如何進(jìn)行基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的水電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點(diǎn)、雙向通信的數(shù)據(jù)總線(xiàn)?；蛘哒f(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的數(shù)字化智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線(xiàn)相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)是信息數(shù)字化、控制分散化、開(kāi)放互操作性的新一代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，是信息技術(shù)化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)展。 FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，具有開(kāi)發(fā)性、互操作性、互換性、可集成性，可靠性高、易維護(hù)和管理，降低投資，減小運(yùn)行費(fèi)用，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)信息集成能力。它克服了傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統(tǒng)不開(kāi)放、可集成性差，不易安裝、維護(hù)和管理的缺點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是 FCS的關(guān)鍵設(shè)備之一，目前比較有代表性的是Profibus(ProcessFieldbus)和FF(Foundation?Fieldbus)。 Profibus由三個(gè)兼容部分組成：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。

Profibus-DP(Decentralized?Periphery)：是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速便宜的通信連接，專(zhuān)為自動(dòng)化控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級(jí)之間通信使用而設(shè)計(jì)的。它可取代24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。Profibus-DP使用物理層，數(shù)據(jù)鏈接層(第1，2層)和用戶(hù)接口，用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。此外，ProfibusS-DP還提供智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)、診斷和報(bào)警處理及復(fù)雜設(shè)備在運(yùn)行中參數(shù)的確定。Profibus-DP的基本功能和特性如下：

(1)遠(yuǎn)距離高速通信：波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s;最大距離12Mbps時(shí)100m，1.5Mbps時(shí)200m，還可以用中繼器加長(zhǎng)。

(2)分布式結(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主從站間為主-從傳送。每段可達(dá)32個(gè)站，用連接器連接段，最多可達(dá)126個(gè)站。

(3)易于安裝：因?yàn)镽S-485的傳輸技術(shù)簡(jiǎn)單，雙絞線(xiàn)的敷設(shè)不需專(zhuān)業(yè)知識(shí)，總線(xiàn)結(jié)構(gòu)使得一個(gè)站點(diǎn)的裝卸載不影響其它站點(diǎn)的正常工作，系統(tǒng)的安裝還可以分別進(jìn)行，后期安裝的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙。

(4)診斷功能：經(jīng)過(guò)擴(kuò)展的Profibus-DP的診斷功能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線(xiàn)上傳輸并由主站采集。

(5)開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò)。

(6)可靠性和保護(hù)機(jī)制。

每個(gè)系統(tǒng)包括三種類(lèi)型的設(shè)備：

(1)一級(jí)DP主站，即中央控制器(如PC、PLC),可與其它站交換信息。

(2)二級(jí)DP主站，指組態(tài)設(shè)備、編程器、或操作面板，完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)、系統(tǒng)配置、故障診斷等。

(3)DP從站，指進(jìn)行輸入輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備(如PLC，分散式I/O，驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)

2 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)用于水電廠(chǎng)機(jī)組控制的優(yōu)越性

近年來(lái)，我國(guó)水電廠(chǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展雖然較快，但由于基礎(chǔ)薄弱，所實(shí)現(xiàn)的功能還比較簡(jiǎn)單，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是少人值守、無(wú)人值班水電站僅僅處于起步階段，與美、法等國(guó)家基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值班相距甚遠(yuǎn)。

隨著現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的重要性已被越來(lái)越多的人重視，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品越來(lái)越多，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)越來(lái)越多地應(yīng)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域。將現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用于水電廠(chǎng)控制，能使水電廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度大大提高，逐步縮短我國(guó)水電廠(chǎng)監(jiān)控技術(shù)與國(guó)外的差距，從而趕上先進(jìn)國(guó)家。具體地說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)應(yīng)用于水電廠(chǎng)機(jī)組控制具有如下優(yōu)越性：

(1)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全開(kāi)放性。開(kāi)放自動(dòng)化系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的必然趨勢(shì);

(2)實(shí)現(xiàn)了真正的分散控制。把控制功能下放到現(xiàn)場(chǎng)，每個(gè)控制回路完全由分散安裝的現(xiàn)場(chǎng)智能儀表來(lái)實(shí)現(xiàn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的就地化;

(3)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化通信。使系統(tǒng)抗干擾性和檢測(cè)精度大為提高;

