监控管理（SCADA）系统的通用工业自动化组态软件的出现，实现了完美的过程可视化，为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。
本文主要介绍了（1）利用西门子公司的WinCC 6.2 组态软件设计制作友好的人机界面，并与触摸屏/文本显示器/操作面板+一、二次结线图一起构成三重监控的新模式，实现利用上位机在造纸过程中对各个工艺流程系统的实时监控和跟踪记录以及对设备的集中控制；（2）并且使用工业以太网交换机和普通以太网卡通过TCP/IP方式小规模连接PLC和工业PC机，让整个废旧造纸生产系统可以系统地联网。解决每个生产部门之间不能及时、快捷、方便联系的问题，改变长期以来“单打独斗的局面，用于实现提高整个造纸系统的生产效率、运行可靠性、方便生产管理、减少不必要的人力浪费甚至环保。
关键词：联网 三重监控 人机界面 WinCC

Based on WINCC configuration software to complex engineering design's research and realization
Abstract

Along with industrial automation level rapid enhancement, the people were getting higher and higher to industrial automation's request, integrated the man-machine contact surface (HMI) the system and the monitoring management (SCADA) system's general industrial automation configuration software's appearance, has realized the perfect process visualization, provided the complete operation and the surveillance function for each industrial field.
This article mainly said that （1）uses Siemens's WinCC 6.2 configuration software design manufacture friendly man-machine contact surface, and/operates kneading board + one, two cording diagrams with the touchscreen/text monitor to constitute the tertiary monitoring new pattern together, realizes the use superior machine and tracks the record as well as to equipment's common control in the papermaking process to each technical process system's real-time monitoring;（2） And the use industry ethernet switchboard and the ordinary ether network card connect PLC and industry PC machine through the TCP/IP way small scale, enables the entire worn out papermaking production system to be possible systematically the networking. Solves between each Production department not to be able prompt, quick, the convenience relation question, the change “to play singles the aspect which since long fights alone, uses in realizing raises the entire papermaking system's production efficiency, the movement reliability, convenience production management, the reduced nonessential manpower waste even environmental protection.
Key words：Networking Triple Monitor HMI WinCC

目 录

摘 要 I
Abstract II
1引言 1
1.1项目研究的背景 1
1.2项目研究的内容 3
2工艺流程 3
2.1制浆 3
2.2调制 4
2.3抄造 5
2.4污水处理 6
3系统组成及其联网 8
3.1系统硬件组成 8
3.1.1 CPU315-2DP/CPU414-2DP 9
机架（rack） 10
ET-200M 10
3.1.4交换机 11
3.1.5上位机 12
3.2系统网络组成 12
以太网 12
3.2.2多模光纤 13
PPI通讯协议 14
通讯协议 14
611卡 15
15
3.2.7RS485 16
3.2.8PROFIBUS – DP 16
3.3系统整体联网 18
4WINCC界面设计 23
4.1添加变量和设计制作界面 24
4.2界面的组成 28
工艺流程示意图 29
菜单的切换 30
弹出式控制窗口 31
报警画面 31
趋势图画面 32
参数表/棒图 36
登陆界面和用户权限 36
4.3各种监控设备的相互配合 38
4.4WINCC运行 43
5系统运行结果、分析、总结与展望 44
5.1系统运行结果与分析 44
5.2项目总结与展望 45
参考文献 46
附 录 48
谢 辞 49

1 引言
1.1项目研究的背景
随着工业自动化水平的迅速提高，计算机技术和信息技术在工业领域的广泛应用和迅猛发展，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵。通用工业自动化组态软件的出现为解决上述实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。
人机界面（Human–Machine Interaction，简称HMI），是人与计算机之间传递、交换信息的媒介和对话接口，是计算机系统的重要组成部分，是指人和机器在信息交换、功能接触或互相影响的领域或称为界面所说的人机结合面。信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软接触。人机界面可以对控制系统进行全面监控，包括过程监测、报警提示、数据记录等功能，从而使控制系统变得操作人性化、过程可视化。 《HMI与Profibus-DP介绍》[EB]，2021年。

