Profibus在水電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)就是根據(jù)對(duì)表征機(jī)組運(yùn)行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測(cè)值是否超出正常運(yùn)行范圍來(lái)判斷運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)是正常、異?；蚬收?，避免和減少更嚴(yán)重的機(jī)組損壞和無(wú)計(jì)劃的停產(chǎn)檢修。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要目的是使機(jī)器良性運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間達(dá)到最大化，將停機(jī)時(shí)間降為最低，為設(shè)備的狀態(tài)檢修、實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班"（少人值守）提供可靠的依據(jù)。是國(guó)內(nèi)外近幾年來(lái)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題解決這一問(wèn)題的有效途徑在于及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有針對(duì)性地維護(hù)設(shè)備，減少設(shè)備的突發(fā)性故障和提高設(shè)備利用率，并逐步實(shí)現(xiàn)由定期維修體制向狀態(tài)檢修體制的轉(zhuǎn)變。因此，水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷是實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班"（少人值守）的重要保證。

　　目前常用的一對(duì)一模式通常是把傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)一對(duì)一的接入PLC或其他數(shù)據(jù)采集模塊，因此，一個(gè)設(shè)備就要有一組電源、一組信號(hào)，需要龐大的電源與信號(hào)電纜從而使系統(tǒng)復(fù)雜化。而且很多水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性、容錯(cuò)性、靈活性等方面還存在很多局限性。使得系統(tǒng)功能擴(kuò)充、升級(jí)比較困難，缺少可移植性和通用性；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，可靠性不夠好。此外，總線技術(shù)與智能設(shè)備配合使用，可以使遠(yuǎn)端設(shè)備獨(dú)立工作，在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行。本文作者開發(fā)了一套基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的、性能價(jià)格比較高、適用于中小型水電廠、使用和維護(hù)方便的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

　　Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　概述

　　PROFIBUS,是一種國(guó)際化。開放式。不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。專為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散IO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；PORFIBUS-PA:專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，適合于本質(zhì)安全的場(chǎng)合，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS:用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。為車間級(jí)通信任務(wù)提供了大量的通信服務(wù)。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　本文使用的Profibus- DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/0設(shè)備之間通信設(shè)計(jì)，使用Profibus- DP模塊可以取代價(jià)格昂貴的24V或0-20mA并行信號(hào)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(dá)12Mbit/s,一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)；

　　通信協(xié)議

　　通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。

　　Profibus通信協(xié)議通過(guò)ISO/OSI參考模型第2層實(shí)現(xiàn)，在Profibus中第2層被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路FDL（fieldbusdatatink），Profibus總線上的設(shè)備包括主站和從站。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(gè)主站有足夠的時(shí)間履行它的通信任務(wù)，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時(shí)間內(nèi)與從站的通信。

　　PrOf1bus-DP的傳輸技術(shù)

　　此網(wǎng)關(guān)PROFIBUS-DP部分采用協(xié)議芯片VPC3+C,其內(nèi)部含有4KB RAM,用戶可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；有兩種微處理器接口，數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用或單獨(dú)操作。因?yàn)锳RM核對(duì)外部RAM操作的速度較快，時(shí)序不能滿足VPC3+C的操作時(shí)序，因此這里不采用數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用的方式，而是用ARM的GPIO口來(lái)模擬VPC3+C的操作時(shí)序。

　　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(shù)。RS485傳輸是Profibus最常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常稱之為H2,采用的電纜是屏蔽雙絞銅線，RS485傳輸技術(shù)基本特征如下：（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻；（2）傳輸速率：9.6k12Mbit/s:（3）介質(zhì)：雙絞屏蔽電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMc）：（4）站點(diǎn)數(shù)：不帶中繼器每分段32個(gè)站，帶中繼器可多達(dá)127個(gè)站；（5）插頭連接：使用9針D型插頭；

　　Profi bus-DP的設(shè)備類型

　　Profibus-DP#tA,~:構(gòu)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(shè)備。

　?。?）一級(jí)DP主站（DPM1）。一級(jí)DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息，典型的DPM1如PLC或PC.

　?。?）二級(jí)DP主站（DPM2）。二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

　?。?）DP從站。DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備。

　　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(shè)備所控制，主要有以下三種狀態(tài)。運(yùn)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。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(jìn)行主一主數(shù)據(jù)傳送，DMP1和DP從站之間沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。

　　PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

　　本監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。

　　如圖l所示。監(jiān)控系統(tǒng)中三組PLC和工控機(jī)（服務(wù)器）之間通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行通信。如圖1所示。

　　一級(jí)主站：兩組PLC作為DP一級(jí)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(qiáng)大的處理能力，并集成了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，直接掛接于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。PLC程序在上位機(jī)的編程工具STEP7中編譯完成后下載到CPU3 1 5,并存儲(chǔ)在CPU315中，CPU315可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。

　　二級(jí)主站：上位機(jī)是DP類型二類主站。本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP56 1 3使工控機(jī)接入DP網(wǎng)絡(luò)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)用雙機(jī)冗余，兩臺(tái)工控機(jī)通過(guò)同樣的現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP5613與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，如果其中一臺(tái)工控機(jī)發(fā)生故障，另一臺(tái)可進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分，其一為上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)運(yùn)行需要的水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控主界面、報(bào)表生成和數(shù)據(jù)查詢界面等人機(jī)界面的設(shè) 其二為PLC控制程序的設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、控制程序設(shè)計(jì)等；其三為通信程序設(shè)計(jì)，通信程序主要包括上位機(jī)和PLC之間的通信，PLC對(duì)被控對(duì)象的控制程序，上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)試的通信三個(gè)方面。