Profibus在水電站狀態(tài)監測中的應用

　　水力機組的狀態(tài)監測就是根據對表征機組運行狀況特性的參量跟蹤監測值是否超出正常運行范圍來(lái)判斷運行設備的狀態(tài)是正常、異?；蚬收?，避免和減少更嚴重的機組損壞和無(wú)計劃的停產(chǎn)檢修。狀態(tài)監測的主要目的是使機器良性運轉的時(shí)間達到最大化，將停機時(shí)間降為最低，為設備的狀態(tài)檢修、實(shí)現"無(wú)人值班"（少人值守）提供可靠的依據。是國內外近幾年來(lái)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題解決這一問(wèn)題的有效途徑在于及時(shí)了解設備的運行狀態(tài)，有針對性地維護設備，減少設備的突發(fā)性故障和提高設備利用率，并逐步實(shí)現由定期維修體制向狀態(tài)檢修體制的轉變。因此，水力機組的狀態(tài)監測與診斷是實(shí)現"無(wú)人值班"（少人值守）的重要保證。

　　目前常用的一對一模式通常是把傳感器或執行機構一對一的接入PLC或其他數據采集模塊，因此，一個(gè)設備就要有一組電源、一組信號，需要龐大的電源與信號電纜從而使系統復雜化。而且很多水力機組狀態(tài)監測系統的兼容性、容錯性、靈活性等方面還存在很多局限性。使得系統功能擴充、升級比較困難，缺少可移植性和通用性；監測系統的開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，成本高，可靠性不夠好。此外，總線(xiàn)技術(shù)與智能設備配合使用，可以使遠端設備獨立工作，在網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)能獨立運行。本文作者開(kāi)發(fā)了一套基于PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的、性能價(jià)格比較高、適用于中小型水電廠(chǎng)、使用和維護方便的監測分析系統。

　　Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

　　概述

　　PROFIBUS,是一種國際化。開(kāi)放式。不依賴(lài)于設備生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內選擇且當總線(xiàn)系統啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線(xiàn)上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。

　　PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。專(zhuān)為現場(chǎng)級分散IO節點(diǎn)設計；PORFIBUS-PA:專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，適合于本質(zhì)安全的場(chǎng)合，可使傳感器和執行機構聯(lián)在一根總線(xiàn)上，并有本征安全規范。PROFIBUS-FMS:用于車(chē)間級監控網(wǎng)絡(luò )，是一個(gè)令牌結構。實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò )。為車(chē)間級通信任務(wù)提供了大量的通信服務(wù)。PROFIBUS是一種用于工廠(chǎng)自動(dòng)化車(chē)間級監控和現場(chǎng)設備層數據通信與控制的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？蓪?shí)現現場(chǎng)設備層到車(chē)間級監控的分散式數字控制和現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )，從而為實(shí)現工廠(chǎng)綜合自動(dòng)化和現場(chǎng)設備智能化提供了可行的解決方案。

　　本文使用的Profibus- DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)控制系統和設備級分散I/0設備之間通信設計，使用Profibus- DP模塊可以取代價(jià)格昂貴的24V或0-20mA并行信號線(xiàn)，用于分布式控制系統的高速數據傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s,一般構成單主站系統；

　　通信協(xié)議

　　通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規則和約定。協(xié)議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò )中數據順利地傳送到確定的地方。

　　Profibus通信協(xié)議通過(guò)ISO/OSI參考模型第2層實(shí)現，在Profibus中第2層被稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)數據鏈路FDL（fieldbusdatatink），Profibus總線(xiàn)上的設備包括主站和從站。因此Profibus通信協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞協(xié)議和主、從站之間的主從協(xié)議。令牌傳遞協(xié)議確保每個(gè)主站有足夠的時(shí)間履行它的通信任務(wù)，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時(shí)間內與從站的通信。

　　PrOf1bus-DP的傳輸技術(shù)