组态软件，又称组态监控软件系统软件，译自英文SCADA，即Supervisory Control and Data Acquisition (数据采集与监视控制)，指的是一些数据采集与过程控制的专用软件。它处在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。功能：（1）强大的界面显示组态功能（2）良好的开放性（3）丰富的功能模块（4）强大的数据库（5）可编程的命令语言（6）周密的系统安全防范。其与人机界面的区别是所处运行环境大都是针对计算机/工控机而言的。
HMI/SCADA（人-机接口/上位计算机监控和数据采集）系统对工业控制系统配置和编辑，处理事件报警和系统报警，提供多种数据通信驱动程序，完成各类报表的生成和打印输出，而且还给用户提供多种脚本语言，可以进行二次开发，还有对实时数据的归档和对历史归档数据的查询功能等。
SIMATIC Wincc （Windows Control Center）是第一个使用最新的32位技术、能高效控制自动化过程的过程监视系统，具有控制自动化过程的强大功能、良好的开放性和灵活性。它基于个人计算机的操作监视系统，集成了人机界面（HMI）系统和监控管理（SCADA）系统，集生产自动化和过程自动化于一体，实现了相互之间的整合 西门子（中国）自动化与驱动集团：《深入浅出西门子WinCC V6》[M]，北京航空航天大学出版社，2004，
第1-186页。
，因此，SIMATIC WinCC很容易结合标准的和用户的程序建立人机界面，并精确地满足生产实际要求，它为各行各业提供完整、全面的SCADA功能，是一种复杂的SCADA（数据采集与监控）系统，能高效控制自动化过程，它基于Windows平台，可实现完美的过程可视化，能为各种工业领域提供完备的操作和监视功能。WINCC提供成熟而可靠的运行环境以及有效的组态，其整体的开放性，方便与标准程序和用户程序组合在一起使用，建立人机界面，精确地满足实际需要；其自带的数据库可以实现归档，保存对用户有价值的数据。
这在大量应用和各种工业领域的应用实例中得以证明，包括：造纸和纸品加工、给水系统、水处理和污水净化、电子系统、汽车工业、化工和制药行业、印刷行业、能源供应和分配、贸易和服务行业、塑料和橡胶行业、机械和设备成套工程、金属加工业、食品、饮料和烟草行业、钢铁行业、运输行业等等。
在我国的造纸和纸品加工领域中，一般把纸板分为三类：一类是白纸板（包括涂布的和不涂布的），一类是箱纸板（包括普通的和牛皮的），一类是瓦楞原纸（包括普通的和高强的）。近年来国内经济的高速发展促成市场对涂布白纸板的需求急剧增长，一方面国外制品大量涌入中国市场，同时国内专业机台以惊人的速度在增加 陈卫东、王连军、邹志梅：《涂布白纸板的生产》[J]，《造纸科学与技术》2005年第24卷第4期。

。
白板纸又名马尼拉纸（如图1-1所示），是一种白色的比较高档的包装纸板（广东省是全国白板纸消量最大的省），其特点：正面呈白色且光滑，背面多为灰底，平滑度、油墨吸收性、印刷光泽度很好，可以在其上进行多色套印，使得商品得到增值。
这种灰底涂布白纸板是以纸为主要原料，采用先进浮选脱墨技术，经过彩印制造高档包装材料，广泛用于单面彩色印刷后制成纸盒供包装（烟酒、食品、服装、医药、鞋类等个体包装或内包装）使用，亦或者用于设计、手工制品。具有节约木材、投资少、污染轻、节约能源的优点，倍受纸厂和消费者的青睐，在消费增长中是最快的，市场前景非常广阔。

