现场总线在李家岸引黄涵闸通讯中的应用

1  引言
 
    李家岸引黄涵闸是黄河下游的一座大型自流引水闸，该引黄闸位于齐河县晏城镇李家岸村，相应临黄堤左岸桩号123+210，三连九孔，钢筋混凝土箱式涵洞结构，钢筋混凝土平板闸门，9台固定卷扬式启闭机，启闭机型号QPQ,启闭能力1×80，设计引水流量100m3/s，设计引水水位26.72m,设计灌溉面积267万亩。为了解决引黄渠的水文状况的及时监控和统一管理的问题，设计了李家岸水文监控管理系统。

2  系统设计
 
    李家岸水文监控管理系统是一套集现场检测仪表、现场控制单元、现场执行机构、上位监控管理及远程监控管理的现代化综合监控管理系统。系统主站采用Siemens的Simatic S7-300，主要完成与下位采集单元、上位监控计算机及远程上级管理单位进行有线及无线的通讯任务。主控制器采用双通讯口的S7-200系列PLC的CPU-226，作为终端采集单元及控制器，配合各种检测设备对各个检测量进行数据采集和设备控制。为了保证控制的可靠性，与上级中心PLC通讯选用Profibus-DP扩展模块EM277，采用PROFIBUS现场总线协议进行闸房与控制室之间的通讯。为了增强现场单元的信息导出，在现场使用了SIEMENS公司的TD200液晶触摸显示屏。

    系统采用西门子WINCC5.1作为上位监控软件。主要完成实时监控，参数的修改，报警记录及各个单元的数据采集、汇总，生成报表等功能。上位监控系统有5部分组成。闸门监控画面作为主画面模拟显示涵闸概貌及各个闸门的启闭状况和实时高度。数据归档画面主要表格及曲线的形式显示从下位单元采集上来的数据，具有实时及历史曲线打印和历史数据查询的功能，历史数据的时间段在三个月内可自由选择。报表打印画面能够按照完成统一要求的格式进行历史及在线的数据报表及曲线打印，对于报警信息可实现在线打印。报警画面可以提供最近一千次的报警信息内容查询，包括报警时间、故障地点及部分故障原因。此外在该系统中报警信息条及操作权限信息及更改按钮贯穿于每个操作界面，使操作员在每个画面操作时，都不会错过任何重要信息。操作权限可根据操作员身份的不同而设定，并可以在在线状态下修改个人密码，工程师应具有最高权限。此系统可以用日期、时间、操作员姓名以及新旧数据之间的比较来记录系统运行时的操作过程。
 
    WinCC集成的视频监视功能为在上位机上实现实时监控提供了可能，通过视频采集卡监控画面可以嵌入监控界面，为统一的管理提供了方便。此外，通过上位机进行视频采集，可以充分利用大硬盘的优势进行硬盘录像，可以长时间的保存影像资料。

3  现场总线在系统中的应用

    3.1 关于Profibus总线
 
    Profibus是Process Fieldbus的缩写，是一种已经转化为中国国家标准（GB/T20540-2006 PROFIBUS规范）的国际性的开放式的工业现场总线标准，目前世界上许多自动化生产厂家都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口，广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力、等其他领域自动化。PROFIBUS根据应用特点分为：  PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。
 
    Profibus-DP采用RS-485进行传输，通常称为H2，采用屏蔽双绞铜线电缆，共用一根导线对。波特率从9.6kbit/s到12Mbit/s。RS485操作容易，总线结构允许增加和减少站点，分布投入不会影响到其他站点的操作。PROFIBUS-DP的基本功能和特性如下：

   （1）远距离高速通讯：波特率从96kbps到12Mbps;最大距离，12Mbps时100m,15Mbps时200m,还可以用中继器加长；
   （2）分布式结构：各主站间令牌传递，主站与从站为主/从传递。每段可达32个站，用连接器连接段，最多可达126个站；
   （3）易于安装：因为RS-485的传输技术简单，双绞线的敷设不需要专业知识，总线结构使得一个站点的装卸不影响其它站点的正常的工作，系统的安装还可以分别进行，后期安装的系统不会对前期安装的系统造成妨碍；
   （4）诊断功能：经过扩展的Profibus-DP的诊断功能能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集；
   （5）开放式通信网络；
   （6）可靠性和保护机制。[page]

    3.2 有线通讯系统
 
    系统应用CPU315-2作为Profibus-DP主站，属于第一类DP主站，测流单元和闸门控制单元采用两套S7-200CPU加EM277 PROFIBUS-DP接口作为DP从站形成PROFIBUS-DP网络进行通讯。
 