　　此網(wǎng)關(guān)PROFIBUS-DP部分采用協(xié)議芯片VPC3+C,其內部含有4KB RAM,用戶(hù)可根據需要對其進(jìn)行設置；有兩種微處理器接口，數據/地址總線(xiàn)復用或單獨操作。因為ARM核對外部RAM操作的速度較快，時(shí)序不能滿(mǎn)足VPC3+C的操作時(shí)序，因此這里不采用數據/地址總線(xiàn)復用的方式，而是用ARM的GPIO口來(lái)模擬VPC3+C的操作時(shí)序。

　　Profibus提供了三種數據傳輸類(lèi)型?。河糜贒P和FMS的RS485傳輸、用于PA的IECll58-2傳輸和光纖傳輸技術(shù)。RS485傳輸是Profibus最常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常稱(chēng)之為H2,采用的電纜是屏蔽雙絞銅線(xiàn)，RS485傳輸技術(shù)基本特征如下：（1）網(wǎng)絡(luò )拓撲：線(xiàn)性總線(xiàn)，兩端有有源的總線(xiàn)終端電阻；（2）傳輸速率：9.6k12Mbit/s:（3）介質(zhì)：雙絞屏蔽電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMc）：（4）站點(diǎn)數：不帶中繼器每分段32個(gè)站，帶中繼器可多達127個(gè)站；（5）插頭連接：使用9針D型插頭；

　　Profi bus-DP的設備類(lèi)型

　　Profibus-DP#tA,~:構成單主站或多主站系統，系統配置的描述包括站數、站地址、輸入/輸出地址、輸人數， Profilms-DP系統可包括以下三種不同類(lèi)型設備。

　?。?）一級DP主站（DPM1）。一級DP主站是中央控制器，它在預定的信息周期內與分散的站（如DP從站）交換信息，典型的DPM1如PLC或PC.

　?。?）二級DP主站（DPM2）。二級DP主站是編程器、組態(tài)設備或操作面板，在DP系統組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統操作和監視目的。

　?。?）DP從站。DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備。

　　Profi bus-DP系統行為

　　系統行為主要取決于DMPl的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線(xiàn)的配置設備所控制，主要有以下三種狀態(tài)。運行：輸入和輸出數據的循環(huán)傳送，DPM l由DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫(xiě)入輸出信息。DMPl讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持為故障或安全狀態(tài)。停止：只能進(jìn)行主一主數據傳送，DMP1和DP從站之間沒(méi)有數據傳送。

　　PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在水力機組狀態(tài)監測中的應用

　　監控系統硬件組成

　　本監控系統主要由上位機、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現場(chǎng)設備組成。

　　如圖l所示。監控系統中三組PLC和工控機（服務(wù)器）之間通過(guò)Profibus-DP總線(xiàn)進(jìn)行通信。如圖1所示。

　　一級主站：兩組PLC作為DP一級主站，CPU位于控制中心，本系統的PLC采用Siemens公司的S7-300,處理器均為CPU3l5-2DP,它具有強大的處理能力，并集成了Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)接口裝置，直接掛接于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )。PLC程序在上位機的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU3 1 5,并存儲在CPU315中，CPU315可自動(dòng)運行該程序，根據程序內容讀取所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設備。

　　二級主站：上位機是DP類(lèi)型二類(lèi)主站。本系統采用研華工控機作為上位機，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP56 1 3使工控機接入DP網(wǎng)絡(luò )。為了保證系統的穩定性，系統運用雙機冗余，兩臺工控機通過(guò)同樣的現場(chǎng)總線(xiàn)接口卡CP5613與現場(chǎng)總線(xiàn)相連，如果其中一臺工控機發(fā)生故障，另一臺可進(jìn)行相應的監控，保證系統正常運行。

　　監控系統軟件設計

　　本系統軟件設計主要包括三大部分，其一為上位機監控程序的設計，主要包括系統運行需要的水力機組狀態(tài)監控主界面、報表生成和數據查詢(xún)界面等人機界面的設 其二為PLC控制程序的設計，其中包括系統Profibus-DP網(wǎng)絡(luò )組態(tài)、系統硬件組態(tài)、控制程序設計等；其三為通信程序設計，通信程序主要包括上位機和PLC之間的通信，PLC對被控對象的控制程序，上位機和遠程調試的通信三個(gè)方面。