图1-1 涂布白纸板结构图
1.2项目研究的内容
本研究以西门子公司的WINCC6.2组态软件为主，以西门子PLC（可编程控制器）为基础，同时运用SIMATIC的其他相关软件和产品，为广东佛山华丰纸业(国内华南地区一家比较大型的高级涂布白纸板专业生产企业)设计制作一套可以相互通讯的人机操作界面方案，并连入工业以太网中，解决每个生产部门之间不能及时、快捷、方便联系的问题，改变长期以来“单打独斗的局面，用于实现提高整个造纸系统的生产效率、运行可靠性，方便生产管理、减少不必要的人力浪费甚至环保。
全文一共分为5个单元，每个单元的主要内容如下：
第1单元，介绍人机界面组态软件的背景，指出本文研究的实际意义所在。
第2单元，概述废旧造纸的工艺流程和污水的处理。
第3单元，详细介绍系统的组成及其如何联网。
第4单元，重点介绍使用WINCC组态软件设计界面及在现场运行的结果。
第5单元，对本次项目的分析、总结和展望。

2 工艺流程
现代的造纸工艺流程可分为制浆、调制、抄造、加工等主要步骤。
2.1制浆
制浆为造纸的第一步，制浆就是将植物纤维原料分离出纤维而得纸浆的过程，这里使用的是回收的废旧纸制品。制浆方法主要可分为机械法、化学法和化学机械法，分别制得机械纸浆、化学纸浆和化学机械纸浆；这里华丰纸业使用的是化学机械法，这个效率比较高。其制浆车间配4条生产浆线（面浆线、衬浆线、芯浆线和底浆线），工艺过程主要是碎解、筛选净化、脱墨、热分散或疏磨处理等，分别制备抄造白纸板的各层浆料，为下一个工艺环节作好准备。如图2-1-1所示：

图2-1-1 制浆之底浆现场（左）和制浆之芯浆现场（右）
a.制浆面浆线的处理流程3：

浆板

板式运输机

水力碎浆机

高浓除渣器

高频疏解机

双盘磨

施胶加填

成浆后送造纸

b.制浆芯浆线的处理流程3：

混合废纸

水力碎浆机

高浓除渣器

纤维分离机

4段除砂器

精选3段压力筛

多盘浓缩机

输送机

纤维分级机

长纤维浆

短纤维浆

热分散系统

混合浆池
高频疏解机
成浆后送造纸

c.制浆底浆线的处理流程3：

ONP（旧报纸）废纸

输送机

高浓除渣器

粗筛

精选除砂器

压力筛

多盘浓缩机

水力碎浆机

热分散系统

成浆后送造纸

2.2调制
纸料的调制为造纸的另一重点，纸张完成后的强度、色调、印刷性的优劣、纸张保存期限的长短直接与它有关。
一般常见的调制过程大致可分为以下三步骤：
a. 散浆（把纸浆细化）。
b. 打浆（制成符合抄造要求的浆料）。
c. 加胶与充填（增强纸张的防潮性，有助于提高纸张的强度）。
2.3抄造
此过程为将稀的纸料，使其均匀的交织和脱水，使其成形，再经压榨、干燥、压光、涂布、软压光、卷纸、裁切、选别、包装，故一般常见之流程如下：
A．纸料的筛选
将调制过的纸料再稀释成较低的浓度，并借着筛选设备，再次的筛除杂物及未解离纤维束，以保持品质及保护设备。
B．网部
其面浆与芯浆复合后，再与底浆复合，在底网（即：网部底浆）的末端经过移动水针切边后出网部到压榨部，复合纸边回到底网的网下白水再到网部底浆系统。使纸料从头箱流出在循环的铜丝网或塑料网上并均匀的分布和交织 刘建安、曹国平、雷以超、周庆乐：《芯浆种类、打浆度对白板纸性能的影响》[J],《广东造纸》2000年01期。

。
C．压榨部
将网面移开的湿纸引到一附有毛布的二个滚辘间，借滚辘的压挤和毛布的吸水作用，将湿纸作进一步的脱水，并使纸质较紧密，以改善纸面，增加强度。
D．烘缸
由于经过压榨后的湿纸，其含水量仍高达52 ~70%，此时已无法再利用机械力来压除水分，故改让湿纸经过许多个内通热蒸汽的圆筒表面使纸干燥。烘缸蒸汽的压力和蒸汽的质量直接影响纸板水分。如图2-3-1所示：