    EM 277 Profibus-DP可以作为PROFIBUS-DP从站，也可用作与其他MPI主站通讯的通讯口。使用S7-300/400的XGET/XPUT功能时，S7-200可以通过该模块与S7-300/400连接。使用MPI协议或PROFIBUS协议的STEP 7-Micro/WIN软件和PROFIBUS卡，以及OP面板或TD200, 均可通过EM 277模块与S7-200通讯。该系统中可以通过PROFIBUS-DP网络实现在中央控制室对各个监测单元从站进行在线程序的监测、编辑、修改等功能。
 
    最多可将6台设备连接到EM 277 Profibus-DP模块,其中为编程器和OP各保留一个连接,其余4个可由任何MPI主站使用。为了使EM 277 PROFIBUS-DP模块可以与多个主站通讯，所有主站必须工作在相同的波特率下。
 
    当EM 277 Profibus-DP模块用作MPI通讯时，其MPI主站必须使用DP模块的站址向S7-200发送信息，发送到EM 277 DP模块的MPI信息，将会被传送到S7-200上。EM 277模块是从站模块，它不能使用NETR和NETW功能在S7-200间通讯。尽管自由口是S7-200的一个特性，但EM 277模块不能用作自由口方式通讯，网络结构图如图1所示。

    3.3 无线通讯系统
 
    无线通讯系统包含两部分，一部分是检测单元与中央控制单元之间的通讯，一部分是中央控制单元与上级监测站之间的通讯。中央控制单元的PLC S7-315-2DP扩展两个CP340 RS-232通讯模板，分别负责与上传电台和下传电台的通讯。采用分频传输的方法达到互不干扰的目的。下传CP负责接收来自水位检测单元的数据。上传CP负责向上传送该监测站的所有数据。硬件网络配置图如图2所示。

   （1）本地无线通讯系统
 
    超声波测水位系统，是采用单片机控制无线数传电台，定时向中心控制站发送水位实时检测值。因此，S7-300的CP340-RS-232只要处于接收状态便可以定时接收到发来的数据，根据分站站址号将接收缓冲区接收来的数据传送到相应的数据块即可。测沙单元是由中心S7-300PLC控制时序，从站S7-200PLC在收到主站发来的信号时返回检测数据。在无线通讯时应注意，主站与从站进行无线通讯时，要采用时分编址和码分编址的技术，此外为了避免从站之间的数据干扰要采用字节奇偶校验方法加以校验。

