如何進行基于現(xiàn)場總線的水電廠發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計？

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。或者說，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)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是信息數(shù)字化、控制分散化、開放互操作性的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，是信息技術(shù)化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場的發(fā)展。 FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，具有開發(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(xiàn)場級信息集成能力。它克服了傳統(tǒng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統(tǒng)不開放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點。

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

Profibus-DP(Decentralized?Periphery)：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/O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。此外，ProfibusS-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(fù)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到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，主從站間為主-從傳送。每段可達32個站，用連接器連接段，最多可達126個站。

(3)易于安裝：因為RS-485的傳輸技術(shù)簡單，雙絞線的敷設(shè)不需專業(yè)知識，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)包括三種類型的設(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PLC，分散式I/O，驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等)

2 Profibus-DP現(xiàn)場總線用于水電廠機組控制的優(yōu)越性

近年來，我國水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展雖然較快，但由于基礎(chǔ)薄弱，所實現(xiàn)的功能還比較簡單，遠遠落后于發(fā)達國家，特別是少人值守、無人值班水電站僅僅處于起步階段，與美、法等國家基本實現(xiàn)了無人值班相距甚遠。

隨著現(xiàn)場控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線的重要性已被越來越多的人重視，現(xiàn)場總線產(chǎn)品越來越多，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于水電廠控制，能使水電廠生產(chǎn)過程自動化程度大大提高，逐步縮短我國水電廠監(jiān)控技術(shù)與國外的差距，從而趕上先進國家。具體地說，現(xiàn)場總線應(yīng)用于水電廠機組控制具有如下優(yōu)越性：

(1)實現(xiàn)了系統(tǒng)的全開放性。開放自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線發(fā)展的必然趨勢;

(2)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;

(3)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;

(4)安全可靠、組態(tài)靈活、簡單易用?，F(xiàn)場總線充分利用了用戶層規(guī)定的標(biāo)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;

(5)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。

3 水電廠機組控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

水電廠機組自動控制的基本任務(wù)是借助自動化裝置來實現(xiàn)機組操作和油、氣、水等輔助設(shè)備的邏輯控制和監(jiān)視，從而實現(xiàn)發(fā)電過程的自動化和全廠綜合自動化。我們這里所說的機組控制系統(tǒng)主要是實現(xiàn)水輪發(fā)電機組的自動開機、各種工況轉(zhuǎn)換、正常停機、故障停機等功能。

水電廠控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是：

(1)先進性。充分利用自動領(lǐng)域的先進技術(shù)及分層分布式全開放的結(jié)構(gòu)。

(2)實用性。功能配置和設(shè)備選型以滿足生產(chǎn)過程的實際需要為主要目標(biāo)。

(3)可靠性。應(yīng)選用高可靠性的工控設(shè)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(tǒng)的性能價格比，使投資得到滿意的收益。

(5)可操作性?？蛇M行常規(guī)自動操作或配備不同操作權(quán)限的自動操作。

(6)可維護性。系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)備故障時，只需更換相應(yīng)模塊即可。

(7)自動化程度高。根據(jù)“無人值班、少人值守”模式進行總體設(shè)計。

(8)適應(yīng)性好。系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)水電廠現(xiàn)場環(huán)境的要求。

(9)人機界面友好。符合水電廠運行人員操作習(xí)慣。

3.1 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，分別由不同部分結(jié)合相應(yīng)的軟件程序來實現(xiàn)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，我們可以有多種方案實現(xiàn)，但通過綜合考慮，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：

(1)主站

一級主站采用西門子S7-300系列的CPU315-2DP?PLC作為中央控制器，由其運行整個控制程序，且實現(xiàn)與其它站的信息交換。[!--empirenews.page--]

二級主站采用研華工控機，包括工程師站和操作員站，都通過CP-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S7-300?PLC的MPI通訊口相連，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)。