图2-3-1 烘缸进汽及冷凝水排出

这个工艺部分属于干燥部管理，其目的：
1.提高纸页的干度。
2.提高纸页的强度。
3.完成浆内施胶，使纸页具有一定的抗水性。

E．加工处理、卷纸
涂布机将成卷的基材涂上一层特定功能的胶、涂料或油墨等，并烘干后收卷；再由卷纸机将纸幅卷成纸卷。 如下图2-3-2所示：

图2-3-2 复卷机（左）和卷纸（右）

F．裁切、选别、包装
取前面已卷成筒状的纸卷多支，用裁纸机裁成一张张的纸，再经人工或机械的选别，剔除有破损或污点的纸张，最后将每五百张包成一包。

2.4污水处理
造纸行业是耗水和污染的大行业，据环保工作人士统计，每生产1吨的制浆大约需要排放100~500吨的废水；而每生产1吨的纸大约需要300~500m3的水。有资料表明，我国纸和纸板能耗同国际先进水平相比高达120%，其他各消耗（水耗、汽耗、电耗）也高于世界先进水平 金立忠、何爱民：《废纸再生造纸的废水处理技术》[J]，《西南造纸》2006年第35卷第4期。
。
利用回收废纸生产各种纸和纸板,可减少砍伐森林减少废纸垃圾。废纸制浆的能耗、化学品消耗和废水污染负荷,也远低于原纤维制浆,这是一项有利于节能环保的绿色工程。虽然佛山华丰纸业高级涂布白板纸的生产是以回收各种的废旧纸类为前提来进行再造的，废纸再生纸厂的废水污染负荷虽然相对较低,但仍不可忽视 《造纸厂污水处理》[EB]，中国污水处理工程网。
。
制浆和造纸是两个独立的过程，污染主要来自制浆那个过程，造纸也容易产生废水。
A．在制浆部分的除渣、洗浆、漂洗等过程中，产生大量的洗涤废水（其呈黑褐色，又称为黑水），污染最为严重。
废纸制浆：以废纸为原料，经过碎浆处理，必要时进行脱墨、漂白等工序制成制浆的生产过程。
脱墨制浆：使用机械和化学相结合的处理方法将废纸上的油墨除去而得到制浆的生产过程。当要脱墨时，就要排出脱墨废水。
B．纸是纸浆经过挤压熏蒸烘干等工序来完成制作的，纸浆里必须有大量的水才能和成浆，而纸浆经过挤压之后里面的水分就被分离出来了，所以造纸会产生大量的废水（其含有纤维、填料和化学药品，又称为“白水” ）。
废纸再生造纸废水主要来源于制浆部分的洗涤废水，这其中包括细小纤维、油墨、树脂、颜料、化学药品和机械杂质等污染物。废纸造纸污水的SS、COD（悬浮物）浓度较高，废纸造纸污水处理要解决的主要问题是去除SS和COD。
该厂使用的是SBR工艺（一种活性污泥系统）进行污水处理，污水进入SBR池，与池中原有的生化污泥还有空气混合，进行生化反应，当反应完成后，则停止供应空气，生化污泥开始沉淀，这样就使得污水得到处理 符基、韦华、黎松涛：《涂布白纸板生产废水集约化处理工艺设计及运行实践》[J]，《造纸科学与技术》2021年第27卷第2期。
。
污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，试水得到净化。污水处理的关键是厂内治理，只有在厂里将大量的废水循环使用，才能减少排放量，从而根本上降低厂外污水处理的成本，才更有利于达标排放，节约成本 符基、陈晓楚、刘吉峰：《应用清洁生产技术，推进企业降耗减排》[J]，《Paper Science & Technology》2021年第3期。
。
实现水源的循环利用，严格控制污水的排放、有效的及时处理废水是非常重要的，这不仅节约成本，更重要的是环保。
所以，污水处理工艺应易于操作、运行灵活且便于管理，并提高操作管理水平。用上位机组态软件配合工艺进行监控是不二的选择，大大提高环境效益，提高污水处理的质量，降低人工控制难度，并节省人力。
SBR系统基本都是由PLC控制，由于污水处理这个环节的WINCC人机界面开发的设计和制作工程，由于各种原因被延迟到下一个阶段，所以被预留着，污水处理作为芯浆线的一个远程从站，目前操作人员是依靠仪器仪表和一次接线图来进行此环节的监控的 刘卫忠：《西门子S7-300PLC在纸厂污水处理中的应用》[J]，《机电工程技术》2005年第34卷第8期。
。
如图2-4-1所示：

