Profibus-DP现场总线技术及其在水电站状态监测中的应用

1 引言
　　水力机组的状态监测就是根据对表征机组运行状况特性的参量跟踪监测值（如振动和位移量）是否超出正常运行范围来判断运行设备的状态是正常、异常或故障，避免和减少更严重的机组损坏和无计划的停产检修。状态监测的主要目的是使机器良性运转的时间达到最大化，将停机时间降为最低，为设备的状态检修、实现“无人值班”（少人值守）提供可靠的依据。而“无人值班”（少人值守）是水电厂现代化管理的发展方向，如何保证设备在“无人值班”（少人值守）的管理模式下安全、经济、可靠地运行，是国内外近几年来亟待解决的技术问题解决这一问题的有效途径在于及时了解设备的运行状态，有针对性地维护设备，减少设备的突发性故障和提高设备利用率，并逐步实现由定期维修体制向状态检修体制的转变。因此，水力机组的状态监测与诊断是实现“无人值班”（少人值守）的重要保证。
　　目前常用的一对一模式通常是把传感器或执行机构一对一的接入PLC或其他数据采集模块，因此，一个设备就要有一组电源、一组信号，需要庞大的电源与信号电缆从而使系统复杂化。而且很多水力机组状态监测系统的兼容性、容错性、灵活性等方面还存在很多局限性．使得系统功能扩充、升级比较困难，缺少可移植性和通用性；监测系统的开发周期长，成本高，可靠性不够好．由于缺乏统一、标准、开放的接口，监测系统与生产过程管理及全场运行调度决策管理等信息系统的集成，以及与其它监测和诊断系统的信息交流也都较困难．而现场总线技术，可以使传感器、执行器直接接入网络，一条网线可以连接多个传感器和执行元件，省去大量电缆。这对于远端设备的数据采集与控制尤其适合。此外，总线技术与智能设备配合使用，可以使远端设备独立工作，在网络故障时能独立运行。本文作者开发了一套基于PROFIBUS现场总线技术的、性能价格比较高、适用于中小型水电厂、使用和维护方便的监测分析系统。
2 Profi bus现场总线技术
2．1 概述[1]
　　Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。Profibus根据应用特点分为以下三个兼容版本：Profibus— FMS（fieldbus messagespecification，现场总线报文规范）、Profibus-DP（decentralizedperiphery，分散型外围设备）、Profibus— PA（processautomation，过程自动化）。
　　本文使用的Profibus— DP是一种经过优化的高速、廉价通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I／0设备之间通信设计，使用Profibus— DP模块可以取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbit／s，一般构成单主站系统；
2．2 通信协议
　　Profibus通信协议通过ISO／OSI参考模型第2层实现，在Profibus中第2层被称为现场总线数据链路FDL（fieldbusdatatink），Profibus总线上的设备包括主站和从站。主站在一个限定时间（令牌持有时间tokenhold time）内对总线有控制权，这时主站可以向从站发送数据或请求从站的数据，从站对总线没有控制权，只是响应一个主站的请求或确认主站发送的数据。因此Profibus通信协议包括主站之间的令牌传递协议和主、从站之间的主从协议。令牌传递协议确保每个主站有足够的时间履行它的通信任务，令牌在所有主站中循环一周的最长时间是一定的，主从协议保证主站在令牌持有时间内与从站的通信。
2．3 PrOf1bus—DP的传输技术[2]
      Profibus提供了三种数据传输类型!：用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IECll58—2传输和光纤传输技术。RS485传输是Profibus最常用的一种传输技术，这种技术通常称之为H2，采用的电缆是屏蔽双绞铜线，RS485传输技术基本特征如下：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；（2）传输速率：9．6k‘12Mbit／s：（3）介质：双绞屏蔽电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMc）：（4）站点数：不带中继器每分段32个站，带中继器可多达127个站；（5）插头连接：使用9针D型插头；
2．4 Profi bus-DP的设备类型
　　Profibus-DP#tA,～：构成单主站或多主站系统，系统配置的描述包括站数、站地址、输入／输出地址、输人数， Profilms-DP系统可包括以下三种不同类型设备。
　　（1）一级DP主站（DPM1）。一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息，典型的DPM1如PLC或PC。
　　（2）二级DP主站（DPM2）。二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
　　（3）DP从站。DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I／0设备、驱动器、HMI、阀门等）。
2．5 Profi bus-DP系统行为
　　系统行为主要取决于DMPl的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制，主要有以下三种状态。运行：输入和输出数据的循环传送，DPM l由DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息。清除．DMPl读取DP从站的输入信息并使输出信息保持为故障或安全状态。停止：只能进行主一主数据传送，DMP1和DP从站之间没有数据传送。
3 PROFIBUS现场总线技术在水力机组状态监测中的应用
3．1监控系统硬件组成
　　本监控系统主要由上位机、Profibus—DP主站、Profibus—DP从站及其现场设备组成。
　　如图l所示。监控系统中三组PLC和工控机（服务器）之间通过Profibus-DP总线进行通信。如图1所示。[page]

