Profibus在水電站狀態監測中的應用

　　水力機組的狀態監測就是根據對表征機組運行狀況特性的參量跟蹤監測值是否超出正常運行范圍來判斷運行設備的狀態是正常、異?；蚬收?，避免和減少更嚴重的機組損壞和無計劃的停產檢修。狀態監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，為設備的狀態檢修、實現"無人值班"（少人值守）提供可靠的依據。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，有針對性地維護設備，減少設備的突發性故障和提高設備利用率，并逐步實現由定期維修體制向狀態檢修體制的轉變。因此，水力機組的狀態監測與診斷是實現"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行機構一對一的接入PLC或其他數據采集模塊，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復雜化。而且很多水力機組狀態監測系統的兼容性、容錯性、靈活性等方面還存在很多局限性。使得系統功能擴充、升級比較困難，缺少可移植性和通用性；監測系統的開發周期長，成本高，可靠性不夠好。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。本文作者開發了一套基于PROFIBUS現場總線技術的、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測分析系統。

　　Profibus現場總線技術

　　概述

　　PROFIBUS,是一種國際化。開放式。不依賴于設備生產商的現場總線標準。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內選擇且當總線系統啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通電力等其他領域自動化。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術?？蓪崿F現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設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，用于設備級控制系統與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號傳輸。專為現場級分散IO節點設計；PORFIBUS-PA:專為過程自動化設計，適合于本質安全的場合，可使傳感器和執行機構聯在一根總線上，并有本征安全規范。PROFIBUS-FMS:用于車間級監控網絡，是一個令牌結構。實時多主網絡。為車間級通信任務提供了大量的通信服務。PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。

　　本文使用的Profibus- DP是一種經過優化的高速、廉價通信連接，專為自動控制系統和設備級分散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的高速數據傳輸，其傳輸速率可達12Mbit/s,一般構成單主站系統；

　　通信協議

　　通信協議（communications protocol）是指雙方實體完成通信或服務所必須遵循的規則和約定。協議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義，連接方式，信息發送和接收的時序，從而確保網絡中數據順利地傳送到確定的地方。

　　Profibus通信協議通過ISO/OSI參考模型第2層實現，在Profibus中第2層被稱為現場總線數據鏈路FDL（fieldbusdatatink），Profibus總線上的設備包括主站和從站。因此Profibus通信協議包括主站之間的令牌傳遞協議和主、從站之間的主從協議。令牌傳遞協議確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務，主從協議保證主站在令牌持有時間內與從站的通信。

　　PrOf1bus-DP的傳輸技術

　　此網關PROFIBUS-DP部分采用協議芯片VPC3+C,其內部含有4KB RAM,用戶可根據需要對其進行設置；有兩種微處理器接口，數據/地址總線復用或單獨操作。因為ARM核對外部RAM操作的速度較快，時序不能滿足VPC3+C的操作時序，因此這里不采用數據/地址總線復用的方式，而是用ARM的GPIO口來模擬VPC3+C的操作時序。

　　Profibus提供了三種數據傳輸類型?。河糜贒P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：9.6k12Mbit/s:（3）介質：雙絞屏蔽電纜，也可取消屏蔽，取決于環境條件（EMc）：（4）站點數：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；

　　Profi bus-DP的設備類型

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

　?。?）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.

　?。?）二級DP主站（DPM2）。二級DP主站是編程器、組態設備或操作面板，在DP系統組態操作時使用，完成系統操作和監視目的。

　　（3）DP從站。DP從站是進行輸入和輸出信息采集和發送的外圍設備。

　　Profi bus-DP系統行為

　　系統行為主要取決于DMPl的操作狀態，這些狀態由本地或總線的配置設備所控制，主要有以下三種狀態。運行：輸入和輸出數據的循環傳送，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。停止：只能進行主一主數據傳送，DMP1和DP從站之間沒有數據傳送。

　　PROFIBUS現場總線技術在水力機組狀態監測中的應用

　　監控系統硬件組成

　　本監控系統主要由上位機、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現場設備組成。

　　如圖l所示。監控系統中三組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，根據程序內容讀取所有I/O模塊的狀態字，控制硬件設備。

　　二級主站：上位機是DP類型二類主站。本系統采用研華工控機作為上位機，通過現場總線接口卡CP56 1 3使工控機接入DP網絡。為了保證系統的穩定性，系統運用雙機冗余，兩臺工控機通過同樣的現場總線接口卡CP5613與現場總線相連，如果其中一臺工控機發生故障，另一臺可進行相應的監控，保證系統正常運行。

　　監控系統軟件設計

　　本系統軟件設計主要包括三大部分，其一為上位機監控程序的設計，主要包括系統運行需要的水力機組狀態監控主界面、報表生成和數據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Profibus-DP網絡組態、系統硬件組態、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。