图2-4-1 污水处理工艺流程图的一次结线图（还附带报警装置）
3 系统组成及其联网
本系统整体联网的设计结构如3-1图所示。每个独立的系统主要由上位机(OS)（如：操作员站/监控站）和下位机(AS)（如：PLC S7-300和 PLC S7-400）组成，它们之间的连接通过光纤环网――冗余交换机（）来实现，而每个部分之间的连接则是保持原先厂内使用的MPI通信以及一些Profibus DP总线通信。
环型拓扑结构的优点：信息在网络中传输的最大传输延迟是固定的，网上的每个节点与其他两个节点有物理链路直接互通，因此，环型结构网络的传输控制机制较为简单、实时性强。缺点：当一个节点出现故障时可能会终止整个网络的运行，可靠性差 《西门子工业以太网通讯》[EB]，2021年。
谢希仁：《计算机网络》[M]，电子工业出版社，2021年，第1-220页。
。
所以使用了冗余交换机，所谓的冗余交换机，不是指设备上的冗余，而是交换机拥有双通道，传输通道，即通讯线路上的冗余。当交换机一边通道的光纤断了，由于是环网结构，并不影响以太网通讯，可以换个方向从好的那边通道上进行通讯，这样保证了通讯的正常工作，而坏掉的通道在交换机上是有报警显示，可以让工作人员及时修复。

3.1系统硬件组成
整个系统由22台PLC——21台S7-300（包括S5升级到S7的）和1台S7-400、1台
ET-200M、12台工业PC机以及9台光电交换机等主要设备构成。22台PLC，编号101~122，分别为：
101#和102#——芯浆线
103#和104#——BC线（面浆和底浆线）
105#、109#和110#——网部
106#和107#——涂布机
108#——1#切纸机
117#——2#切纸机
111#和112#——3#电房（给干燥部供电）
113#~116#——5#电房（给涂布厨房、红外线装置、施胶供电）
118#——施胶
119#和120#——涂布厨房
121#——华纸（1#生产线）
122#——干燥部

图3-1 整体联网（工业以太网）的设计结构示意图

3.1.1 CPU315-2DP/CPU414-2DP
CPU315-2DP是一款带有中／大规模程序量和PROFIBUS DP 主／从接口的西门子S7-300型PLC的CPU，具有48KB的RAM，80KB的装载存储器，可用存储卡扩充装载存储容量最大到512KB，可用于大规模的I/O配置，最大可扩展1024点数字量或128个模拟量 郑凤翼、张继研：《图解西门子S7-300/400系列PLC入门》[M]，北京：电子工业出版社，2021，第1-337页。
。根据统计出的I/O点数选择一个直流32点和一个16点的SM321数字量输入模块和一个32点SM322继电器输出模块。它除了可以组成集中式I/O结构，还可以组成分布式自动化结构。具有多种不同的通讯接口，组态容易、简单。 在此，用它在SIMATIC S7-300系统中主要是作为PROFIBUS—DP主站使用，用来执行用户程序，控制I/O（开关量和模拟量）和通信等模块。如图3-1-1所示：
CPU414-2DP是S7-400PLC的CPU，其功能与CPU315-2DP大致相同，不过存储量更大，可扩展的I/O点数、可接的从站数量更多，在编程中功能块数量上的更大。仅在需要I/O点数和模块数众多的干燥部上使用，一主一备，构成冗余系统，主PLC则通过网线连入交换机当中。

