現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在水電站狀態(tài)監測中的應用

引言
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（如振動(dòng)和位移量）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。而“無(wú)人值班”（少人值守）是水電廠(chǎng)現代化管理的發(fā)展方向，如何保證設備在“無(wú)人值班”（少人值守）的管理模式下安全、經(jīng)濟、可靠地運行，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．由于缺乏統一、標準、開(kāi)放的接口，監測系統與生產(chǎn)過(guò)程管理及全場(chǎng)運行調度決策管理等信息系統的集成，以及與其它監測和診斷系統的信息交流也都較困難．而現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，可以使傳感器、執行器直接接入網(wǎng)絡(luò )，一條網(wǎng)線(xiàn)可以連接多個(gè)傳感器和執行元件，省去大量電纜。這對于遠端設備的數據采集與控制尤其適合。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。
2 Profi bus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)
2．1 概述[1]
　　Profibus是一種國際化、開(kāi)放式、不依賴(lài)于生產(chǎn)商的現場(chǎng)總線(xiàn)標準，廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化。Profibus根據應用特點(diǎn)分為以下三個(gè)兼容版本：Profibus— FMS（fieldbus messagespecification，現場(chǎng)總線(xiàn)報文規范）、Profibus-DP（decentralizedperiphery，分散型外圍設備）、Profibus— PA（processautomation，過(guò)程自動(dòng)化）。
　　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；
2．2 通信協(xié)議
　　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。主站在一個(gè)限定時(shí)間（令牌持有時(shí)間tokenhold time）內對總線(xiàn)有控制權，這時(shí)主站可以向從站發(fā)送數據或請求從站的數據，從站對總線(xiàn)沒(méi)有控制權，只是響應一個(gè)主站的請求或確認主站發(fā)送的數據。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)，令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長(cháng)時(shí)間是一定的，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時(shí)間內與從站的通信。
2．3 PrOf1bus—DP的傳輸技術(shù)[2]
Profibus提供了三種數據傳輸類(lèi)型!：用于DP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：9．6k‘12Mbit／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；
2．4 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（I／0設備、驅動(dòng)器、HMI、閥門(mén)等）。
2．5 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。清除．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。
3 PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在水力機組狀態(tài)監測中的應用