Profibus-DP在供電監控系統中的應用

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是實(shí)現現場(chǎng)級設備數字化通信的一種工業(yè)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。因其具有數字化、開(kāi)放性、分散性以及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性等特點(diǎn)而獲得了廣泛的應用。目前。已逐漸成熟并對工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程形成影響的現場(chǎng)總線(xiàn)主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP總線(xiàn)是最為流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一。其產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。Profibus總線(xiàn)是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。是一種國際化、開(kāi)放式并與制造商無(wú)關(guān)的現場(chǎng)總線(xiàn)。從用戶(hù)角度看，

Profibus總線(xiàn)提供了3種通信協(xié)議類(lèi)型[3]：Profibus—PA(ProcessAutomation)，Profibus．DP(DecentralizedPeriphery)(簡(jiǎn)稱(chēng)DP)，Profibus—FMS(FieldbusMessageSpecification)。地鐵線(xiàn)供電監控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系統設計采用的是集中管理、分散布置的模式及分層分布式系統結構?，F場(chǎng)I／O設備分散布置必然要求使用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)或網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現監控系統與I／O設備交換信息。因此．在地鐵PSCADA系統中的站級管理層與1．5kV直流開(kāi)關(guān)柜使用.DP現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現兩者之間的信息交互。

總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性是評價(jià)現場(chǎng)總線(xiàn)系統性能的重要標準，即總線(xiàn)對外部事件的反應速度越快，實(shí)時(shí)性就越好。PROFIBUS-DP廣泛應用于工業(yè)現場(chǎng)層，高總線(xiàn)傳輸速率的特點(diǎn)使其非常適合在小規模網(wǎng)絡(luò )中完成對實(shí)時(shí)性要求高的報文傳輸任務(wù)。與PROFIBUS-DP總線(xiàn)實(shí)時(shí)性相關(guān)的時(shí)間參數主要有兩個(gè)：一個(gè)是主站輪詢(xún)各從站的時(shí)間，另一個(gè)是令牌在主站之間的輪轉時(shí)間。與這兩個(gè)時(shí)間相關(guān)的因素有很多，除了系統自身屬性和協(xié)議特點(diǎn)外，用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )參數的設定也起到關(guān)鍵作用。以單主站PROFIBUS．DP系本文統為例，分析了與總線(xiàn)實(shí)時(shí)性相關(guān)的各個(gè)時(shí)間參數，推導總線(xiàn)循環(huán)周期的數學(xué)表達式，并給出令牌目標循環(huán)時(shí)間的確定標準。

1PROFIBUS-DP總線(xiàn)結構

PROFIBUS—DP的MAC層使用基于Token—Passing方式的主從輪詢(xún)協(xié)議。不同于普通以太網(wǎng)中各個(gè)站點(diǎn)有均等的權利接入總線(xiàn)，PROFIBUS-DP—Token-Passing網(wǎng)絡(luò )上的各點(diǎn)都連接在總線(xiàn)上，它們擁有平等的物理地位和統一的邏輯地址，但是按照其在網(wǎng)絡(luò )上的功能和自身智能化程度的不同分為主站(MasterStation)和從站(SlaveStation)兩種類(lèi)型。前者的作用是統一管理各個(gè)從站接入總線(xiàn)的時(shí)序，數據的收集、處理、加工和反饋主要由Pc和PLC擔任；后者的作用是將采集到的現場(chǎng)數據上傳到主站并執行主站下達的任務(wù)，一般為前端的傳感器和執行器。

PROFIBUS—DP總線(xiàn)上所有的主站可以定義成一個(gè)邏輯環(huán)，如圖1所示，令牌作為一個(gè)特定的幀可以在此邏輯環(huán)中循環(huán)。一個(gè)系統中只有一個(gè)令牌，在任意時(shí)刻只有一個(gè)主站能夠獲得這個(gè)令牌，持有令牌的主站擁有總線(xiàn)的控制權，可以將屬于它的從站接入總線(xiàn)并逐一與它們進(jìn)行數據交換。這種工作機制確保了任何時(shí)刻PROFIBUS-DP總線(xiàn)上只有一個(gè)主站使用總線(xiàn)，避免了數據傳輸沖突。

2PSCADA系統結構

地鐵供電系統采用2級集中供電方式，設6個(gè)供電分區，環(huán)網(wǎng)電壓為AC33kV。電力監控變電所自動(dòng)化系統在車(chē)站主控設備室通過(guò)車(chē)站級的以太網(wǎng)交換機接入主控系統。電力監控變電所自動(dòng)化系統采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統結構：系統由站級管理層、網(wǎng)絡(luò )通信層、間隔設備層組成。系統以供電設備為對象。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將所內的110kV／33kV／0．4kV交流保護測控單元、1．5kV直流保護測控單元、交直流電源系統監控單元等間隔層設備連接起來(lái)。電力監控變電所PSCADA系統結構如圖2所示。