图3-1-1 CPU315-2DP（带2个IM361/IM360接口模块做扩展）

3.1.2机架（rack）
西门子300PLC的机架主要用于机械安装固定各种模块。装有PLC 300CPU的机架为主机架，也称为中央机架，架上除了电源、CPU、接口这个模块以外，最多可以插8个模块（基本包括：电源模块、CPU、接口模块、信号模块、功能模块、数字量/模拟量输入和输出模块）。通过主机架接口模块与其他接口模块连接的机架称为扩展机架，同样一个机架上最多也是8个模块，一共可以扩张32个模块。而400的PLC最多可以扩张到400多个模块。

ET-200M
ET-200M是西门子的S7-PLC的分布式I/O系统中的一种，是基于S7-300/400的
Profibus-DP现场总线的一个分布式I/O站，它可以通用S7-300/400的各种模块。它主要特点就是将远程的I/O （包括模拟量）通过通讯线传给主机，这样节省了大量的信号电缆，使得结构清晰，便于维护。
在现场中，芯浆生产线属于制浆部门，它的一部分生产设备是专门用来对污水进行处理的，由于工艺原因离PLC主站机架比较远、比较散，如果要分别对那些设备的I/O接线的话，工作量大，需要接将近上百根线，不易实现，成本比较高，并且在工厂这样的环境里，很容易因为电磁干扰而使得可靠性降低，也很容易被老鼠给咬了，查线就更麻烦，所以不管从哪方面考虑，这都是一个很不明智的做法。
而ET-200M使用与S7-300PLC相同的安装系统，由IM153和S7-300的I/O模块组成，并通过IM153远程接口模块与PLC连接，它作为模块化的从站，一个远程机架，在现场凭借Profibus-DP现场总线与PLC进行高数据传输率通讯，确保了CPU315-2DP和I/O设备之间的通讯顺畅。

3.1.4交换机
广义的交换机（switch）就是一种在通信系统中完成信息交换功能的设备。可以为接入交换机的任意两个网络节点提供独享的电信号通路，最常见的交换机是以太网交换机。
交换机可将共享的局域网进行有效的网段划分，使每个用户尽可能地分享到最大带宽，可以连接共享的以太网段及不同速度的局域网，其交换技术处在网络7层模型中的第二层（数据链路层），常被称为第二层交换 冯冬芹、金建祥、褚健：《“工业以太网及其应用技术” 讲座》[J]，《自动化仪表》2003年5月第24卷第5期。

。
图3-1中，一共有9台美国N-TRON公司生产的工业以太网交换机。如图3-1-4所示，

图3-1-4 716FX2和306FX2

图3-1-4中左边的是716FX2 全网管型工业以太网交换机，只分别用在网部和5#电房，因为那里需要联网的PLC数量比较多。自适应速率，双工模式，2光14电的，即：2个100BaseFX光口, ST或SC接头和14个10/100BaseTX RJ-45端口。可工作在-40°C～70°C范围内，支持SNMP v1, v2, v3 和Web浏览器管理功能。这种700系列全管理型工业以太网交换机，使用N-Ring技术作为环网管理器，自愈时间达到30ms，通过Web方式和OPC功能可以实时在线监控环网状态和交换机工作状态，在N-Ring环网里最大可以支持250个节点。
图3-1-4中右边的是306FX2工业以太网交换机，用于其他PLC联网数量较少的生产部门，2光4电的，即：2个100BaseFX 光口和4个10/100BaseTX RJ-45 自动传感器端口，所有的端口都支持全/半双工运行。
利用“最先进”的以太网交换技术，306FX2 有对4 个TX 端口连接的自动调节速率和流量控制能力，而且其端口可以自动配置。光纤端口有ST 和SC 两种工业标准，是全双工光口，并且光纤具有多模和单模两种模式。306FX2能够应付恶劣的工业环境，具有冗余电源输入，提高设备可靠性，每个端口都有LED 显示连接和活动状态，电源的开关状态。