    测沙单元从站PLC采用自由口通讯模式，是自行设计的通讯程序，现将通讯部分程序介绍如下：

    MAIN
    NETWORK 37
    LD SM0.7 // COMMENT：当检测到上电信号，调初始化子程序SBR0，
    A SM0.1 //特殊标志寄存器SM0.1在上电的第一个周期为ON。
    CALL SBR_0
    NETWORK 38
    LD SM0.7  //COMMENT：当检测到PLC从STOP切换到RUN状态时，特殊标志寄存
    EU  //器SM0.7为ON一个周期，调初始化子程序SBR0，EU为上升沿检测。
    CALL SBR_0
    NETWORK 39
    LDN SM0.7 //COMMENT：当检测到PLC从RUN切换到STOP状态时，调子程
    CALL SBR_1 //序SBR1，更改通讯参数为PPI通讯协议，以保证正常的程序下载。[page]
    SBR0
    NETWORK 1 // COMMENT：设置通讯口参数为自由口通讯方式，
    LD SM0.0 //9.6k波特率,8为数据位,无校验方式,开中断，
    MOVB 16#09,SMB30 //允许相应通讯口接收数据中断事件8,并
    ENI  //指定中断事件8所对应的中断程序号为INT_11。
    ATCH INT_11,8
    SBR1
    NETWORK 1 //COMMENT：恢复通讯口参数为PPI通讯方式，并断开
    LD SM0.0 //通讯口接收数据中断事件8与通讯口发送数
    MOVB 16#C0, SMB30 //据中断事件9，以保证正常的程序下载。
    DTCH 8
    DTCH 9
    INT11
    NETWORK 1 // COMMENT：比较接收缓冲区SMB0的第一个字节，
    LD SM0.0 //与站点号比较如果站点好正确则继续接收，
    AB= SMB2,VB1 //送计数个数到累加器AC1，将接收缓冲块首地址
    MOVW  +6,AC1 //送VD688,同时更改接收中断事件8所对应的
    MOVD  &VB640,VD688 //中断程序号为INT_12,返回中断；如果不正确
    ATCH INT_12,8  //则继续等待，保持接收中断程序序号INT_11。
    CRETI
    INT12
    NETWORK 1 // COMMENT：将接收数据依次送到接收缓冲块，
    LD SM0.0 //地址加一，计数累加器AC1减一。
    MOVB SMB2，＊VD688
    INCD VD688
    DECW AC1
    NETWORK 2
    LD  SM1.0 //COMMENT：当计数累加器AC1减到零时，将接收
    MOVW VW640,AC0 //到的字节作异或，存放到AC0，同时更
    XORW VW642,AC0 //改接收中断事件8所对应的中断程序号为INT_13
    ATCH INT_13,8
    INT13
    NETWORK 1 // COMMENT：屏蔽接收事件中断8
    LD SM0.0
    DTCH 8
    NETWORK 2
    LDW= AC0,VW644 // COMMENT：比较发送的较验字与接受的较验字是否一致，
    MOVB 18,VB600 //如果一致则准备返回数据，建立数据发送表，
    MOVW VW0,VW601 //第一个字节为数据个数，第二个字为从站号，
    BMB VB200,VB603,16 //接下来是16个字节的返回数据，同时指定
    ATCH INT_14, 9 //发送中断事件9所对应的中断程序号为INT_14，发送
    XMT VB600, 0 //数据；将接收缓冲块的数据送到真正地接受区域，返回
    MOVD VD640, VD400 //中断。
    CRETI
    NETWORK 3
    LD SM0.0 // COMMENT：如果较验字不一致，更改接收中断事件
    ATCH INT_11, 8   //8所对应的中断程序号为INT_11，准备下一次接收。
    INT14   
    NETWORK 1 // COMMENT：发送完成后，屏蔽掉发送事件中断，
    LD SM0.0 //指定接收中断事件8所对应的中断程序号为INT_11，准备
    DTCH 9 //下一次接收。
    ATCH INT_11,8

   （2）远程无线通讯系统

    黄河系远程无线通讯系统可以采用微波、卫星通讯及无线传输等手段。根据系统的实际情况，选用了较为经济、灵活的通讯方式，即采用两套S7-300PLC加CP340进行无线传输，使用CP340的RS232通讯协议进行CP模板与无线数传电台之间的数据交换。CP340带有处理器与缓冲区，数据的发送接受通过SEND和RECEIVE功能块完成，不占用CPU的资源。由于引黄涵闸地处偏僻，距离城市较远，通讯不便，使用这种通讯方式可以达到50公里的通讯距离，而且不受气候及地形的影响。在使用不同传输频段的条件下，通过CP地址号区分，可以实现上传与下传同时进行而不会出现相互冲突。

    在无线通讯中，字节校验十分重要。由于无线通讯往往受到外界各种因素的干扰，不但会引起检测数据的错误，严重的情况可造成现场设备的误动作。系统中首字节作为站址号，第二个字节作为自行规定的确认码，数据段最后一个字节作为所有字节的校验字节，是通过按位进行异或运算生成校验字节。由于CP模块接受数据的时间往往会大于主CPU的循环扫描时间，加之主从站之间的通讯是通过分时进行的，所以在由接受缓冲区送往接受数据区时，应确保位于始端的确认码和位于末端的校验码同时正确时方可进行传送。无线通讯的另一个缺点就是实时性比较差，尤其是在多站点之间进行无线通讯时，各个分站的动作要等待大循环周期的到来，运用时分编址和码分编址的思想可以提高从站的响应速度。具体方法是在上位机对某个分站进行操作时，将该站站号和标志位同时送到下位主PLC，主站PLC接受到该标志位时，将依据分站号在接下来的3个小周期内连续对该分站进行数据收发控制，将采集单元的数据及时采集上来，同时把上位机的控制命令迅速送达执行机构。

4 结束语
 
    本系统是一个较为完整的测控系统，包含检测、控制、通讯、监控和编程等各个环节。在系统中应用了现场总线、无线数据传输、PLC、上位监控等先进的通讯控制手段以及超声波测水位、红外测沙等先进的检测手段。系统圆满完成了浇灌任务，产生了巨大的社会影响和经济效益。

    本文的创新点：在工程实施中，尤其解决了无线通讯，克服了长期滞留下来信号无法传输的问题，解决了黄河通讯长期落后的通讯方式，为黄河远程监控的实施提供了保障。