Profibus-DP技術(shù)在地鐵供電監控系統中應用

引言

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(Processfield bus)、HART、LonWorks、FF等。其中，Profibus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。Pmfibus總線(xiàn)是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170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提供了3種通信協(xié)議類(lèi)型：Profibus—PA(Process Automation)，Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)(簡(jiǎn)稱(chēng)DP)，Profibus—FMS(Fieldbus Message Specification)。

廣州地鐵3號線(xiàn)供電監控PSCADA(PowerSuDenrisory Contml And Data Acquisition)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，在廣州地鐵3號線(xiàn)PSCADA系統中的站級管理層與1．5 kV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。

1 廣州地鐵3號線(xiàn)PSCADA系統結構

廣州地鐵3號線(xiàn)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AC 33 kV。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110 kV／33 kV／0．4 kV交流保護測控單元、1．5 kV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1所示。

圖1 電力監控變電所PSCADA系統典型結構

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：1．5 kV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)，33 kV GIS(Gas Insulance Switch cabinet)REF542+綜合測控保護單元。0．4 kV開(kāi)關(guān)柜智能信息采集單元。110 kV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1．5 kV直流開(kāi)關(guān)柜只存在于牽引所。

在實(shí)際系統中,1.5 kV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。

2 1．5 kV直流開(kāi)關(guān)柜DP通信方案設計

主控單元與1．5 kV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。

2．1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(electronic device data sheets。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。

2．2硬件組網(wǎng)方案及實(shí)現

在廣州地鐵3號線(xiàn)PSCADA中，站級管理層主設備選用研華工業(yè)一體化機。操作系統采用加拿大QSSL(QNX Software Svstems Ltd)公司的QNX實(shí)時(shí)操作系統，版本為6．2，其不僅能滿(mǎn)足用戶(hù)對數據實(shí)時(shí)處理的要求，且能安裝在一般的基于X 86平臺的工業(yè)控制機器上，同時(shí)其提供的Photon圖形庫和新動(dòng)力開(kāi)發(fā)工具能實(shí)現豐富的圖形顯示，是實(shí)時(shí)性和可視化要求的完美統一。DP總線(xiàn)主站采用了WoodHead公司的apDlicomIO系列板卡，其型號為DRL—DPM．PCI／PCI—DPIO—B，硬件版本為V4．2．O．軟件版本為V 2．2．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 Link Module)上，與同樣連接到光鏈路模塊OLM的1．5 kV直流開(kāi)關(guān)柜設備實(shí)現冗余的雙光纖環(huán)網(wǎng)。如圖2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。

圖2 DP冗余光纖環(huán)網(wǎng)

主從站設備和光纖冗余環(huán)正確安裝、連接后。就需要對applieomIO板卡進(jìn)行配置。由于站級管理層采用的操作系統是QNX實(shí)時(shí)操作系統，配置appli-comIO板卡可采用2種方法，在本方案中采用的是：根據Profibus-DP環(huán)境、運行參數以及從站設備GSD文件生成配置文件GZMetronash．ply，在ONX系統控制臺(Console)下運行qnxinstall applicomIO．2．2．O—x86．a(chǎn)pplic．qpr命令安裝好板卡的驅動(dòng)程序，然后運行playerIO／GZMetroflash．ply即可實(shí)現板卡的配置。這種方法操作簡(jiǎn)單。適合于地鐵變電所環(huán)境和運行參數一致的實(shí)際情況，且便于工程安裝。

DP總線(xiàn)網(wǎng)的從站設備由上海西門(mén)子公司提供，包括6個(gè)饋線(xiàn)柜(DPU96)、2個(gè)進(jìn)線(xiàn)柜(S7)和1個(gè)負極柜(S7)。

2．3站級管理層軟件

站級管理層軟件的作用是實(shí)現整個(gè)變電所自動(dòng)化系統中信息的收集并將信息傳送至主控室，同時(shí)接收主控室的命令并轉發(fā)給對應的間隔層設備。