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[導(dǎo)讀] 1 、引言 水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測就是根據(jù)對表征機(jī)組運(yùn)行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測值(如振動和位移量)是否超出正常運(yùn)行范圍來判斷運(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)組損壞和無計(jì)

1 、引言

水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測就是根據(jù)對表征機(jī)組運(yùn)行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測值(如振動和位移量)是否超出正常運(yùn)行范圍來判斷運(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)組損壞和無計(jì)劃的停產(chǎn)檢修。狀態(tài)監(jiān)測的主要目的是使機(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)“無人值班”(少人值守)提供可靠的依據(jù)。而“無人值班”(少人值守)是水電廠現(xiàn)代化管理的發(fā)展方向,如何保證設(shè)備在“無人值班”(少人值守)的管理模式下安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行,是國內(nèi)外近幾年來亟待解決的技術(shù)問題解決這一問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)測與診斷是實(shí)現(xiàn)“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(zhí)行機(jī)構(gòu)一對一的接入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,需要龐大的電源與信號電纜從而使系統(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、升級比較困難,缺少可移植性和通用性;監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)周期長,成本高,可靠性不夠好.由于缺乏統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、開放的接口,監(jiān)測系統(tǒng)與生產(chǎn)過程管理及全場運(yùn)行調(diào)度決策管理等信息系統(tǒng)的集成,以及與其它監(jiān)測和診斷系統(tǒng)的信息交流也都較困難.而現(xiàn)場總線技術(shù),可以使傳感器、執(zhí)行器直接接入網(wǎng)絡(luò),一條網(wǎng)線可以連接多個(gè)傳感器和執(zhí)行元件,省去大量電纜。這對于遠(yuǎn)端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制尤其適合。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)測分析系統(tǒng)。

2 、Profi bus現(xiàn)場總線技術(shù)

2.1 概述

Profibus是一種國際化、開放式、不依賴于生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化。Profibus根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)分為以下三個(gè)兼容版本:Profibus— FMS(fieldbus messagespecification,現(xiàn)場總線報(bào)文規(guī)范)、Profibus-DP(decentralizedperiphery,分散型外圍設(shè)備)、Profibus— PA(processautomaTIon,過程自動化)。

本文使用的Profibus— DP是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接,專為自動控制系統(tǒng)和設(shè)備級分散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);

2.2 通信協(xié)議

Profibus通信協(xié)議通過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。主站在一個(gè)限定時(shí)間(令牌持有時(shí)間tokenhold TIme)內(nèi)對總線有控制權(quán),這時(shí)主站可以向從站發(fā)送數(shù)據(jù)或請求從站的數(shù)據(jù),從站對總線沒有控制權(quán),只是響應(yīng)一個(gè)主站的請求或確認(rèn)主站發(fā)送的數(shù)據(jù)。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),令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時(shí)間是一定的,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。

2.3 PrOf1bus—DP的傳輸技術(shù)

Profibus提供了三種數(shù)據(jù)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(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:9.6k‘12Mbit/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;

2.4 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。

(1)一級DP主站(DPM1)。一級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。

(2)二級DP主站(DPM2)。二級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。

(3)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(I/0設(shè)備、驅(qū)動器、HMI、閥門等)。

2.5 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。清除.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從站之間沒有數(shù)據(jù)傳送。

3、 PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1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Profibus-DP總線進(jìn)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(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,并存儲在CPU315中,CPU315可自動運(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),通過現(xiàn)場總線接口卡CP56 1 3使工控機(jī)接入DP網(wǎng)絡(luò),這樣工控機(jī)與現(xiàn)場總線網(wǎng)段就連接為能完成組態(tài)、運(yùn)行、操作等功能的完整的控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)運(yùn)用雙機(jī)冗余,兩臺工控機(jī)通過同樣的現(xiàn)場總線接口卡CP5613與現(xiàn)場總線相連,如果其中一臺工控機(jī)發(fā)生故障,另一臺可進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2 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對被控對象的控制程序,上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)試的通信三個(gè)方面。

3.2.1 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

本文利用監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序,監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的軟件平臺工具,本系統(tǒng)選用西門子公司的WINCC組態(tài)軟件來完成監(jiān)控畫面的組態(tài),數(shù)據(jù)庫的建立以及生產(chǎn)報(bào)表的形成,系統(tǒng)用戶管理等。

(1)監(jiān)控界面開發(fā)

