如何進(jìn)行基于現場(chǎng)總線(xiàn)的水電廠(chǎng)發(fā)電機組控制系統設計？

現場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備、儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置、系統之間的一種串行、數字式、多點(diǎn)、雙向通信的數據總線(xiàn)?；蛘哒f(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的數字化智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統。

現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)是信息數字化、控制分散化、開(kāi)放互操作性的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統，是信息技術(shù)化、智能化、數字化、網(wǎng)絡(luò )化向現場(chǎng)的發(fā)展。 FCS的本質(zhì)是信息處理現場(chǎng)化，具有開(kāi)發(fā)性、互操作性、互換性、可集成性，可靠性高、易維護和管理，降低投資，減小運行費用，增強了現場(chǎng)級信息集成能力。它克服了傳統工業(yè)過(guò)程控制系統的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統不開(kāi)放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點(diǎn)。

現場(chǎng)總線(xiàn)是 FCS的關(guān)鍵設備之一，目前比較有代表性的是Profibus(ProcessFieldbus)和FF(Foundation?Fieldbus)。 Profibus由三個(gè)兼容部分組成：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。

Profibus-DP(Decentralized?Periphery)：是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速便宜的通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)化控制系統與分散的I/O設備級之間通信使用而設計的。它可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。Profibus-DP使用物理層，數據鏈接層(第1，2層)和用戶(hù)接口，用于現場(chǎng)層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。此外，ProfibusS-DP還提供智能化現場(chǎng)設備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。Profibus-DP的基本功能和特性如下：

(1)遠距離高速通信：波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s;最大距離12Mbps時(shí)100m，1.5Mbps時(shí)200m，還可以用中繼器加長(cháng)。

(2)分布式結構：各主站間令牌傳遞，主從站間為主-從傳送。每段可達32個(gè)站，用連接器連接段，最多可達126個(gè)站。

(3)易于安裝：因為RS-485的傳輸技術(shù)簡(jiǎn)單，雙絞線(xiàn)的敷設不需專(zhuān)業(yè)知識，總線(xiàn)結構使得一個(gè)站點(diǎn)的裝卸載不影響其它站點(diǎn)的正常工作，系統的安裝還可以分別進(jìn)行，后期安裝的系統不會(huì )對前期安裝的系統造成妨礙。

(4)診斷功能：經(jīng)過(guò)擴展的Profibus-DP的診斷功能能對故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線(xiàn)上傳輸并由主站采集。

(5)開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò )。

(6)可靠性和保護機制。

每個(gè)系統包括三種類(lèi)型的設備：

(1)一級DP主站，即中央控制器(如PC、PLC),可與其它站交換信息。

(2)二級DP主站，指組態(tài)設備、編程器、或操作面板，完成各站點(diǎn)的數據讀寫(xiě)、系統配置、故障診斷等。

(3)DP從站，指進(jìn)行輸入輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備(如PLC，分散式I/O，驅動(dòng)器、傳感器、執行機構等)

2 Profibus-DP現場(chǎng)總線(xiàn)用于水電廠(chǎng)機組控制的優(yōu)越性

近年來(lái)，我國水電廠(chǎng)計算機監控系統的發(fā)展雖然較快，但由于基礎薄弱，所實(shí)現的功能還比較簡(jiǎn)單，遠遠落后于發(fā)達國家，特別是少人值守、無(wú)人值班水電站僅僅處于起步階段，與美、法等國家基本實(shí)現了無(wú)人值班相距甚遠。

隨著(zhù)現場(chǎng)控制技術(shù)的發(fā)展，現場(chǎng)總線(xiàn)的重要性已被越來(lái)越多的人重視，現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品越來(lái)越多，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統越來(lái)越多地應用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用于水電廠(chǎng)控制，能使水電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度大大提高，逐步縮短我國水電廠(chǎng)監控技術(shù)與國外的差距，從而趕上先進(jìn)國家。具體地說(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)應用于水電廠(chǎng)機組控制具有如下優(yōu)越性：

(1)實(shí)現了系統的全開(kāi)放性。開(kāi)放自動(dòng)化系統是現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的必然趨勢;

(2)實(shí)現了真正的分散控制。把控制功能下放到現場(chǎng)，每個(gè)控制回路完全由分散安裝的現場(chǎng)智能儀表來(lái)實(shí)現，增強了系統數據處理的就地化;

(3)實(shí)現了全數字化通信。使系統抗干擾性和檢測精度大為提高;

(4)安全可靠、組態(tài)靈活、簡(jiǎn)單易用?，F場(chǎng)總線(xiàn)充分利用了用戶(hù)層規定的標準的“功能模塊”來(lái)組態(tài)成為系統，使控制策略的組態(tài)操作非常簡(jiǎn)單;

(5)經(jīng)濟效益高?，F場(chǎng)總線(xiàn)構成的水電廠(chǎng)監控系統共用一條數據總線(xiàn)傳遞信息，總線(xiàn)介質(zhì)豐富，節省電纜和控制設備等。

3 水電廠(chǎng)機組控制系統的實(shí)現

水電廠(chǎng)機組自動(dòng)控制的基本任務(wù)是借助自動(dòng)化裝置來(lái)實(shí)現機組操作和油、氣、水等輔助設備的邏輯控制和監視，從而實(shí)現發(fā)電過(guò)程的自動(dòng)化和全廠(chǎng)綜合自動(dòng)化。我們這里所說(shuō)的機組控制系統主要是實(shí)現水輪發(fā)電機組的自動(dòng)開(kāi)機、各種工況轉換、正常停機、故障停機等功能。

水電廠(chǎng)控制系統設計的基本原則是：

(1)先進(jìn)性。充分利用自動(dòng)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)及分層分布式全開(kāi)放的結構。

(2)實(shí)用性。功能配置和設備選型以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際需要為主要目標。

(3)可靠性。應選用高可靠性的工控設備，并采用冗余技術(shù)和模塊化技術(shù)。

(4)經(jīng)濟性。注重系統的性能價(jià)格比，使投資得到滿(mǎn)意的收益。

(5)可操作性?？蛇M(jìn)行常規自動(dòng)操作或配備不同操作權限的自動(dòng)操作。

(6)可維護性。系統采用模塊式結構，設備故障時(shí)，只需更換相應模塊即可。

(7)自動(dòng)化程度高。根據“無(wú)人值班、少人值守”模式進(jìn)行總體設計。

(8)適應性好。系統應能適應水電廠(chǎng)現場(chǎng)環(huán)境的要求。

(9)人機界面友好。符合水電廠(chǎng)運行人員操作習慣。

3.1 硬件構成

根據水電廠(chǎng)監控系統的特點(diǎn)和要求,設計系統結構如圖1所示，各個(gè)功能相互獨立，分別由不同部分結合相應的軟件程序來(lái)實(shí)現。

圖1系統結構圖

圖2 硬件組成

根據系統結構圖，我們可以有多種方案實(shí)現，但通過(guò)綜合考慮，設計硬件結構如圖2所示，下面對各組成部分作具體說(shuō)明：

(1)主站

一級主站采用西門(mén)子S7-300系列的CPU315-2DP?PLC作為中央控制器，由其運行整個(gè)控制程序，且實(shí)現與其它站的信息交換。