1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述

現(xiàn)場(chǎng)總線是安裝在生產(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。其中“生產(chǎn)過(guò)程”包括斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程和連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程兩類?；蛘哒f(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(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)。Profibus支持Type3現(xiàn)場(chǎng)總線是一種國(guó)際化、開放式、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，用于工廠自動(dòng)化系統(tǒng)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)中的底層，即車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制，適用于分散的、具有通訊接口的現(xiàn)場(chǎng)受控設(shè)備對(duì)底層設(shè)備有較高的數(shù)據(jù)集成和遠(yuǎn)程診斷、故障報(bào)警及數(shù)字化要求的系統(tǒng)。

2 Profibus-DP及其主要特性

Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）：是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速便宜的通信連接，專為自動(dòng)化控制系統(tǒng)與分散的I／0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?？偩€循環(huán)時(shí)間必須要比主站（PIE）程序循環(huán)時(shí)間短。此外，Profibus-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～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，主站與從站為主一從傳送。每段可達(dá)32個(gè)站，用連接器連接段，最多可達(dá)126個(gè)從站。

（3）易于安裝：總線結(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，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。

（5）開放式通信網(wǎng)絡(luò)。

（6）可靠性和保護(hù)機(jī)制。

每個(gè)系統(tǒng)包括3種類型的設(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、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PIE，分散式I／O，驅(qū)動(dòng)器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）

3 Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線用于水電廠監(jiān)控的優(yōu)越性

實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全開放性，而開放自動(dòng)化系統(tǒng)是現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展的必然趨勢(shì)；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；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；安全可靠、組態(tài)靈活、簡(jiǎn)單易用，現(xiàn)場(chǎng)總線充分利用了用戶層規(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；經(jīng)濟(jì)效益高，現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的水電廠監(jiān)控系統(tǒng)共用一條數(shù)據(jù)總線傳遞信息，總線介質(zhì)豐富，節(jié)省電纜和控制設(shè)備等。

4 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

4.1 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求

水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對(duì)象包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、饋電線路、廠用變、開關(guān)柜、公用設(shè)備等。根據(jù)需要，一般要求監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

（1）數(shù)據(jù)采集與處理功能；

（2）運(yùn)行監(jiān)視、事件報(bào)警與事故處理指導(dǎo)功能；

（3）生產(chǎn)過(guò)程的控制操作功能；

（4）統(tǒng)計(jì)記錄和制表打印功能；

（5）智能報(bào)警功能；

（6）事故分析及故障診斷功能；

（7）通信功能；

（8）實(shí)時(shí)在線診斷功能。

4.2 硬件構(gòu)成

根據(jù)水電廠監(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，分別由系統(tǒng)不同部分結(jié)合相應(yīng)的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，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。

4.2.1 主站

一級(jí)主站采用西門子S7—300系列的CPU315—2DPPIE作為中央控制器，由其運(yùn)行整個(gè)控制程序，且實(shí)現(xiàn)于其它站的信息交換。

二級(jí)主站采用研華工控機(jī)，通過(guò)CP一5613DP卡與總線相連，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。

觸摸屏采用西門子TP170A，通過(guò)MPI與S‘／一300 PIg：的MPI通訊H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)。

4.2.2 從站

從站的形式多種多樣，從站1為 EI200M IM一153帶模擬量輸入輸出模塊；從站2為S7—200 PIE

CPU224通過(guò)EM277與總線相連，s7—200PLC可運(yùn)行自身程序，連接I／O輸入輸出。又可與s7—300PIE交換信息；從站3為智能儀表、智能模塊直接掛在總線上，它們的CPU與PIE的CPU并行工作，占用主機(jī)的時(shí)間很少，有利于提高PIE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。

4.2.3 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。

4.3 軟件方案

軟件設(shè)計(jì)部分包括組態(tài)編程軟件和監(jiān)控軟件。

4.3.1 組態(tài)編程軟件

系統(tǒng)采用SIMATIC S7—300的配套軟件包SrEP 7 V5．2完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PIE程序編制、測(cè)試、調(diào)試等。STEP7運(yùn)行于 Windows環(huán)境下，界面友好，組態(tài)編程方便，在線調(diào)試直觀、便捷，有梯形圖（LAj）、語(yǔ)句表（STL）和功能圖（FBD）3種編程形式可隨意切換和組合使用。根據(jù)硬件參數(shù)首先進(jìn)行硬件配置和網(wǎng)絡(luò)配置，然后編制PIE程序，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PIE的主監(jiān)控掃描程序，用于控制程序的運(yùn)行，F(xiàn)B、Fc是各個(gè)功能子程序塊，DB數(shù)據(jù)塊為存儲(chǔ)各運(yùn)行數(shù)據(jù)的區(qū)域。

對(duì)s7—200 PIE采用西門子編程工具SIEP 7一MicmWIN32V3．1編程，方法與上述大同小異，只是要注意S7—300和S7—200是通過(guò)v區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的。采用西門子專用觸摸屏組態(tài)工具Protool V6．0對(duì)TP170A組態(tài)。

4.3.2 監(jiān)控軟件

操作員站由于還充當(dāng)局域網(wǎng)的服務(wù)器，故操作系統(tǒng)為 n．dows2000服務(wù)器版，采用西門子公司的組態(tài)監(jiān)控軟件SIMATICWinCC．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、歷史曲線、報(bào)表查詢等控件，為工程技術(shù)人員提供一個(gè)很好的二次開發(fā)平臺(tái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該監(jiān)控系統(tǒng)采用Profibus —DP現(xiàn)場(chǎng)總線網(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)用戶要求擴(kuò)展至各種形式和規(guī)模。