3.1.5上位机
上位监控计算机采/操作员站都使用的是研华工控机（IPC610），1G内存，安装使用Windows XP SP3操作系统，平均无故障时间为10万小时，可锁门防止驱动器和开关被误动，其坚固的结构，抗冲击、震动和防尘。除此之外，采用上位机冗余，有主备用2台工控机都通过网线连入交换机中，防止上位主机出现故障，而影响工作人员对生产的监控管理。

3.2系统网络组成
造纸系统基本分为面浆、底浆线和芯浆线（属于制浆流程），网部、干燥部、涂布厨房、施胶、切纸机、华纸（属于抄造流程）以及电房（属于供电系统）、污水处理等好几个部门，其中制浆、网部、干燥部是整个造纸系统的重要生产部门，而增强它们间的联系是非常重要的。光纤环网构成的工业以太网属于三级网络，而各个生产部门的Profibus-DP/
MPI网络则属于二级网络。
计算机网络体系结构，国际标准化组织ISO提出的标准OSI（开放系统互连基本参考模型OSI/RM），其七层体系结构：①物理层、②数据链路层、③网络层、④运输层、⑤会话层、⑥表示层、⑦应用层。而TCP/IP的四层体系结构：①网络接口层、②网际层IP、③运输层、④应用层（各种应用层协议）。实质上，其只有最上面的三层，因为最下面的网络接口层并没有具体内容 崔坚 主编、李佳 副主编：《西门子工业网络通信指南（上）》[M]，机械工业出版，2004，第1-203页。
。

3.2.1以太网
以太网（Ethernet）是IEEE802.3所支持的局域网标准（西门子的工业以太网符合这个国际标准），它只定义了数据链路层和物理层，作为一个完整的通信系统；A-PARNET在制定了TCP/IP高层通信协议，并把以太网作为其数据链路和物理层的协议之后，以太网便和TCP/IP紧密地捆绑在一起了。
它包括三种网络接口：RJ－45、BNC和AUI，所用的传输介质分别为：双绞线、细同轴电缆和粗同轴电缆，还可以支持光纤等，其最大的优点是简单、经济实用，易被人们所掌握，深受广大用户欢迎。
工业以太网基于IEEE802.3的强大的区域和单元网络，是当今局域网（LAN）领域中首屈一指的网络，采用交换式局域网，每个网段都能达到网络的整体性能和数据传输速率，电气交换模块与光纤交换模块将网络划分为若干个网段 刘泽祥：《现场总线技术》[M]，机械工业出版社，2005年，第1-308页。
。
全双工模式使一个站能同时发送和接受数据，不会发生冲突，传输速率到20Mbit/s和200Mbit/s，可以构建环形冗余工业以太网。其自适应功能能自动检测出信号传输速率（10M或100Mbit/s）。

3.2.2多模光纤
图3-1中，棕色的线为多模光纤。相对于双绞线，光纤能够支持较长的传输距离，在10mbps及100mbps的以太网中，最长可支持2000米的传输距离，而于1GpS千兆网中，最高可支持550米的传输距离。
业界一般认为当传输距离超过295尺，电磁干扰非常严重，或频宽需要超过350MHz，那便应考虑采用光纤代替双绞线作为传输载体。
由于工厂内有大量设备，其会带来很大的噪音和电磁干扰等许多影响通信的因素。所以在各部门与各部门之间的通信上选择了光纤：
1) 光纤的通频带很宽，理论可达30T。
2) 无中继支持长度可达几十到上百公里，铜线只有几百米。
3) 不受电磁场和电磁辐射的影响。
4) 重量轻，体积小。
5) 光纤通讯不带电，使用安全可用于易燃，易暴等场所。
6) 使用环境温度范围宽。
7) 使用寿命长
按光在光纤中的传输模式可分为：单模光纤和多模光纤。
A．单模光纤的纤芯小，光的入射角度小，电磁场分布模式单纯，只允许一种最基本的模式即基模的传播，其它高次模均被淘汰。由于它只有一种模式传播，避免了模式（间）色散的问题（模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信），故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工艺提出了更苛刻的要求。
B．多模光纤的纤芯大，入射光进入纤芯的角度多，向前传播的路径也多，所以其电磁场分布模式多种多样，可同时传播多种模式。但是多模光纤芯径大，可以承受更高的功率。同样是多波长传输，多模光纤对光源的要求要比单模光纤低得多等等，并且由于单模的设备贵，多模的设备便宜。
在嘈杂和电磁干扰的工厂内，做简单的厂房与厂房之间的通信，加上考虑了成本问题，所以选择了多模光纤。所图3-2-2所示：