站級管理層設備由通信處理機(總控單元)、液晶顯示器組成．在牽引變電主所還包括當地監控計算機。通信處理機采用可靠性高、處理能力強、實(shí)時(shí)響應速度快的工業(yè)級監控計算機。通信處理機的遠程網(wǎng)、所內網(wǎng)傳輸都采用光纖以太網(wǎng)接口。網(wǎng)絡(luò )通信層提供了RS-422、RS-485和CAN、PROFIBUS-DP等現場(chǎng)總線(xiàn)接口．及以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)接口．可滿(mǎn)足自動(dòng)化系統對變電所供電設備進(jìn)行監控的要求．同時(shí)提供了通信接口的可擴展能力，以滿(mǎn)足系統擴容和增加通信手段的需要。

間隔層設備包括：1．5kV直流開(kāi)關(guān)柜(包括饋線(xiàn)柜、進(jìn)線(xiàn)柜和負極柜3種類(lèi)型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+綜合測控保護單元。0．4kV開(kāi)關(guān)柜智能信息采集單元。110kV線(xiàn)路保護，110kVGIS測控單元。110kV分段保護、主變保護，智能監控單元和時(shí)鐘系統。每個(gè)變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設備．如1．5kV直流開(kāi)關(guān)柜只存在于牽引所。在實(shí)際系統中1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜與站級管理層中的總控單元l直接構成DP總線(xiàn)網(wǎng)．下面詳細分析該總線(xiàn)網(wǎng)的設計及實(shí)現方案。

31.5kV直流開(kāi)關(guān)柜DP通信方案設計

主控單元與1．5kV直流開(kāi)關(guān)柜通過(guò)DP總線(xiàn)網(wǎng)交互信息。并構成系統中特殊的2層通信結構。DP總線(xiàn)不僅具有現場(chǎng)總線(xiàn)的共同優(yōu)點(diǎn)．也具有特殊的優(yōu)勢，即能夠很好地滿(mǎn)足系統可擴展性、可靠性、實(shí)時(shí)性等苛刻的要求．為整個(gè)地鐵系統長(cháng)期穩定運行提供保障。

3.1通信方案設計原理及依據

DP協(xié)議的任務(wù)只定義了用戶(hù)數據通過(guò)總線(xiàn)在主站和子站之間的傳輸方式．在用戶(hù)接口層定義了設備可以使用的功能以及各種類(lèi)型系統和設備的行為特性．各種具體設備或DP部件的行為特性則由電子設備數據庫文件(electronicdevicedatasheets。簡(jiǎn)稱(chēng)GSD文件)描述。DP協(xié)議不對用戶(hù)數據進(jìn)行評價(jià)和具體的描述．而是定義了不同的行規或者擴展功能．這就使得DP協(xié)議具有很大的靈活性．也使其在各個(gè)領(lǐng)域都得到廣泛應用。

DP的總線(xiàn)存取控制方式是典型的純主一從控制方式．即在單主總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中只允許有1個(gè)1類(lèi)DP主站(主動(dòng)節點(diǎn))和若干個(gè)從站(被動(dòng)節點(diǎn))，邏輯令牌環(huán)只含有1個(gè)主動(dòng)節點(diǎn)；在多主總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。即使有多個(gè)1類(lèi)DP主站．但1個(gè)從站只能被其中的1個(gè)DP主站配置．而不允許1個(gè)從站同時(shí)被多個(gè)DP主站配置或訪(fǎng)問(wèn)．這樣．只有主動(dòng)節點(diǎn)有權主動(dòng)發(fā)送、存取由它所配置的從站設備，而從站只是被動(dòng)地響應或應答主站的存取控制訪(fǎng)問(wèn)要求。在DP總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中．主站通過(guò)循環(huán)地與它所配置的從站交換數據．從而達到收集分散的間隔層設備信息和控制設備的目的。

