基于總線和組態(tài)軟件WINCC實現(xiàn)水力機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1 、引言

水力機組的狀態(tài)監(jiān)測就是根據(jù)對表征機組運行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測值（如振動和位移量）是否超出正常運行范圍來判斷運行設備的狀態(tài)是正常、異?；蚬收希苊夂蜏p少更嚴重的機組損壞和無計劃的停產檢修。狀態(tài)監(jiān)測的主要目的是使機器良性運轉的時間達到最大化，將停機時間降為最低，為設備的狀態(tài)檢修、實現(xiàn)“無人值班”（少人值守）提供可靠的依據(jù)。而“無人值班”（少人值守）是水電廠現(xiàn)代化管理的發(fā)展方向，如何保證設備在“無人值班”（少人值守）的管理模式下安全、經濟、可靠地運行，是國內外近幾年來亟待解決的技術問題解決這一問題的有效途徑在于及時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，并逐步實現(xiàn)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(jiān)測與診斷是實現(xiàn)“無人值班”（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(zhí)行機構一對一的接入PLC或其他數(shù)據(jù)采集模塊，因此，一個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(tǒng)復雜化。而且很多水力機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)功能擴充、升級比較困難，缺少可移植性和通用性；監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)周期長，成本高，可靠性不夠好．由于缺乏統(tǒng)一、標準、開放的接口，監(jiān)測系統(tǒng)與生產過程管理及全場運行調度決策管理等信息系統(tǒng)的集成，以及與其它監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的信息交流也都較困難．而現(xiàn)場總線技術，可以使傳感器、執(zhí)行器直接接入網絡，一條網線可以連接多個傳感器和執(zhí)行元件，省去大量電纜。這對于遠端設備的數(shù)據(jù)采集與控制尤其適合。此外，總線技術與智能設備配合使用，可以使遠端設備獨立工作，在網絡故障時能獨立運行。本文作者開發(fā)了一套基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術的、性能價格比較高、適用于中小型水電廠、使用和維護方便的監(jiān)測分析系統(tǒng)。

2 、Profi bus現(xiàn)場總線技術

2．1 概述

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產商的現(xiàn)場總線標準，廣泛應用于工業(yè)自動化。Profibus根據(jù)應用特點分為以下三個兼容版本：Profibus— FMS（fieldbus messagespecification，現(xiàn)場總線報文規(guī)范）、Profibus-DP（decentralizedperiphery，分散型外圍設備）、Profibus— PA（processautomaTIon，過程自動化）。

本文使用的Profibus— DP是一種經過優(yōu)化的高速、廉價通信連接，專為自動控制系統(tǒng)和設備級分散I／0設備之間通信設計，使用Profibus— DP模塊可以取代價格昂貴的24V或0-20mA并行信號線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達12Mbit／s，一般構成單主站系統(tǒng)；

2．2 通信協(xié)議

Profibus通信協(xié)議通過ISO／OSI參考模型第2層實現(xiàn)，在Profibus中第2層被稱為現(xiàn)場總線數(shù)據(jù)鏈路FDL（fieldbusdataTInk），Profibus總線上的設備包括主站和從站。主站在一個限定時間（令牌持有時間tokenhold TIme）內對總線有控制權，這時主站可以向從站發(fā)送數(shù)據(jù)或請求從站的數(shù)據(jù)，從站對總線沒有控制權，只是響應一個主站的請求或確認主站發(fā)送的數(shù)據(jù)。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)議確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務，令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是一定的，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時間內與從站的通信。

2．3 PrOf1bus—DP的傳輸技術

Profibus提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型！：用于DP和FMS的RS485傳輸、用于PA的IECll58—2傳輸和光纖傳輸技術。RS485傳輸是Profibus最常用的一種傳輸技術，這種技術通常稱之為H2，采用的電纜是屏蔽雙絞銅線，RS485傳輸技術基本特征如下：（1）網絡拓撲：線性總線，兩端有有源的總線終端電阻；（2）傳輸速率：9．6k‘12Mbit／s：（3）介質：雙絞屏蔽電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMc）：（4）站點數(shù)：不帶中繼器每分段32個站，帶中繼器可多達127個站；（5）插頭連接：使用9針D型插頭；

2．4 Profi bus-DP的設備類型

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

（1）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。

（2）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(tǒng)組態(tài)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

（3）DP從站。DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設備（I／0設備、驅動器、HMI、閥門等）。

2．5 Profi bus-DP系統(tǒng)行為

系統(tǒng)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(shù)據(jù)的循環(huán)傳送，DPM l由DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息。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：只能進行主一主數(shù)據(jù)傳送，DMP1和DP從站之間沒有數(shù)據(jù)傳送。

3、 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術在水力機組狀態(tài)監(jiān)測中的應用

3．1監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

本監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機、Profibus—DP主站、Profibus—DP從站及其現(xiàn)場設備組成。

如圖l所示。監(jiān)控系統(tǒng)中三組PLC和工控機（服務器）之間通過Profibus-DP總線進行通信。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(tǒng)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(xiàn)場總線接口裝置，直接掛接于Profibus—DP網絡。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可自動運行該程序，根據(jù)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類型二類主站。本系統(tǒng)采用研華工控機作為上位機，通過現(xiàn)場總線接口卡CP56 1 3使工控機接入DP網絡，這樣工控機與現(xiàn)場總線網段就連接為能完成組態(tài)、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運用雙機冗余，兩臺工控機通過同樣的現(xiàn)場總線接口卡CP5613與現(xiàn)場總線相連，如果其中一臺工控機發(fā)生故障，另一臺可進行相應的監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常運行。