(2)從站

從站的形式多種多樣，?ET200M從站IM-153帶模擬量輸入輸出模塊;?從站S7-200PLC?CPU224通過EM277?DP接口與總線相連，S7-200PLC可運行自身程序，連接I/O輸入輸出，又可與S7-300PLC交換信息;智能儀表、智能模塊直接掛在總線上，它們的CPU與 PLC的CPU并行工作，占用主機的時間很少,有利于提高PLC的掃描速度和完成特殊功能。當(dāng)然也可以連接其它的更多的從站。

(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。

3.2 軟件方案

軟件部分包括硬件組態(tài)、控制程序編制和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)硬件組態(tài)

硬件連好之后，根據(jù)硬件參數(shù)首先進行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)配置也就是進行組態(tài)。硬件組態(tài)是系統(tǒng)實現(xiàn)的基礎(chǔ)，所謂“硬件組態(tài)”，就是模擬真實的PLC硬件系統(tǒng)，將CPU、電源和信號模塊的設(shè)備安裝到相應(yīng)的機架上，并對PLC硬件模塊的參數(shù)進行設(shè)置和修改的過程。當(dāng)用戶需要修改模塊的參數(shù)地址，需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊，需要將分布式外設(shè)連接到主站，或者從主站卸掉某個設(shè)備時的時候，都必須要做硬件組態(tài)。

本系統(tǒng)采用SIMATIC?S7-300的配套軟件包STEP?7?V5.2完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通訊測試、系統(tǒng)調(diào)試等。

(2)控制程序編制

編程軟件包括S7-300?PLC的STEP7和S7-200PLC的MicroWIN32V3.1，使用方便，在線調(diào)試直觀、便捷，有梯形圖(LAD)、語句表(STL)和功能圖(FBD)三種編程形式可隨意切換和組合使用。首先設(shè)置變量、分配I/O地址、編輯符號表，然后根據(jù)機組控制順序和要求繪制控制流程圖，最后是編制梯形圖控制程序。S7-300和S7-200編程方法上大同小異，它們之間是通過V區(qū)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

監(jiān)控軟件采用西門子公司的工控組態(tài)軟件SIMATIC?WinCC。WinCC包括圖形設(shè)計器、報警記錄、標(biāo)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)人員提供一很好的二次開發(fā)平臺。WinCC與S7300?PLC之間的通訊也是基于Profibus-DP總線的物理連接。運用 WinCC我們可以很方便地組態(tài)出界面美觀、操作方便、功能強大的機組控制系統(tǒng)人機監(jiān)控畫面。

采用西門子專用觸摸屏組態(tài)工具ProtoolV6.0對TP170A組態(tài)，方法與WinCC類似，不過要簡單得多，觸摸屏一般安放于控制現(xiàn)場，實現(xiàn)簡單控制與顯示。

3.3 運行調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計的最后一步就是運行

調(diào)試，這里采用兩種方法：

(1)軟件仿真調(diào)試

STEP7軟件本身自帶仿真軟件組件，WinCC也自帶有變量模擬器，可模擬一些量的輸入，及時觀察程序執(zhí)行情況或者監(jiān)控畫面的實時情況，這種調(diào)試方法簡單易行，可隨時進行。缺點是與硬件有關(guān)的問題不能發(fā)現(xiàn)。

(2)硬件調(diào)試

在實驗室將各種傳感器與系統(tǒng)接好，模擬實際現(xiàn)場情況，進行調(diào)試，基本能排除大部分問題，如要使其更加完善，最好能到現(xiàn)場進行實地調(diào)試。

4 結(jié)束語

本系統(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，各水電廠逐步采用PROFIBUS-DP技術(shù)改造傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)必將為我國的水電事業(yè)做出巨大貢獻。

本文作者創(chuàng)新點：PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)當(dāng)中已經(jīng)應(yīng)用很廣泛，但在水電廠中的應(yīng)用還處于嘗試階段，本文針對這一現(xiàn)狀，設(shè)計出了基于Profibus-DP現(xiàn)場總線的水電廠機組控制系統(tǒng)。