(4)安全可靠、組態(tài)靈活、簡(jiǎn)單易用?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)充分利用了用戶(hù)層規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的“功能模塊”來(lái)組態(tài)成為系統(tǒng)，使控制策略的組態(tài)操作非常簡(jiǎn)單;

(5)經(jīng)濟(jì)效益高?，F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)構(gòu)成的水電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)共用一條數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳遞信息，總線(xiàn)介質(zhì)豐富，節(jié)省電纜和控制設(shè)備等。

3 水電廠(chǎng)機(jī)組控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

水電廠(chǎng)機(jī)組自動(dòng)控制的基本任務(wù)是借助自動(dòng)化裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組操作和油、氣、水等輔助設(shè)備的邏輯控制和監(jiān)視，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電過(guò)程的自動(dòng)化和全廠(chǎng)綜合自動(dòng)化。我們這里所說(shuō)的機(jī)組控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)開(kāi)機(jī)、各種工況轉(zhuǎn)換、正常停機(jī)、故障停機(jī)等功能。

水電廠(chǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則是：

(1)先進(jìn)性。充分利用自動(dòng)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)及分層分布式全開(kāi)放的結(jié)構(gòu)。

(2)實(shí)用性。功能配置和設(shè)備選型以滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際需要為主要目標(biāo)。

(3)可靠性。應(yīng)選用高可靠性的工控設(shè)備，并采用冗余技術(shù)和模塊化技術(shù)。

(4)經(jīng)濟(jì)性。注重系統(tǒng)的性能價(jià)格比，使投資得到滿(mǎn)意的收益。

(5)可操作性?？蛇M(jìn)行常規(guī)自動(dòng)操作或配備不同操作權(quán)限的自動(dòng)操作。

(6)可維護(hù)性。系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)備故障時(shí)，只需更換相應(yīng)模塊即可。

(7)自動(dòng)化程度高。根據(jù)“無(wú)人值班、少人值守”模式進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。

(8)適應(yīng)性好。系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)水電廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的要求。

(9)人機(jī)界面友好。符合水電廠(chǎng)運(yùn)行人員操作習(xí)慣。

3.1 硬件構(gòu)成

根據(jù)水電廠(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求,設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個(gè)功能相互獨(dú)立，分別由不同部分結(jié)合相應(yīng)的軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，我們可以有多種方案實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)綜合考慮，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，下面對(duì)各組成部分作具體說(shuō)明：

(1)主站

一級(jí)主站采用西門(mén)子S7-300系列的CPU315-2DP?PLC作為中央控制器，由其運(yùn)行整個(gè)控制程序，且實(shí)現(xiàn)與其它站的信息交換。[!--empirenews.page--]

二級(jí)主站采用研華工控機(jī)，包括工程師站和操作員站，都通過(guò)CP-5613DP卡與總線(xiàn)相連，工程師站對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和編程;操作員站對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作、運(yùn)行和監(jiān)控，但不能修改組態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)程序，同時(shí)還兼作局域網(wǎng)的服務(wù)器使用。

觸摸屏采用西門(mén)子TP170A,通過(guò)MPI與S7-300?PLC的MPI通訊口相連，安裝于現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)S7-300的簡(jiǎn)單操作與顯示相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。

(2)從站

從站的形式多種多樣，?ET200M從站IM-153帶模擬量輸入輸出模塊;?從站S7-200PLC?CPU224通過(guò)EM277?DP接口與總線(xiàn)相連，S7-200PLC可運(yùn)行自身程序，連接I/O輸入輸出，又可與S7-300PLC交換信息;智能儀表、智能模塊直接掛在總線(xiàn)上，它們的CPU與 PLC的CPU并行工作，占用主機(jī)的時(shí)間很少,有利于提高PLC的掃描速度和完成特殊功能。當(dāng)然也可以連接其它的更多的從站。

(3)局域網(wǎng)

由操作員站作服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)卡、交換機(jī)、其他計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)，客戶(hù)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)、查看報(bào)表、打印等功能，但不能操作運(yùn)行系統(tǒng)。

從整個(gè)組成部分來(lái)看，主站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，從站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成控制動(dòng)作，局域網(wǎng)則與操作員站一起實(shí)現(xiàn)了信息管理功能。因此，硬件組成與系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)是一致的。

3.2 軟件方案

軟件部分包括硬件組態(tài)、控制程序編制和組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

(1)硬件組態(tài)

