Profibus-DP在供電監(jiān)控系統中的應用

現場總線技術是實現現場級設備數字化通信的一種工業(yè)現場網絡通信技術。因其具有數字化、開放性、分散性以及對現場環(huán)境的適應性等特點而獲得了廣泛的應用。目前。已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進程形成影響的現場總線主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP總線是最為流行的現場總線技術之一。其產品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領域。Profibus總線是德國國家標準DIN19245和歐洲標準EN50170的現場總線標準。是一種國際化、開放式并與制造商無關的現場總線。從用戶角度看，

Profibus總線提供了3種通信協議類型[3]：Profibus—PA(ProcessAutomation)，Profibus．DP(DecentralizedPeriphery)(簡稱DP)，Profibus—FMS(FieldbusMessageSpecification)。地鐵線供電監(jiān)控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系統設計采用的是集中管理、分散布置的模式及分層分布式系統結構?，F場I／O設備分散布置必然要求使用現場總線技術或網絡技術實現監(jiān)控系統與I／O設備交換信息。因此．在地鐵PSCADA系統中的站級管理層與1．5kV直流開關柜使用.DP現場總線實現兩者之間的信息交互。

總線的實時性是評價現場總線系統性能的重要標準，即總線對外部事件的反應速度越快，實時性就越好。PROFIBUS-DP廣泛應用于工業(yè)現場層，高總線傳輸速率的特點使其非常適合在小規(guī)模網絡中完成對實時性要求高的報文傳輸任務。與PROFIBUS-DP總線實時性相關的時間參數主要有兩個：一個是主站輪詢各從站的時間，另一個是令牌在主站之間的輪轉時間。與這兩個時間相關的因素有很多，除了系統自身屬性和協議特點外，用戶對網絡參數的設定也起到關鍵作用。以單主站PROFIBUS．DP系本文統為例，分析了與總線實時性相關的各個時間參數，推導總線循環(huán)周期的數學表達式，并給出令牌目標循環(huán)時間的確定標準。

1PROFIBUS-DP總線結構

PROFIBUS—DP的MAC層使用基于Token—Passing方式的主從輪詢協議。不同于普通以太網中各個站點有均等的權利接入總線，PROFIBUS-DP—Token-Passing網絡上的各點都連接在總線上，它們擁有平等的物理地位和統一的邏輯地址，但是按照其在網絡上的功能和自身智能化程度的不同分為主站(MasterStation)和從站(SlaveStation)兩種類型。前者的作用是統一管理各個從站接入總線的時序，數據的收集、處理、加工和反饋主要由Pc和PLC擔任；后者的作用是將采集到的現場數據上傳到主站并執(zhí)行主站下達的任務，一般為前端的傳感器和執(zhí)行器。

PROFIBUS—DP總線上所有的主站可以定義成一個邏輯環(huán)，如圖1所示，令牌作為一個特定的幀可以在此邏輯環(huán)中循環(huán)。一個系統中只有一個令牌，在任意時刻只有一個主站能夠獲得這個令牌，持有令牌的主站擁有總線的控制權，可以將屬于它的從站接入總線并逐一與它們進行數據交換。這種工作機制確保了任何時刻PROFIBUS-DP總線上只有一個主站使用總線，避免了數據傳輸沖突。

2PSCADA系統結構

地鐵供電系統采用2級集中供電方式，設6個供電分區(qū)，環(huán)網電壓為AC33kV。電力監(jiān)控變電所自動化系統在車站主控設備室通過車站級的以太網交換機接入主控系統。電力監(jiān)控變電所自動化系統采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統結構：系統由站級管理層、網絡通信層、間隔設備層組成。系統以供電設備為對象。通過網絡將所內的110kV／33kV／0．4kV交流保護測控單元、1．5kV直流保護測控單元、交直流電源系統監(jiān)控單元等間隔層設備連接起來。電力監(jiān)控變電所PSCADA系統結構如圖2所示。

站級管理層設備由通信處理機(總控單元)、液晶顯示器組成．在牽引變電主所還包括當地監(jiān)控計算機。通信處理機采用可靠性高、處理能力強、實時響應速度快的工業(yè)級監(jiān)控計算機。通信處理機的遠程網、所內網傳輸都采用光纖以太網接口。網絡通信層提供了RS-422、RS-485和CAN、PROFIBUS-DP等現場總線接口．及以太網、光纖以太網接口．可滿足自動化系統對變電所供電設備進行監(jiān)控的要求．同時提供了通信接口的可擴展能力，以滿足系統擴容和增加通信手段的需要。

間隔層設備包括：1．5kV直流開關柜(包括饋線柜、進線柜和負極柜3種類型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+綜合測控保護單元。0．4kV開關柜智能信息采集單元。110kV線路保護，110kVGIS測控單元。110kV分段保護、主變保護，智能監(jiān)控單元和時鐘系統。每個變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設備．如1．5kV直流開關柜只存在于牽引所。在實際系統中1.5kV直流開關柜與站級管理層中的總控單元l直接構成DP總線網．下面詳細分析該總線網的設計及實現方案。