　　一级主站：两组PLC作为DP一级主站，CPU位于控制中心，本系统的PLC采用Siemens公司的S7—300，处理器均为CPU3l5—2DP，它具有强大的处理能力，并集成了Profibus-DP现场总线接口装置，直接挂接于Profibus—DP网络。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU3 1 5，并存储在CPU315中，CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取所有I／O模块的状态字，控制硬件设备。
　　二级主站：上位机是DP类型二类主站。本系统采用研华工控机作为上位机，通过现场总线接口卡CP56 1 3使工控机接入DP网络，这样工控机与现场总线网段就连接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。为了保证系统的稳定性，系统运用双机冗余，两台工控机通过同样的现场总线接口卡CP5613与现场总线相连，如果其中一台工控机发生故障，另一台可进行相应的监控，保证系统正常运行。
3．2 监控系统软件设计
　　本系统软件设计主要包括三大部分，其一为上位机监控程序的设计，主要包括系统运行需要的水力机组状态监控主界面、报表生成和数据查询界面等人机界面的设 其二为PLC控制程序的设计，其中包括系统Profibus—DP网络组态、系统硬件组态、控制程序设计等；其三为通信程序设计，通信程序主要包括上位机和PLC之间的通信，PLC对被控对象的控制程序，上位机和远程调试的通信三个方面。
3．2．1 上位机监控程序设计
　　本文利用监控组态软件开发上位机监控程序，监控组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具，本系统选用西门子公司的WINCC组态软件来完成监控画面的组态，数据库的建立以及生产报表的形成，系统用户管理等。
　　（1）监控界面开发
本系统开发的人机界面主要有以下几部分。l、水电厂实际运行主界面：根据运行现场的实际，动态显示水电厂实际运行隋况。2、监控界面：根据生产要求，组态监控界面，包括运行方式（自动／手动）、温度和压力的越限报警、导叶开度、阀门开度、有功、无功、水头等。3、报表生成以及数据查询界面：根据要求，自动生成生产报表，包括值班报表、日报表、月报表，输出查询主要设置按时间随机查询任何一个时间段内的运行数据。
　　（2）数据库的建立和用户管理
　　实时数据库是本系统的核心，也是应用系统的数据处理中心，系统各部分均以实时数据库为数据公用区，进行数据交换、数据处理和实现数据的可视化处理。数据库的建立主要包括数据对象的建立和数据对象属性设置两部分；用户管理主要用于设置系统的操作权限，由于本监控系统实现了远程监控，因此对系统的操作权限提出了较高的要求，操作权限分工程师和操作员等级别，系统启动和退出、运行参数的给定等必须具有相应的操作权限。
3．2．2 PLC软件设计
　　本系统采用SIMATICS7—300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。
　　（1）网络硬件组态[3]
　　本监控系统是基于Profibus—DP的一个通信网络，在STEP7中，必须进行硬件网络组态。如本系统的两个SIMATIC 300站，两个SIMATIC PC Station，还要插入对象Profibus-DP，对于每个不同的对象，可以打开本对象的屙陛对话框，设置相应的属性。对于每个对象，还必须进行硬件组态，如SIMATIC 300的机架、CPU模块、电源模块和输入输出模块（I／O）等；[page]
　　（2）PLC控制程序设计
　　通常，用户程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行，FB、FC是用户子程序，DB是用户定义的用于存取数据的存储区，本系统中它是上位机监控软件与STEP7程序的数据接口点。
　　基于$7-300 PLC的编程软件STEP7是利用模块化程序设计方法，由于其中许多模块功能相近，只是参数不同，因此将高级语言中的面向对象程序设计方法应用到了此监控系统的程序设计中，实现了代码重用，大大简化了软件的开发和维护。
3．2．3 通信程序的设计
　　通信程序主要包括上位机和PLC之间的通信，PLC对被控对象的控制程序，上位机和远程调试的通信三个方面。
　　（1）上位机和PLC之间的通信
　　根据前面的硬件设计，上位机和PLC之间通过网卡CP5613进行通信，因此在WINCC软件设计中，进行设备组态。从设备箱中选择相应的设备，进行属性设置，主要包括基本属性、通道连接、设备调试、数据处理四个属性页，编写响应的脚本程序，实现上位机和PLC之间的通信。
　　（2）PLC对被控对象的控制程序
　　为了实现对被控对象的控制，必须对PLC编写相应的控制程序，实现PLC和被控对象之间的数据传输，在STEP7中完成硬件网络组态，为被控对象分配网络地址；在组织块OB中选用SFC14“DPRD-DAT”系统功能块，编写程序，实现PLC对被控对象数据的读取；通过调用SFC15“DPWR-DAT”系统功能块实现向与被控对象相应的模块写数据。
　　（3）上位机和远程调度的通信
　　为了把机组的实际隋况及时传送到远程调试部门，以及把远程调度的命令及时传送到上位机，需要将t位机和远程调度联系起来。本系统中采用工业以太网来实现上位机和远程调度间的通[4]。
4 结束语
　　目前，PROFIBUS现场总线技术以它先进的技术优势，得到了广泛地应用，本文就是对现场总线技术使用的尝试。在系统软件设计中，利用了当前比较流行的监控组态软件WINCC进行上位机监控系统设计，大大节省了系统的开发时间，提高了系统的可靠性、通用性及可扩充性；利用顺序控制设计方法进行PLC控制程序设计，大大简化了软件的开发和维护工作。
　　通过Profibus-DP总线，主站（工控机）与从站机（机组控制系统）构成了一个结构简单、应用灵活的工业控制网络。本系统具有较高的性能价格比，并能根据实际要求进行扩充。
参考文献：
[1] 阳宪惠．现场总线技术及其应用【M】．北京：清华大学出版社，1999．
[2] 宋德玉．可编程控制器原理及应用系统设计技术【M】．北京：冶金工业出版社，1 999．
[3]SIEMENS SIMATIC $7-300程序控制硬件与安装【Z】．西门子（中国）有限公司．北京，1 996．
[4] 陈晓东，廖常初．水电站机组监控系统中上位机与下位机的通信实现【J】．自动化技术与应用，2006，25（02）：12—14．