3．2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計主要包括三大部分，其一為上位機監(jiān)控程序的設計，主要包括系統(tǒng)運行需要的水力機組狀態(tài)監(jiān)控主界面、報表生成和數(shù)據(jù)查詢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(tǒng)Profibus—DP網絡組態(tài)、系統(tǒng)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方面。

3．2．1 上位機監(jiān)控程序設計

本文利用監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(jiān)控程序，監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的軟件平臺工具，本系統(tǒng)選用西門子公司的WINCC組態(tài)軟件來完成監(jiān)控畫面的組態(tài)，數(shù)據(jù)庫的建立以及生產報表的形成，系統(tǒng)用戶管理等。

（1）監(jiān)控界面開發(fā)

本系統(tǒng)開發(fā)的人機界面主要有以下幾部分。l、水電廠實際運行主界面：根據(jù)運行現(xiàn)場的實際，動態(tài)顯示水電廠實際運行隋況。2、監(jiān)控界面：根據(jù)生產要求，組態(tài)監(jiān)控界面，包括運行方式（自動／手動）、溫度和壓力的越限報警、導葉開度、閥門開度、有功、無功、水頭等。3、報表生成以及數(shù)據(jù)查詢界面：根據(jù)要求，自動生成生產報表，包括值班報表、日報表、月報表，輸出查詢主要設置按時間隨機查詢任何一個時間段內的運行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)庫的建立和用戶管理

實時數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的核心，也是應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)各部分均以實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)公用區(qū)，進行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理和實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化處理。數(shù)據(jù)庫的建立主要包括數(shù)據(jù)對象的建立和數(shù)據(jù)對象屬性設置兩部分；用戶管理主要用于設置系統(tǒng)的操作權限，由于本監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程監(jiān)控，因此對系統(tǒng)的操作權限提出了較高的要求，操作權限分工程師和操作員等級別，系統(tǒng)啟動和退出、運行參數(shù)的給定等必須具有相應的操作權限。

3．2．2 PLC軟件設計

本系統(tǒng)采用SIMATICS7—300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設置、PLC程序編制、測試、調試和文檔處理。

（1）網絡硬件組態(tài)

本監(jiān)控系統(tǒng)是基于Profibus—DP的一個通信網絡，在STEP7中，必須進行硬件網絡組態(tài)。如本系統(tǒng)的兩個SIMATIC 300站，兩個SIMATIC PC Station，還要插入對象Profibus-DP，對于每個不同的對象，可以打開本對象的屙陛對話框，設置相應的屬性。對于每個對象，還必須進行硬件組態(tài)，如SIMATIC 300的機架、CPU模塊、電源模塊和輸入輸出模塊（I／O）等；

（2）PLC控制程序設計

通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊（FB、FC）和數(shù)據(jù)塊（DB）構成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運行，F(xiàn)B、FC是用戶子程序，DB是用戶定義的用于存取數(shù)據(jù)的存儲區(qū)，本系統(tǒng)中它是上位機監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點。

基于$7-300 PLC的編程軟件STEP7是利用模塊化程序設計方法，由于其中許多模塊功能相近，只是參數(shù)不同，因此將高級語言中的面向對象程序設計方法應用到了此監(jiān)控系統(tǒng)的程序設計中，實現(xiàn)了代碼重用，大大簡化了軟件的開發(fā)和維護。

3．2．3 通信程序的設計

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方面。

（1）上位機和PLC之間的通信

根據(jù)前面的硬件設計，上位機和PLC之間通過網卡CP5613進行通信，因此在WINCC軟件設計中，進行設備組態(tài)。從設備箱中選擇相應的設備，進行屬性設置，主要包括基本屬性、通道連接、設備調試、數(shù)據(jù)處理四個屬性頁，編寫響應的腳本程序，實現(xiàn)上位機和PLC之間的通信。

（2）PLC對被控對象的控制程序

為了實現(xiàn)對被控對象的控制，必須對PLC編寫相應的控制程序，實現(xiàn)PLC和被控對象之間的數(shù)據(jù)傳輸，在STEP7中完成硬件網絡組態(tài)，為被控對象分配網絡地址；在組織塊OB中選用SFC14“DPRD-DAT”系統(tǒng)功能塊，編寫程序，實現(xiàn)PLC對被控對象數(shù)據(jù)的讀?。煌ㄟ^調用SFC15“DPWR-DAT”系統(tǒng)功能塊實現(xiàn)向與被控對象相應的模塊寫數(shù)據(jù)。

（3）上位機和遠程調度的通信

為了把機組的實際隋況及時傳送到遠程調試部門，以及把遠程調度的命令及時傳送到上位機，需要將t位機和遠程調度聯(lián)系起來。本系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網來實現(xiàn)上位機和遠程調度間的通。

4 、結束語

目前，PROFIBUS現(xiàn)場總線技術以它先進的技術優(yōu)勢，得到了廣泛地應用，本文就是對現(xiàn)場總線技術使用的嘗試。在系統(tǒng)軟件設計中，利用了當前比較流行的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC進行上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計，大大節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)的可靠性、通用性及可擴充性；利用順序控制設計方法進行PLC控制程序設計，大大簡化了軟件的開發(fā)和維護工作。

通過Profibus-DP總線，主站（工控機）與從站機（機組控制系統(tǒng)）構成了一個結構簡單、應用靈活的工業(yè)控制網絡。本系統(tǒng)具有較高的性能價格比，并能根據(jù)實際要求進行擴充。