31.5kV直流開關柜DP通信方案設計

主控單元與1．5kV直流開關柜通過DP總線網交互信息。并構成系統中特殊的2層通信結構。DP總線不僅具有現場總線的共同優(yōu)點．也具有特殊的優(yōu)勢，即能夠很好地滿足系統可擴展性、可靠性、實時性等苛刻的要求．為整個地鐵系統長期穩(wěn)定運行提供保障。

3.1通信方案設計原理及依據

DP協議的任務只定義了用戶數據通過總線在主站和子站之間的傳輸方式．在用戶接口層定義了設備可以使用的功能以及各種類型系統和設備的行為特性．各種具體設備或DP部件的行為特性則由電子設備數據庫文件(electronicdevicedatasheets。簡稱GSD文件)描述。DP協議不對用戶數據進行評價和具體的描述．而是定義了不同的行規(guī)或者擴展功能．這就使得DP協議具有很大的靈活性．也使其在各個領域都得到廣泛應用。

DP的總線存取控制方式是典型的純主一從控制方式．即在單主總線網絡中只允許有1個1類DP主站(主動節(jié)點)和若干個從站(被動節(jié)點)，邏輯令牌環(huán)只含有1個主動節(jié)點；在多主總線網絡中。即使有多個1類DP主站．但1個從站只能被其中的1個DP主站配置．而不允許1個從站同時被多個DP主站配置或訪問．這樣．只有主動節(jié)點有權主動發(fā)送、存取由它所配置的從站設備，而從站只是被動地響應或應答主站的存取控制訪問要求。在DP總線網絡中．主站通過循環(huán)地與它所配置的從站交換數據．從而達到收集分散的間隔層設備信息和控制設備的目的。

3.2硬件組網方案及實現

DP總線主站采用了apDlicomIO系列板卡．插在研華工業(yè)一體化機PCI插槽上完成DP總線的1類DP主站組網功能．板卡通過總線連接器連接到西門子公司帶雙光纖口的光鏈路模塊OLM(Optical“nkModule)上，與同樣連接到光鏈路模塊OLM的1.5kV直流開關柜設備實現冗余的雙光纖環(huán)網。如圖3所示，在該冗余雙光纖環(huán)網中．各個OLM通過2個光纖接口和全雙工光纖電纜相互連接。形成光纖冗余環(huán)，主站(applieomIO板卡)和從站設備通過總線連接器接到對應的OLM的DP總線電接口上。這樣，其中任何一條光纖鏈路出現了故障，OLM能自動切換到另外一條鏈路．并通過連接指示信號指示總線切換信息和傳輸線故障信息。以便進行進一步的故障處理而不影響系統的正常數據傳輸。一旦故障排除．總線鏈路又返回到正常的冗余狀態(tài)。從而提高了系統的可靠性。

3.3系統實時性分析

地鐵供電監(jiān)控系統對實時性要求很高。系統通信方案能否滿足實時性要求決定了該方案能否得到應用。根據地鐵的實際通信參數及軟硬件環(huán)境對上述方案進行實時性分析。在本系統中，DP總線傳輸波特率為187．5Kbit／s．即傳輸1個位的時間為5．333ms。在DP總線上，包含了1個主站，9個從站；輸人數據塊長度最大值為48Byte，輸出數據塊長度最大值為28Byte。

供電監(jiān)控系統信息延時包括信息產生、信息處理、信息傳輸和信息顯示等．其中信息處理和信息傳輸時間占70％。例如，當饋線柜上一個斷路器產生變位。其在DPU96上I／O濾波消耗時間為3ms．內部總線運行需1ms。程序循環(huán)時間20ms：總控單元程序處理(接收和顯示)時間300ms。加上信息在DP總線上循環(huán)時間70．38ms．1個變位信號從產生到傳輸至總控單元的時間小于500ms：再經光纖以太網上送到主控室小于1s。若是對斷路器或者隔離開關的遙控輸出．還應加上遙控執(zhí)行回路校驗時間60。100ms和機構動作時間．最大遙控輸出并執(zhí)行成功(無故障情況)時間小于2s。符合電力系統國家標準。從以上分析得出．在PSCADA系統中采用DP總線能對現場設備信息作出實時響應．也能對斷路器或者隔離開關進行實時遙控．DP總線方案能夠滿足用戶對實時性的要求。

4結論

本文分析了PROFIBUS—DP總線的通信協議和介質層的任務處理流程，在對單主站PROFIBUS-DP總線系統中的主／從數據交換過程進行分析的基礎上，給出了總線循環(huán)時間的計算公式和提高總線實時性的方法。并分析了令牌循環(huán)時間置對系統實時性的影響，用戶在配置單主站PROFIBUS-DP總線系統時可以根據不同的系統要求來確定參數的值。在軟硬件設計時利用了QNX實時操作系統的實時性和可靠性等特性，充分發(fā)揮了DP總線網的實時性優(yōu)點。在DP總線網絡中使用了0LM模塊。組成光纖環(huán)網．加上良好的接地設計．使系統不受惡劣環(huán)境下通信線路上的電磁干擾影響，滿足系統可靠性要求。

光纖環(huán)網采用總線結構。通過通信鏈路的冗余．使得增加新的間隔層設備而不影響其他設備的正常工作。通過DP現場總線在PSCADA系統中的應用。極大增強了間隔層設備的信息集成能力．同時降低了系統的工程成本．提高了整個系統的可靠性和可維護性及擴展能力。