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1 華北水利水電學院 2 華潤電力登封有限公司
Profibus-DP在小型水電站監控系統中的應用
作者:趙紅標 李會飛 王紅琰 發布時間:2007/6/6 16:09:00
摘 要
簡要介紹了Profibus-DP現場總線的技術特點,并結合先進的PLC技術、現場總線通信技術及組態技術,設計了一種適合小型水電站的總線控制系統。重點闡述了該系統基于Profibus-DP總線的軟硬件配置及網絡通信的設計。
目前,我國大、中型水電站普遍采用的計算機監控系統、自動化設備和裝置雖然都比較先進,但這種監控系統比較復雜,價格昂貴,不適合在小型水電站中推廣應用,同時也與小水電站的自身特點不相適應。本文應用一種新的控制系統結構理念,采用先進的Profibus-DP現場總線技術和西門子公司的工業組態軟件,組成以工業控制計算機(IPC)和可編程控制器(PLC)為站點的現場總線控制系統,該系統靈活多變、造價較低。
1 系統硬件配置
根據小型水電站的特點,其單機容量比較小,可靠性和安全性要求比較高,因而本監控系統選擇兩臺工控機,采用雙冗余,其中一臺作為上位機,選用Profibus-DP主站、Profibus-DP從站以及I/O設備、現地設備組成現地單元層,監控系統中的PLC組和工控機以及現地設備之間通過Profibus-DP總線進行通訊。該系統結構如圖1。


從站:變頻器是自動化系統中的基本拖動設備。隨著變頻器的智能化進一步發展,現場總線技術的逐步成熟,通過網絡控制智能變頻器已得到廣泛應用,因而選用I/O設備智能變頻器作為系統從站,變頻器采用西門子公司的MicroMaster420,通過光纖通信模塊OSM直接掛接入Profibus-DP總線上,直接和兩臺PLC和IPC進行通信。
一級DP主站(DPM1):選用兩組PLC作為DPM1,CPU位于控制中心,本系統兩組PLC采用Siemens公司的S7-300,CPU選用CPU315-2DP,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CPU315,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。其中PLC1主要完成水輪發電機組及其附屬設備的測量、狀態監測、控制、調節、保護、數據通信等功能,從而使水輪發電機組現地控制單元(LCU)具有很高的可靠性。PLC2主要完成開關站設備和水電站輔助設備及水工建筑物的測量、狀態監測、控制、調節、保護、計量、數據通信等功能、從而使主變、線路及公用設備現地控制單元(LCU)具有很高的可靠性。
二級DP主站(DPM2):選用工控機(IPC)作為DPM2,本系統采用研華工控機作為上位機,通過CP5611現場總線接口卡與Profibus-DP網絡相連,這樣IPC與Profibus-DP現場總線網段就連接為能完成組態、運行、操作等功能的完整的控制網絡系統。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CP5611與Profibus-DP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。
2 系統軟件配置
由系統硬件的組成可把系統軟件設計分為三個部分:①一級主站DP(DPM1)監控程序的設計,主要包括監控人機界面的開發和實時數據庫的建立及管理;②二級主站DP(DPM2)監控程序的設計,主要包括PLC控制編程軟件的設計以及Profibus-DP網絡配置的組態;③從站的通信軟件的設計,主要包括IPC與PLC之間的通信和PLC與I/O外圍設備的通信。
2.1一級主站DP(DPM1)監控程序設計
利用監控組態軟件開發DPM1監控程序,該系統采用德國西門子公司的WinCC組態軟件,以動畫的方式顯示水電廠實際運行情況,動態顯示各運行參數,將現場運行數據實時存入Excel數據庫中,故障實時保護報警及記錄、數據分析曲線和圖表,為現場設備維護人員提供了詳細的資料,使操作、維護工作變得簡單易行。并且為科研人員決策分析提供了可靠數據和一個友好的用戶界面。
(1)人機界面開發
應用西門子公司的WINCC組態軟件開發的人機接口界面如圖2。
(2)實時數據庫


系統基于通用的Windows平臺,采用C++Builder6.0編程,利用消息傳遞機制和多線程技術。調用了操作系統底層的AP1函數,使應用程序與操作系統緊密、高效的結合。實時數據庫采用Borland公司的BDE引擎,對數據庫和事件順序記錄(SOE)實施高效的管理。Intranet企業信息網部分采用基于TCP/IP協議的UDP廣播方式,調用WinSocket AP1函數實現,系統運行高效可靠。
2.2二級主站DP(DPM2)監控程序設計
DPM2主要利用SIMATIC300的配套編程軟件STEP7完成網絡組態,程序控制,參數設置,系統調試和文檔處理等。
由于該系統是一個基于Profibus-DP的通信網絡,必須在STEP7中對硬件網絡進行組態。因而選用的PLC控制編程軟件STEP7是利用模塊化用戶程序設計方法,將高級語言中的面向對象程序設計方法應用到了此監控系統的程序設計中,實現了代碼重用,大大簡化了軟件的開發和維護。一般地,用戶程序是由組織塊(OB)、功能塊(FB、FC)和數據塊(DB)構成。其中,OB是系統操作程序與應用程序在各種條件下的接口界面,用于控制程序的運行,FB、FC是用戶子程序,DB是用戶定義的用于存取數據的存儲區,本系統中它是上位機監控軟件與STEP7程序的數據接口點。
2.3從站通信軟件設計
(1)IPC和PLC之間的通信
IPC和PLC之間通過網卡CP5611進行通信,因此在MCGS軟件設計中,進行設備組態。從設備箱中選擇相應的設備,如本系統使用的PROFIBUS-S7設備,然后進行屬性設置主要包括基本屬性、通道連接、設備調試、數據處理4個屬性頁,編寫響應的腳本程序,實現IPC和PLC之間的通信。
(2)PLC與I/O外圍設備的通信
為了實現I/O外圍智能變頻器的控制,必須對PLC編寫相應的控制程序,實現PLC和變頻器之間的數據傳輸。在STEP7中完成硬件網絡組態,為變頻器分配網絡地址,該地址必須與變頻器OSM板中設置的相同,并在組織塊OB中選用系統功能塊FBD編寫程序,實現PLC對I/O外圍設備的讀取與通信。
3 結束語
ProfibUS-DP現場總線、工控機(IPC)及PLC構成的控制系統結構簡單、應用靈活,提高了系統數據傳輸的速度、準確性和可靠性,給電站的安裝調試和維護帶來了方便。
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