基于DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

1 現(xiàn)場總線技術(shù)概述

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點、雙向通信的數(shù)據(jù)總線。其中“生產(chǎn)過程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過程和連續(xù)生產(chǎn)過程兩類?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。Profibus支持Type3現(xiàn)場總線是一種國際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準，用于工廠自動化系統(tǒng)三級網(wǎng)絡(luò)中的底層，即車間級監(jiān)控和現(xiàn)場設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制，適用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場受控設(shè)備對底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠程診斷、故障報警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。

2 Profibus-DP及其主要特性

Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)：是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速便宜的通信連接，專為自動化控制系統(tǒng)與分散的I/0設(shè)備級之間通信使用而設(shè)計的。它可取代24VDC或4～20mA信號傳輸。Profibus-DP使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層(第1，2層)和用戶接口，用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)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?？偩€循環(huán)時間必須要比主站(PIE)程序循環(huán)時間短。此外，Profibus-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復雜設(shè)備在運行中參數(shù)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～12Mbit/s;最大距離12Mbps時100m，1.5Mbps時200m，還可以用中繼器加長。

(2)分布式結(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主站與從站為主一從傳送。每段可達32個站，用連接器連接段，最多可達126個從站。

(3)易于安裝：總線結(jié)構(gòu)使得一個站點的裝卸載不影響其它站點的正常工作，系統(tǒng)的安裝還可以分別進行，后期安裝的系統(tǒng)不會對前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙。

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

(5)開放式通信網(wǎng)絡(luò)。

(6)可靠性和保護機制。

每個系統(tǒng)包括3種類型的設(shè)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(shè)備、編程器、或操作面板，完成各站點的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。

(3)DP從站，指進行輸入輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備(如PIE，分散式I/O，驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等)

3 Profibus-DP現(xiàn)場總線用于水電廠監(jiān)控的優(yōu)越性

實現(xiàn)了系統(tǒng)的全開放性，而開放自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線發(fā)展的必然趨勢;實現(xiàn)了真正的分散控制，把控制功能下放到現(xiàn)場，每個控制回路完全由分散安裝的現(xiàn)場智能儀表來實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的就地化;實現(xiàn)了全數(shù)字化通信，使系統(tǒng)抗干擾性和檢測精度大為提高;安全可靠、組態(tài)靈活、簡單易用，現(xiàn)場總線充分利用了用戶層規(guī)定的標準的“功能模塊”來組態(tài)成為系統(tǒng)，使控制策略的組態(tài)操作非常簡單;經(jīng)濟效益高，現(xiàn)場總線構(gòu)成的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)共用一條數(shù)據(jù)總線傳遞信息，總線介質(zhì)豐富，節(jié)省電纜和控制設(shè)備等。

4 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案

4.1 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求

水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象包括水輪機、發(fā)電機、變壓器、母線、饋電線路、廠用變、開關(guān)柜、公用設(shè)備等。根據(jù)需要，一般要求監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

(1)數(shù)據(jù)采集與處理功能;

(2)運行監(jiān)視、事件報警與事故處理指導功能;

(3)生產(chǎn)過程的控制操作功能;

(4)統(tǒng)計記錄和制表打印功能;

(5)智能報警功能;

(6)事故分析及故障診斷功能;

(7)通信功能;

(8)實時在線診斷功能。

4.2 硬件構(gòu)成

根據(jù)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的特點和要求，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個功能相互獨立，分別由系統(tǒng)不同部分結(jié)合相應(yīng)的軟件來實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面對各組成部分作具體說明。

4.2.1 主站

一級主站采用西門子S7—300系列的CPU315—2DPPIE作為中央控制器，由其運行整個控制程序，且實現(xiàn)于其它站的信息交換。

二級主站采用研華工控機，通過CP一5613DP卡與總線相連，工程師站對整個系統(tǒng)進行組態(tài)和編程;操作員站對整個系統(tǒng)進行操作、運行和監(jiān)控，但不能修改組態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)程序，同時還兼作局域網(wǎng)的服務(wù)器使用。

觸摸屏采用西門子TP170A，通過MPI與S‘/一300 PIg：的MPI通訊H相連，安裝于現(xiàn)場實現(xiàn)對S7 300的簡單操作與顯示相關(guān)運行參數(shù)。

4.2.2 從站

從站的形式多種多樣，從站1為 EI200M IM一153帶模擬量輸入輸出模塊;從站2為S7—200 PIE

CPU224通過EM277與總線相連，s7—200PLC可運行自身程序，連接I/O輸入輸出。又可與s7—300PIE交換信息;從站3為智能儀表、智能模塊直接掛在總線上，它們的CPU與PIE的CPU并行工作，占用主機的時間很少，有利于提高PIE的掃描速度和完成特殊功能。當然也可以連接其它的更多的從站。

4.2.3 局域網(wǎng)

由操作員站作服務(wù)器通過網(wǎng)卡、交換機、其他計算機組成局域網(wǎng)，客戶機可以實現(xiàn)監(jiān)視運行狀態(tài)、查看報表、打印等功能，但不能操作運行系統(tǒng)。

從整個組成部分來看，主站實現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，從站實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)完成控制動作，局域網(wǎng)則與操作員站一起實現(xiàn)了信息管理功能。因此，硬件組成與系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)是一致的。

4.3 軟件方案

軟件設(shè)計部分包括組態(tài)編程軟件和監(jiān)控軟件。

4.3.1 組態(tài)編程軟件

系統(tǒng)采用SIMATIC S7—300的配套軟件包SrEP 7 V5.2完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PIE程序編制、測試、調(diào)試等。STEP7運行于 Windows環(huán)境下，界面友好，組態(tài)編程方便，在線調(diào)試直觀、便捷，有梯形圖(LAj)、語句表(STL)和功能圖(FBD)3種編程形式可隨意切換和組合使用。根據(jù)硬件參數(shù)首先進行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)配置，然后編制PIE程序，程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中，OB 是PIE的主監(jiān)控掃描程序，用于控制程序的運行，F(xiàn)B、Fc是各個功能子程序塊，DB數(shù)據(jù)塊為存儲各運行數(shù)據(jù)的區(qū)域。

對s7—200 PIE采用西門子編程工具SIEP 7一MicmWIN32V3.1編程，方法與上述大同小異，只是要注意S7—300和S7—200是通過v區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。采用西門子專用觸摸屏組態(tài)工具Protool V6.0對TP170A組態(tài)。

4.3.2 監(jiān)控軟件

操作員站由于還充當局域網(wǎng)的服務(wù)器，故操作系統(tǒng)為 n.dows2000服務(wù)器版，采用西門子公司的組態(tài)監(jiān)控軟件SIMATICWinCC.WinCC包括圖形設(shè)計器、報警記錄、標記記錄、報告設(shè)計器、全局腳本、控制中心、用戶管理等功能，它集控制技術(shù)、人機界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，含有實時數(shù)據(jù)報表、歷史數(shù)據(jù)報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為工程技術(shù)人員提供一個很好的二次開發(fā)平臺。

5 結(jié)束語

該監(jiān)控系統(tǒng)采用Profibus —DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)分布式控制，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強，給安裝、調(diào)試和設(shè)備維護帶來方便，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡(luò)體系具有較高的性能價格比，并能根據(jù)用戶要求擴展至各種形式和規(guī)模。