Profibus-DP现场总线技术及其在水电站状态监测中的应用概要

1、Profibus-DP 现场总线技术及其在水电站状态监测中 的应用摘要：本文介绍 ProfibusDP 总线的特性，并吸收当今允逃的水电站设计思想， 在分析相关技水特性、控制特点的基础，利用先进的控制技术，PLC技术及现场总线通信技术，组态技术等进行系统设计，给出一种基于 ProfibusDP 总线的 水电站自动化监控系统。关键词：水力机组状态监测； ProfibusDP 现场总线； PICProfibus-DPBasedSupervisionSystemforHydroelectricStationsLIYan- pin ， MAJun-peng， ChenDe-xin （1NorthChi

2、naInstituteofWaterConse 摘要：本文介绍Profi bus DP总线的特性，并吸收当今允逃的水电站设计思 想，在分析相关技水特性、控制特点的基础，利用先进的控制技术，PLC技术及现场总线通信技术，组态技术等进行系统设计，给出一种基于ProfibusDP总线的水电站自动化监控系统。关键词：水力机组状态监测；ProfibusDP现场总线；PICProfibus-DP Based Supervisi on Systemfor Hyd roelectric StationsLI Yan-pin ， MA Jun-peng ， Chen De-xin（1NorthChinaInst

3、ituteof Water Conservancy and Hydroelectric Power, Zhengzhou450045， China； 2Xuchang University ，Xuchang 461000， China）Abstract ： This paper introduces the ProfibusD PAnd a supervisionsystem based on the Profibus DP and PLC techniquesfor ahydro electricstation is also proposedKey words： Hydropower Un

4、its Monitoring ； Profibus DP Field bus； PLC1 引言水力机组的状态监测就是根据对表征机组运行状况特性的参量跟踪监测值（如 振动和位移量）是否超出正常运行范围来判断运行设备的状态是正常、异常或 故障，避免和减少更严重的机组损坏和无计划的停产检修。状态监测的主要目 的是使机器良性运转的时间达到最大化，将停机时间降为最低，为设备的状态 检修、实现“无人值班”（少人值守）提供可靠的依据。而“无人值班”（少 人值守）是水电厂现代化管理的发展方向，如何保证设备在“无人值班”（少 人值守）的管理模式下安全、经济、可靠地运行，是国内外近几年来亟待解决 的技术问题解决这

5、一问题的有效途径在于及时了解设备的运行状态，有针对性 地维护设备，减少设备的突发性故障和提高设备利用率，并逐步实现由定期维 修体制向状态检修体制的转变。因此，水力机组的状态监测与诊断是实现“无 人值班”（少人值守）的重要保证。目前常用的一对一模式通常是把传感器或执行机构一对一的接入PLC或其他数 据采集 模块，因此，一个设备就要有一组 电源、一组信号，需要庞大的电源与 信号电缆从而使系统复杂化。而且很多水力机组状态监测系统的兼容性、容错 性、灵活性等方面还存在很多局限性使得系统功能扩充、升级比较困难，缺 少可移植性和通用性；监测系统的开发周期长，成本高，可靠性不够好由于缺乏统一、标准、开放的接

6、口，监测系统与生产过程管理及全场运行调度决策 管理等信息系统的集成，以及与 其它 监测和诊断系统的信息交流也都较困 难而现场总线技术，可以使传感器、执行器直接接入网络，一条网线可以连 接多个传感器和执行元件，省去大量电缆。这对于远端设备的数据采集与控制 尤其适合。此外，总线技术与智能设备配合使用，可以使远端设备独立工作， 在网络故障时能独立运行。本文作者开发了一套基于PROFIBU现场总线技术的、性能价格比较高、适用于中小型水电厂、使用和维护方便的监测分析系 统。2 Profibus 现场总线技术21 概述 1Profibus 是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用 于工