图3-2-2 多模光纤（multi-mode fiber;multimode fiber）实物图

PPI通讯协议
PPI通信协议是西门子公司专为S7-200系列PLC开发的通讯协议，内置于S7-200CPU中。PPI协议物理上基于RS-485口，通过屏蔽双绞线就可实现PPI通讯，PPI协议是一种主-从协议。主站设备发送要求到从站设备，从站设备响应，从站不能主动主动发出信息。主站靠PPI协议管理的共享连接来与从站通讯。PPI协议并不限制与任意一个从站的通讯的主站的数量，但在一个网络中，主站不能超过32个。其最基本的用途是让西门子STEP7-Micro/WIN编程软件上传/下载程序和西门子人机界面与PC通信 廖常初：《S7-200 PLC 编程及应用》[M]，机械工业出版社，2007年，第132-138页。
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3.2.4MPI通讯协议
图3-1中，在网部里，还有2台旧的工业PC机与PLC是进行MPI通讯的，因为距离比较近。MPI是多点接口(Multi Point Interface)的简称，是西门子公司开发的用于PLC之间通讯的保密的协议。MPI通讯是当通信速率要求不高、通信数据量不大时，可以采用的一种简单经济的通讯方式。通过MPI接口可使PLCS7-200/300/400、操作面板TP/OP及上位机MPI/ PROFIBUS通信卡，如：CP5512/CP5611/CP5613等实现全局数据服务，周期性地相互进行数据交换。MPI网络的通信速率为19.2 K bps ~12Mbps，最多可以连接32个节点，最大通讯距离为50m，但是可以通过中断器来扩展长度 崔坚 主编、李佳，杨光 副主编：《西门子工业网络通信指南（下） 》[M]，机械工业出版,2005.12，第1-95页和188-198
页。
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MPI主要用于连接现场设备（即下端设备，如各类传感器），Profibus-DP主要用于连接上端设备，即工控机等，西门子S7-300与PC通信属于上端设备连接，上端设备信息交流量大，Profibus-DP容量比较大，速度比较快，抗干扰能力强，比较适合，用于车间级监控和现场层的通信系统。其实两者在物理层上是没有区别的，都是RS485，只是网络协议不一样。
MPI是多点通信方式，RS485接口方式，但通讯协议是封闭的，紧紧限于S7系列PLC及设备间的通信。类似于以前常说的DCS系统。
 PROFIBUS-DP，RS485接口方式，可采用线性、星型、环型等多种拓扑结构，但通讯协议时开放的，可以和西门子以外的产品通信联络，是开放的现场总线形式，它定义了第一、第二和用户接口，根据这些规范的接口，不同的设备之间可以实现网络通讯。

3.2.5CP5611卡
CP5611卡应用于PPI/MPI /Profibus网络，PCI接口，一般用于台式PC上；
是西门子控制系统最常用的Profibus-DP总线接口卡，在通常的系统集成当中有着广泛的应用。厂里旧的用于MPI和Profibus通讯的上位机都装有CP5611卡，如果连入以太网中，则不需要，还节省了一笔开支 西门子自动化技术资料：西门子（