硬件連好之后，根據(jù)硬件參數(shù)首先進(jìn)行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)配置也就是進(jìn)行組態(tài)。硬件組態(tài)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，所謂“硬件組態(tài)”，就是模擬真實(shí)的PLC硬件系統(tǒng)，將CPU、電源和信號(hào)模塊的設(shè)備安裝到相應(yīng)的機(jī)架上，并對(duì)PLC硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改的過(guò)程。當(dāng)用戶(hù)需要修改模塊的參數(shù)地址，需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通訊，需要將分布式外設(shè)連接到主站，或者從主站卸掉某個(gè)設(shè)備時(shí)的時(shí)候，都必須要做硬件組態(tài)。

本系統(tǒng)采用SIMATIC?S7-300的配套軟件包STEP?7?V5.2完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、通訊測(cè)試、系統(tǒng)調(diào)試等。

(2)控制程序編制

編程軟件包括S7-300?PLC的STEP7和S7-200PLC的MicroWIN32V3.1，使用方便，在線(xiàn)調(diào)試直觀(guān)、便捷，有梯形圖(LAD)、語(yǔ)句表(STL)和功能圖(FBD)三種編程形式可隨意切換和組合使用。首先設(shè)置變量、分配I/O地址、編輯符號(hào)表，然后根據(jù)機(jī)組控制順序和要求繪制控制流程圖，最后是編制梯形圖控制程序。S7-300和S7-200編程方法上大同小異，它們之間是通過(guò)V區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。

(3)監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)

監(jiān)控軟件采用西門(mén)子公司的工控組態(tài)軟件SIMATIC?WinCC。WinCC包括圖形設(shè)計(jì)器、報(bào)警記錄、標(biāo)記記錄、報(bào)告設(shè)計(jì)器、全局腳本、控制中心、用戶(hù)管理等功能，它集控制技術(shù)、人機(jī)界面技術(shù)、圖形技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一身，含有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、歷史曲線(xiàn)、報(bào)表查詢(xún)等控件，為工程技術(shù)人員提供一很好的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)。WinCC與S7300?PLC之間的通訊也是基于Profibus-DP總線(xiàn)的物理連接。運(yùn)用 WinCC我們可以很方便地組態(tài)出界面美觀(guān)、操作方便、功能強(qiáng)大的機(jī)組控制系統(tǒng)人機(jī)監(jiān)控畫(huà)面。

采用西門(mén)子專(zhuān)用觸摸屏組態(tài)工具ProtoolV6.0對(duì)TP170A組態(tài)，方法與WinCC類(lèi)似，不過(guò)要簡(jiǎn)單得多，觸摸屏一般安放于控制現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單控制與顯示。

3.3 運(yùn)行調(diào)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后一步就是運(yùn)行

調(diào)試，這里采用兩種方法：

(1)軟件仿真調(diào)試

STEP7軟件本身自帶仿真軟件組件，WinCC也自帶有變量模擬器，可模擬一些量的輸入，及時(shí)觀(guān)察程序執(zhí)行情況或者監(jiān)控畫(huà)面的實(shí)時(shí)情況，這種調(diào)試方法簡(jiǎn)單易行，可隨時(shí)進(jìn)行。缺點(diǎn)是與硬件有關(guān)的問(wèn)題不能發(fā)現(xiàn)。

(2)硬件調(diào)試

在實(shí)驗(yàn)室將各種傳感器與系統(tǒng)接好，模擬實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行調(diào)試，基本能排除大部分問(wèn)題，如要使其更加完善，最好能到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地調(diào)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式控制，網(wǎng)絡(luò)速度快、可靠性高、開(kāi)放性好、抗干擾能力強(qiáng)，給安裝、調(diào)試和設(shè)備維護(hù)帶來(lái)方便，提高了生產(chǎn)效率和管理水平。這種網(wǎng)絡(luò)體系具有較高的性能價(jià)格比，并能根據(jù)用戶(hù)要求擴(kuò)展至各種形式和規(guī)模，各水電廠(chǎng)逐步采用PROFIBUS-DP技術(shù)改造傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)必將為我國(guó)的水電事業(yè)做出巨大貢獻(xiàn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)當(dāng)中已經(jīng)應(yīng)用很廣泛，但在水電廠(chǎng)中的應(yīng)用還處于嘗試階段，本文針對(duì)這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出了基于Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的水電廠(chǎng)機(jī)組控制系統(tǒng)。