Profibus-DP技術在地鐵供電監(jiān)控系統(tǒng)中應用

引言

現(xiàn)場總線技術是實現(xiàn)現(xiàn)場級設備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡通信技術。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)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(xiàn)場總線主要有Profibus(Processfield bus)、HART、LonWorks、FF等。其中，Profibus總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術之一。其產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領域。Pmfibus總線是德國國家標準DIN 19245和歐洲標準EN 50170的現(xiàn)場總線標準。是一種國際化、開放式并與制造商無關的現(xiàn)場總線。從用戶角度看，Profibus提供了3種通信協(xié)議類型：Profibus—PA(Process Automation)，Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)(簡稱DP)，Profibus—FMS(Fieldbus Message Specification)。

廣州地鐵3號線供電監(jiān)控PSCADA(PowerSuDenrisory Contml And Data Acquisition)系統(tǒng)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(tǒng)結構。現(xiàn)場I／O設備分散布置必然要求使用現(xiàn)場總線技術或網(wǎng)絡技術實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與I／O設備交換信息。因此，在廣州地鐵3號線PSCADA系統(tǒng)中的站級管理層與1．5 kV直流開關柜使用DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)兩者之間的信息交互。

1 廣州地鐵3號線PSCADA系統(tǒng)結構

廣州地鐵3號線供電系統(tǒng)采用2級集中供電方式，設6個供電分區(qū)，環(huán)網(wǎng)電壓為AC 33 kV。電力監(jiān)控變電所自動化系統(tǒng)在車站主控設備室通過車站級的以太網(wǎng)交換機接入主控系統(tǒng)。電力監(jiān)控變電所自動化系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統(tǒng)結構：系統(tǒng)由站級管理層、網(wǎng)絡通信層、間隔設備層組成。系統(tǒng)以供電設備為對象。通過網(wǎng)絡將所內(nèi)的110 kV／33 kV／0．4 kV交流保護測控單元、1．5 kV直流保護測控單元、交直流電源系統(tǒng)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(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 電力監(jiān)控變電所PSCADA系統(tǒng)典型結構

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?shù)乇O(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(wǎng)、所內(nèi)網(wǎng)傳輸都采用光纖以太網(wǎng)接口。

網(wǎng)絡通信層提供了RS-422、RS-485和CAN、Profibus等現(xiàn)場總線接口，及以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)接口，可滿足自動化系統(tǒng)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(tǒng)擴容和增加通信手段的需要。

間隔層設備包括：1．5 kV直流開關柜(包括饋線柜、進線柜和負極柜3種類型)，33 kV GIS(Gas Insulance Switch cabinet)REF542+綜合測控保護單元。0．4 kV開關柜智能信息采集單元。110 kV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(tǒng)。每個變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設備，如1．5 kV直流開關柜只存在于牽引所。

在實際系統(tǒng)中,1.5 kV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(wǎng)，下面詳細分析該總線網(wǎng)的設計及實現(xiàn)方案。

2 1．5 kV直流開關柜DP通信方案設計

主控單元與1．5 kV直流開關柜通過DP總線網(wǎng)交互信息。并構成系統(tǒng)中特殊的2層通信結構。DP總線不僅具有現(xiàn)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(tǒng)可擴展性、可靠性、實時性等苛刻的要求，為整個地鐵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行提供保障。

2．1通信方案設計原理及依據(jù)

DP協(xié)議的任務只定義了用戶數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)庫文件(electronic device data sheets。簡稱GSD文件)描述。DP協(xié)議不對用戶數(shù)據(jù)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(xié)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡中，主站通過循環(huán)地與它所配置的從站交換數(shù)據(jù)，從而達到收集分散的間隔層設備信息和控制設備的目的。

2．2硬件組網(wǎng)方案及實現(xiàn)

在廣州地鐵3號線PSCADA中，站級管理層主設備選用研華工業(yè)一體化機。操作系統(tǒng)采用加拿大QSSL(QNX Software Svstems Ltd)公司的QNX實時操作系統(tǒng)，版本為6．2，其不僅能滿足用戶對數(shù)據(jù)實時處理的要求，且能安裝在一般的基于X 86平臺的工業(yè)控制機器上，同時其提供的Photon圖形庫和新動力開發(fā)工具能實現(xiàn)豐富的圖形顯示，是實時性和可視化要求的完美統(tǒng)一。DP總線主站采用了WoodHead公司的apDlicomIO系列板卡，其型號為DRL—DPM．PCI／PCI—DPIO—B，硬件版本為V4．2．O．軟件版本為V 2．2．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(wǎng)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 Link Module)上，與同樣連接到光鏈路模塊OLM的1．5 kV直流開關柜設備實現(xiàn)冗余的雙光纖環(huán)網(wǎng)。如圖2所示，在該冗余雙光纖環(huán)網(wǎng)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(xiàn)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(tǒng)的正常數(shù)據(jù)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(tǒng)的可靠性。

圖2 DP冗余光纖環(huán)網(wǎng)

主從站設備和光纖冗余環(huán)正確安裝、連接后。就需要對applieomIO板卡進行配置。由于站級管理層采用的操作系統(tǒng)是QNX實時操作系統(tǒng)，配置appli-comIO板卡可采用2種方法，在本方案中采用的是：根據(jù)Profibus-DP環(huán)境、運行參數(shù)以及從站設備GSD文件生成配置文件GZMetronash．ply，在ONX系統(tǒng)控制臺(Console)下運行qnxinstall applicomIO．2．2．O—x86．a(chǎn)pplic．qpr命令安裝好板卡的驅動程序，然后運行playerIO／GZMetroflash．ply即可實現(xiàn)板卡的配置。這種方法操作簡單。適合于地鐵變電所環(huán)境和運行參數(shù)一致的實際情況，且便于工程安裝。

DP總線網(wǎng)的從站設備由上海西門子公司提供，包括6個饋線柜(DPU96)、2個進線柜(S7)和1個負極柜(S7)。

2．3站級管理層軟件

站級管理層軟件的作用是實現(xiàn)整個變電所自動化系統(tǒng)中信息的收集并將信息傳送至主控室，同時接收主控室的命令并轉發(fā)給對應的間隔層設備。