3.2硬件組網(wǎng)方案及實(shí)現

DP總線(xiàn)主站采用了apDlicomIO系列板卡．插在研華工業(yè)一體化機PCI插槽上完成DP總線(xiàn)的1類(lèi)DP主站組網(wǎng)功能．板卡通過(guò)總線(xiàn)連接器連接到西門(mén)子公司帶雙光纖口的光鏈路模塊OLM(Optical“nkModule)上，與同樣連接到光鏈路模塊OLM的1.5kV直流開(kāi)關(guān)柜設備實(shí)現冗余的雙光纖環(huán)網(wǎng)。如圖3所示，在該冗余雙光纖環(huán)網(wǎng)中．各個(gè)OLM通過(guò)2個(gè)光纖接口和全雙工光纖電纜相互連接。形成光纖冗余環(huán)，主站(applieomIO板卡)和從站設備通過(guò)總線(xiàn)連接器接到對應的OLM的DP總線(xiàn)電接口上。這樣，其中任何一條光纖鏈路出現了故障，OLM能自動(dòng)切換到另外一條鏈路．并通過(guò)連接指示信號指示總線(xiàn)切換信息和傳輸線(xiàn)故障信息。以便進(jìn)行進(jìn)一步的故障處理而不影響系統的正常數據傳輸。一旦故障排除．總線(xiàn)鏈路又返回到正常的冗余狀態(tài)。從而提高了系統的可靠性。

3.3系統實(shí)時(shí)性分析

地鐵供電監控系統對實(shí)時(shí)性要求很高。系統通信方案能否滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求決定了該方案能否得到應用。根據地鐵的實(shí)際通信參數及軟硬件環(huán)境對上述方案進(jìn)行實(shí)時(shí)性分析。在本系統中，DP總線(xiàn)傳輸波特率為187．5Kbit／s．即傳輸1個(gè)位的時(shí)間為5．333ms。在DP總線(xiàn)上，包含了1個(gè)主站，9個(gè)從站；輸人數據塊長(cháng)度最大值為48Byte，輸出數據塊長(cháng)度最大值為28Byte。

供電監控系統信息延時(shí)包括信息產(chǎn)生、信息處理、信息傳輸和信息顯示等．其中信息處理和信息傳輸時(shí)間占70％。例如，當饋線(xiàn)柜上一個(gè)斷路器產(chǎn)生變位。其在DPU96上I／O濾波消耗時(shí)間為3ms．內部總線(xiàn)運行需1ms。程序循環(huán)時(shí)間20ms：總控單元程序處理(接收和顯示)時(shí)間300ms。加上信息在DP總線(xiàn)上循環(huán)時(shí)間70．38ms．1個(gè)變位信號從產(chǎn)生到傳輸至總控單元的時(shí)間小于500ms：再經(jīng)光纖以太網(wǎng)上送到主控室小于1s。若是對斷路器或者隔離開(kāi)關(guān)的遙控輸出．還應加上遙控執行回路校驗時(shí)間60。100ms和機構動(dòng)作時(shí)間．最大遙控輸出并執行成功(無(wú)故障情況)時(shí)間小于2s。符合電力系統國家標準。從以上分析得出．在PSCADA系統中采用DP總線(xiàn)能對現場(chǎng)設備信息作出實(shí)時(shí)響應．也能對斷路器或者隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控．DP總線(xiàn)方案能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對實(shí)時(shí)性的要求。

4結論

本文分析了PROFIBUS—DP總線(xiàn)的通信協(xié)議和介質(zhì)層的任務(wù)處理流程，在對單主站PROFIBUS-DP總線(xiàn)系統中的主／從數據交換過(guò)程進(jìn)行分析的基礎上，給出了總線(xiàn)循環(huán)時(shí)間的計算公式和提高總線(xiàn)實(shí)時(shí)性的方法。并分析了令牌循環(huán)時(shí)間置對系統實(shí)時(shí)性的影響，用戶(hù)在配置單主站PROFIBUS-DP總線(xiàn)系統時(shí)可以根據不同的系統要求來(lái)確定參數的值。在軟硬件設計時(shí)利用了QNX實(shí)時(shí)操作系統的實(shí)時(shí)性和可靠性等特性，充分發(fā)揮了DP總線(xiàn)網(wǎng)的實(shí)時(shí)性?xún)?yōu)點(diǎn)。在DP總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中使用了0LM模塊。組成光纖環(huán)網(wǎng)．加上良好的接地設計．使系統不受惡劣環(huán)境下通信線(xiàn)路上的電磁干擾影響，滿(mǎn)足系統可靠性要求。

光纖環(huán)網(wǎng)采用總線(xiàn)結構。通過(guò)通信鏈路的冗余．使得增加新的間隔層設備而不影響其他設備的正常工作。通過(guò)DP現場(chǎng)總線(xiàn)在PSCADA系統中的應用。極大增強了間隔層設備的信息集成能力．同時(shí)降低了系統的工程成本．提高了整個(gè)系統的可靠性和可維護性及擴展能力。