本系統(tǒng)開發(fā)的人機(jī)界面主要有以下幾部分。l、水電廠實(shí)際運(yùn)行主界面:根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)場的實(shí)際,動態(tài)顯示水電廠實(shí)際運(yùn)行隋況。2、監(jiān)控界面:根據(jù)生產(chǎn)要求,組態(tài)監(jiān)控界面,包括運(yùn)行方式(自動/手動)、溫度和壓力的越限報(bào)警、導(dǎo)葉開度、閥門開度、有功、無功、水頭等。3、報(bào)表生成以及數(shù)據(jù)查詢界面:根據(jù)要求,自動生成生產(chǎn)報(bào)表,包括值班報(bào)表、日報(bào)表、月報(bào)表,輸出查詢主要設(shè)置按時(shí)間隨機(jī)查詢?nèi)魏我粋€(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)庫的建立和用戶管理

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是本系統(tǒng)的核心,也是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心,系統(tǒng)各部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)公用區(qū),進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化處理。數(shù)據(jù)庫的建立主要包括數(shù)據(jù)對象的建立和數(shù)據(jù)對象屬性設(shè)置兩部分;用戶管理主要用于設(shè)置系統(tǒng)的操作權(quán)限,由于本監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控,因此對系統(tǒng)的操作權(quán)限提出了較高的要求,操作權(quán)限分工程師和操作員等級別,系統(tǒng)啟動和退出、運(yùn)行參數(shù)的給定等必須具有相應(yīng)的操作權(quán)限。

3.2.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用SIMATICS7—300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測試、調(diào)試和文檔處理。

(1)網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)

本監(jiān)控系統(tǒng)是基于Profibus—DP的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò),在STEP7中,必須進(jìn)行硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。如本系統(tǒng)的兩個(gè)SIMATIC 300站,兩個(gè)SIMATIC PC Station,還要插入對象Profibus-DP,對于每個(gè)不同的對象,可以打開本對象的屙陛對話框,設(shè)置相應(yīng)的屬性。對于每個(gè)對象,還必須進(jìn)行硬件組態(tài),如SIMATIC 300的機(jī)架、CPU模塊、電源模塊和輸入輸出模塊(I/O)等;

(2)PLC控制程序設(shè)計(jì)

通常,用戶程序由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數(shù)據(jù)塊(DB)構(gòu)成。其中,OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面,用于控制程序的運(yùn)行,F(xiàn)B、FC是用戶子程序,DB是用戶定義的用于存取數(shù)據(jù)的存儲區(qū),本系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。

基于$7-300 PLC的編程軟件STEP7是利用模塊化程序設(shè)計(jì)方法,由于其中許多模塊功能相近,只是參數(shù)不同,因此將高級語言中的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法應(yīng)用到了此監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)了代碼重用,大大簡化了軟件的開發(fā)和維護(hù)。

3.2.3 通信程序的設(shè)計(jì)

通信程序主要包括上位機(jī)和PLC之間的通信,PLC對被控對象的控制程序,上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)試的通信三個(gè)方面。

(1)上位機(jī)和PLC之間的通信

根據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì),上位機(jī)和PLC之間通過網(wǎng)卡CP5613進(jìn)行通信,因此在WINCC軟件設(shè)計(jì)中,進(jìn)行設(shè)備組態(tài)。從設(shè)備箱中選擇相應(yīng)的設(shè)備,進(jìn)行屬性設(shè)置,主要包括基本屬性、通道連接、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)處理四個(gè)屬性頁,編寫響應(yīng)的腳本程序,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC之間的通信。

(2)PLC對被控對象的控制程序

為了實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制,必須對PLC編寫相應(yīng)的控制程序,實(shí)現(xiàn)PLC和被控對象之間的數(shù)據(jù)傳輸,在STEP7中完成硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài),為被控對象分配網(wǎng)絡(luò)地址;在組織塊OB中選用SFC14“DPRD-DAT”系統(tǒng)功能塊,編寫程序,實(shí)現(xiàn)PLC對被控對象數(shù)據(jù)的讀??;通過調(diào)用SFC15“DPWR-DAT”系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)向與被控對象相應(yīng)的模塊寫數(shù)據(jù)。

(3)上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度的通信

為了把機(jī)組的實(shí)際隋況及時(shí)傳送到遠(yuǎn)程調(diào)試部門,以及把遠(yuǎn)程調(diào)度的命令及時(shí)傳送到上位機(jī),需要將t位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度聯(lián)系起來。本系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度間的通。

4 、結(jié)束語

目前,PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)以它先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢,得到了廣泛地應(yīng)用,本文就是對現(xiàn)場總線技術(shù)使用的嘗試。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,利用了當(dāng)前比較流行的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),大大節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間,提高了系統(tǒng)的可靠性、通用性及可擴(kuò)充性;利用順序控制設(shè)計(jì)方法進(jìn)行PLC控制程序設(shè)計(jì),大大簡化了軟件的開發(fā)和維護(hù)工作。

通過Profibus-DP總線,主站(工控機(jī))與從站機(jī)(機(jī)組控制系統(tǒng))構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比,并能根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行擴(kuò)充。

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