7、业自动化。 Profibus 根据应用特点分为以下三个兼容版本： Profibus FMS（fiel dbus messagespecification ，现场总线报文规范）、 Profibus- DP（decentralizedperiphery，分散型外围设备）、 Profibus PA（ processautomation ，过程自动化）。本文使用的Profibus DP是一种经过优化的高速、廉价通信连接，专为自动 控制系统和设备级分散I /0设备之间通信设计，使用Profibus DP模块可 以取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速 数据 传输，其传输速

8、率可达12Mbit /s，一般构成单主站系统；22 通信协议Profibus通信协议通过ISO/OSI参考模型第2层实现，在Profibus中第2层 被称为现场总线数据链路 FDL（fieldbusdatatink ）， Profibus 总线上的设备 包括主站和从站。主站在一个限定时间（令牌持有时间 tokenhold time ）内 对总线有控制权，这时主站可以向从站发送数据或请求从站的数据，从站对总 线没有控制权，只是响应一个主站的请求或确认主站发送的数据。因此 Profibus 通信协议包括主站之间的令牌传递协议和主、从站之间的主从协议。 令牌传递协议确保每个主站有足够的时间履行它的通

9、信任务，令牌在所有主站 中循环一周的最长时间是一定的，主从协议保证主站在令牌持有时间内与从站 的通信。2. 3 PrOf1bus DP的传输技术2Profibus提供了三种数据传输类型！：用于DP和 FMS的RS485传 输、用于PA的IECII58 2传输和光纤传输技术。RS485专输是Profibus最常 用的一种传输技术，这种技术通常称之为 H2,采用的电缆是屏蔽双绞铜线， RS485传输技术基本特征如下：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线 终端电阻；（2）传输速率：9. 6k 12Mbit/ s：（ 3）介质：双绞屏蔽电缆， 也可取消屏蔽，取决于环境条件（ EMc）：（ 4）站

10、点数：不带中继器每分段 32 个站，带中继器可多达127个站；（5）插头连接：使用9针D型插头；2. 4 Profibus-DP的设备类型Profibus-DP#tA,：构成单主站或多主站系统，系统配置的描述包括站数、站 地址、输入/输出地址、输人数， ProfiIms-DP 系统可包括以下三种不同类 型设备。（1）一级DP主站（DPM）。一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期 内与分散的站（如DP从站）交换信息，典型的DPM如PLC或 PC（2）二级DP主站（DPM2 o二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。（3）DP从站。DP从站

11、是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I /0设 备、驱动器、HM、阀门等）。2. 5 Profibus-DP 系统行为系统行为主要取决于DMPl的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控 制，主要有以下三种状态。运行：输入和输出数据的循环传送，DPM l由DP从站读取输入信息并向DP从站写入输出信息。清除.DMPl读取DP从站的输入 信息并使输出信息保持为故障或安全状态。停止：只能进行主一主数据传送， DMP和DP从站之间没有数据传送。3 PROFIBU现场总线技术在水力机组状态监测中的应用3. 1监控系统硬件组成本监控系统主要由上位机、Profibus DP主站、Profibus

12、DP从站及其现场设 备组成。如图I所示。监控系统中三组 PLC和工控机（服务器）之间通过 Profibus-DP 总线进行通信。如图1所示。一级主站：两组PLC作为DP一级主站，CPU位于控制中心，本系统的PLC采用 Siemens公司的S7 300,处理器均为CPU3I5-2DF，它具有强大的处理能力， 并集成了 Profibus-DP现场总线接口装置，直接挂接于 Profibus DP网络。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU3 1 5,并存储 在CPU315中 CPU31时自动运行该程序，根据程序内容读取所有 I /O模块的 状态字，控制硬件设备。二级主站：上位

13、机是DP类型二类主站。本系统采用研华工控机作为上位机，通 过现场总线接口卡CP56 13使工控机接入DP网络，这样工控机与现场总线网段就连接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。为了保 证系统的稳定性，系统运用双机冗余，两台工控机通过同样的现场总线接口卡 CP5613与现场总线相连，如果其中一台工控机发生故障，另一台可进行相应的 监控，保证系统正常运行。3. 2监控系统软件设计本系统软件设计主要包括三大部分，其一为上位机监控程序的设计，主要包括 系统运行需要的水力机组状态监控主界面、报表生成和数据查询界面等人机界 面的设其二为PLC控制程序的设计，其中包括系统 Profibus

