基于總線和組態(tài)軟件WINCC實現(xiàn)水力機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1 、引言

水力機組的狀態(tài)監(jiān)測就是根據(jù)對表征機組運行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測值（如振動和位移量）是否超出正常運行范圍來判斷運行設(shè)備的狀態(tài)是正常、異?；蚬收希苊夂蜏p少更嚴(yán)重的機組損壞和無計劃的停產(chǎn)檢修。狀態(tài)監(jiān)測的主要目的是使機器良性運轉(zhuǎn)的時間達(dá)到最大化，將停機時間降為最低，為設(shè)備的狀態(tài)檢修、實現(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、可靠地運行，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了解設(shè)備的運行狀態(tài)，有針對性地維護設(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，水力機組的狀態(tài)監(jiān)測與診斷是實現(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)行機構(gòu)一對一的接入PLC或其他數(shù)據(jù)采集模塊，因此，一個設(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。而且很多水力機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)功能擴充、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)備獨立工作，在網(wǎng)絡(luò)故障時能獨立運行。本文作者開發(fā)了一套基于PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)的、性能價格比較高、適用于中小型水電廠、使用和維護方便的監(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)用特點分為以下三個兼容版本：Profibus— FMS（fieldbus messagespecification，現(xiàn)場總線報文規(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，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(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。主站在一個限定時間（令牌持有時間tokenhold TIme）內(nèi)對總線有控制權(quán)，這時主站可以向從站發(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)議確保每個主站有足夠的時間履行它的通信任務(wù)，令牌在所有主站中循環(huán)一周的最長時間是一定的，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時間內(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！：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：9．6k‘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）站點數(shù)：不帶中繼器每分段32個站，帶中繼器可多達(dá)127個站；（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)操作時使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

（3）DP從站。DP從站是進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、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（服務(wù)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(tǒng)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(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(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：上位機是DP類型二類主站。本系統(tǒng)采用研華工控機作為上位機，通過現(xiàn)場總線接口卡CP56 1 3使工控機接入DP網(wǎng)絡(luò)，這樣工控機與現(xiàn)場總線網(wǎng)段就連接為能完成組態(tài)、運行、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)運用雙機冗余，兩臺工控機通過同樣的現(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發(fā)生故障，另一臺可進行相應(yīng)的監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常運行。

3．2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括三大部分，其一為上位機監(jiān)控程序的設(shè)計，主要包括系統(tǒng)運行需要的水力機組狀態(tài)監(jiān)控主界面、報表生成和數(shù)據(jù)查詢界面等人機界面的設(shè) 其二為PLC控制程序的設(shè)計，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)計等；其三為通信程序設(shè)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(yuǎn)程調(diào)試的通信三個方面。

3．2．1 上位機監(jiān)控程序設(shè)計

本文利用監(jiān)控組態(tài)軟件開發(fā)上位機監(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)的人機界面主要有以下幾部分。l、水電廠實際運行主界面：根據(jù)運行現(xiàn)場的實際，動態(tài)顯示水電廠實際運行隋況。2、監(jiān)控界面：根據(jù)生產(chǎn)要求，組態(tài)監(jiān)控界面，包括運行方式（自動／手動）、溫度和壓力的越限報警、導(dǎo)葉開度、閥門開度、有功、無功、水頭等。3、報表生成以及數(shù)據(jù)查詢界面：根據(jù)要求，自動生成生產(chǎn)報表，包括值班報表、日報表、月報表，輸出查詢主要設(shè)置按時間隨機查詢?nèi)魏我粋€時間段內(nèi)的運行數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)庫的建立和用戶管理

實時數(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)各部分均以實時數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)公用區(qū)，進行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理和實現(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

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的一個通信網(wǎng)絡(luò)，在STEP7中，必須進行硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。如本系統(tǒng)的兩個SIMATIC 300站，兩個SIMATIC PC Station，還要插入對象Profibus-DP，對于每個不同的對象，可以打開本對象的屙陛對話框，設(shè)置相應(yīng)的屬性。對于每個對象，還必須進行硬件組態(tài)，如SIMATIC 300的機架、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

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)中它是上位機監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點。

基于$7-300 PLC的編程軟件STEP7是利用模塊化程序設(shè)計方法，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)計方法應(yīng)用到了此監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計中，實現(xiàn)了代碼重用，大大簡化了軟件的開發(fā)和維護。

3．2．3 通信程序的設(shè)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(yuǎn)程調(diào)試的通信三個方面。

（1）上位機和PLC之間的通信

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

（2）PLC對被控對象的控制程序

為了實現(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)功能塊實現(xiàn)向與被控對象相應(yīng)的模塊寫數(shù)據(jù)。

（3）上位機和遠(yuǎn)程調(diào)度的通信

為了把機組的實際隋況及時傳送到遠(yuǎn)程調(diào)試部門，以及把遠(yuǎn)程調(diào)度的命令及時傳送到上位機，需要將t位機和遠(yuǎn)程調(diào)度聯(lián)系起來。本系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網(wǎng)來實現(xiàn)上位機和遠(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)計中，利用了當(dāng)前比較流行的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC進行上位機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，大大節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)的可靠性、通用性及可擴充性；利用順序控制設(shè)計方法進行PLC控制程序設(shè)計，大大簡化了軟件的開發(fā)和維護工作。

通過Profibus-DP總線，主站（工控機）與從站機（機組控制系統(tǒng)）構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)具有較高的性能價格比，并能根據(jù)實際要求進行擴充。