14、DP网络组态、 系统硬件组态、控制程序设计等；其三为通信程序设计，通信程序主要包括上 位机和PLC之间的通信，PLC对被控对象的控制程序，上位机和远程调试的通 信三个方面。3. 2. 1上位机监控程序设计本文利用监控组态软件开发上位机监控程序，监控组态软件是面向监控和数据 采集的软件平台工具，本系统选用西门子公司的WINCCA态软件来完成监控画面的组态，数据库的建立以及生产报表的形成，系统用户管理等。（1）监控界面开发本系统开发的人机界面主要有以下几部分。I、水电厂实际运行主界面：根据运 行现场的实际，动态显示水电厂实际运行隋况。2、监控界面：根据生产要求，组态监控界面，包括运行方式（自动/手

15、动）、温度和压力的越限报警、导叶 开度、阀门开度、有功、无功、水头等。3、报表生成以及数据查询界面：根据 要求，自动生成生产报表，包括值班报表、日报表、月报表，输出查询主要设 置按时间随机查询任何一个时间段内的运行数据。（2）数据库的建立和用户管理 实时数据库是本系统的核心，也是应用系统的数据处理中心，系统各部分均以 实时数据库为数据公用区，进行数据交换、数据处理和实现数据的可视化处 理。数据库的建立主要包括数据对象的建立和数据对象属性设置两部分；用户 管理主要用于设置系统的操作权限，由于本监控系统实现了远程监控，因此对 系统的操作权限提出了较高的要求，操作权限分工程师和操作员等级别，系统 启

16、动和退出、运行参数的给定等必须具有相应的操作权限。3. 2. 2 PLC软件设计本系统采用SIMATICS300的配套编程工具STEP7完成硬件组态、参数设置、PLC程序编制、测试、调试和文档处理。（ 1）网络硬件组态 3本监控系统是基于Profibus DP的一个通信网络，在STEP7中，必须进行硬件 网络组态。如本系统的两个 SIMATIC 300 站，两个 SIMATIC PC Station ， 还要插入对象 Profibus-DP ，对于每个不同的对象，可以打开本对象的屙陛对 话框，设置相应的属性。对于每个对象，还必须进行硬件组态，如SIMATIC 300的机架、CPU模块、电源模块

17、和输入输出模块（I /O等；（2） PLC控制程序设计通常，用户程序由组织块（0B、功能块（FB FC）和数据块（DB构成。其 中，0B是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的 运行，FB FC是用户子程序，DB是用户定义的用于存取数据的存储区，本系统 中它是上位机监控软件与STEP7程序的数据接口点。基于$7-300 PLC的编程软件STEP7是利用模块化程序设计方法，由于其中许 多模块功能相近，只是参数不同，因此将高级语言中的面向对象程序设计方法 应用到了此监控系统的程序设计中，实现了代码重用，大大简化了软件的开发 和维护。3. 2. 3 通信程序的设计通信程序主要包

18、括上位机和 PLC之间的通信，PLC对被控对象的控制程序，上 位机和远程调试的通信三个方面。（1）上位机和PLC之间的通信根据前面的硬件设计，上位机和 PLC之间通过网卡CP5613进行通信，因此在 WINC（软件设计中，进行设备组态。从设备箱中选择相应的设备，进行属性设 置，主要包括基本属性、通道连接、设备调试、数据处理四个属性页，编写响 应的脚本程序，实现上位机和 PLC之间的通信。（2）PLC对被控对象的控制程序为了实现对被控对象的控制，必须对 PLC编写相应的控制程序，实现 PLC和被 控对象之间的数据传输，在 STEP7中完成硬件网络组态，为被控对象分配网络 地址；在组织块OB中选用SFC14“DPRDDAT系统功能块，编写程序，实现 PLC对被控对象数据的读取；通过调用 SFC15