现场总线技术在水电站状态监测中的应用
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2020-10-26
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现场总线技术在水电站状态监测中的应用现场总线技术在水电站状态监测中的应用
目前，PROFIBUS现场总线技术以它先进的技术优势，得到了广泛地应用，本文就是对现场总线技术使用的尝
试。在系统软件设计中，利用了当前比较流行的监控组态软件WINCC进行上位机监控系统设计，大大节省了系
统的开发时间，提高了系统的可靠性、通用性及可扩充性；利用顺序控制设计方法进行PLC控制程序设计，大
大简化了软件的开发和维护工作。
1 引言
水力机组的状态监测就是根据对表征机组运行状况特性的参量跟踪监测值（如振动和位移量）是否超出正常运行范围来判断运行设备的状态是正常、异常或故障，
避免和减少更严重的机组损坏和无计划的停产检修。状态监测的主要目的是使机器良性运转的时间达到最大化，将停机时间降为最低，为设备的状态检修、实现“无人值
班”（少人值守）提供可靠的依据。而“无人值班”（少人值守）是水电厂现代化管理的发展方向，如何保证设备在“无人值班”（少人值守）的管理模式下安全、经济、可
靠地运行，是国内外近几年来亟待解决的技术问题解决这一问题的有效途径在于及时了解设备的运行状态，有针对性地维护设备，减少设备的突发性故障和提高设备利
用率，并逐步实现由定期维修体制向状态检修体制的转变。因此，水力机组的状态监测与诊断是实现“无人值班”（少人值守）的重要保证。
目前常用的一对一模式通常是把传感器或执行机构一对一的接入PLC或其他数据采集模块，因此，一个设备就要有一组电源、一组信号，需要庞大的电源与信号电
缆从而使系统复杂化。而且很多水力机组状态监测系统的兼容性、容错性、灵活性等方面还存在很多局限性．使得系统功能扩充、升级比较困难，缺少可移植性和通用
性；监测系统的开发周期长，成本高，可靠性不够好．由于缺乏统一、标准、开放的接口，监测系统与生产过程管理及全场运行调度决策管理等信息系统的集成，以及
与其它监测和诊断系统的信息交流也都较困难．而
2 Profi bus现场总线技术
2．1 概述[1]
Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于生产商的现场总线标准，广泛应用于工业自动化。Profibus根据应用特点分为以下三个兼容版本：Profibus—
FMS（fieldbus messagespecification，现场总线报文规范）、Profibus-DP（decentralizedperiphery，分散型外围设备）、Profibus— PA（processautomation，过程
自动化）。
本文使用的Profibus— DP是一种经过优化的高速、廉价通信连接，专为自动控制系统和设备级分散I／0设备之间通信设计，使用Profibus— DP模块可以取代价格
昂贵的24V或0-20mA并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输，其传输速率可达12Mbit／s，一般构成单主站系统；
2．2 通信协议
Profibus通信协议通过ISO／OSI参考模型第2层实现，在Profibus中第2层被称为现场总线数据链路FDL（fieldbusdatatink），Profibus总线上的设备包括主站和从
站。主站在一个限定时间（令牌持有时间tokenhold time）内对总线有控制权，这时主站可以向从站发送数据或请求从站的数据，从站对总线没有控制权，只是响应一
个主站的请求或确认主站发送的数据。因此Profibus通信协议包括主站之间的令牌传递协议和主、从站之间的主从协议。令牌传递协议确保每个主站有足够的时间履行
它的通信任务，令牌在所有主站中循环一周的最长时间是一定的，主从协议保证主站在令牌持有时间内与从站的通信。
2．3 PrOf1bus—DP的传输技术[2]
Profibus提供了三种数据传输类型!：用于DP和FMS的RS485传输、用于PA的IECll58—2传输和光纤传输技术。RS485传输是Profibus最常用的一种传输技术，这
种技术通常称之为H2，采用的电缆是屏蔽双绞铜线，RS485传输技术基本特征如下：（1）网络拓扑：线性总线，两端有有源的总线终端电阻；（2）传输速率：
9．6k‘12Mbit／s：（3）介质：双绞屏蔽电缆，也可取消屏蔽，取决于环境条件（EMc）：（4）站点数：不带中继器每分段32个站，带中继器可多达127个站；（5）
插头连接：使用9针D型插头；
2．4 Profi bus-DP的设备类型
Profibus-DP#tA,～：构成单主站或多主站系统，系统配置的描述包括站数、站地址、输入／输出地址、输人数， Profilms-DP系统可包括以下三种不同类型设备。
（1）一级DP主站（DPM1）。一级DP主站是中央控制器，它在预定的信息周期内与分散的站（如DP从站）交换信息，典型的DPM1如PLC或PC。
（2）二级DP主站（DPM2）。二级DP主站是编程器、组态设备或操作面板，在DP系统组态操作时使用，完成系统操作和监视目的。
（3）DP从站。DP从站是进行输入和输出信息采集和发送的外围设备（I／0设备、驱动器、HMI、阀门等）。
2．5 Profi bus-DP系统行为
系统行为主要取决于DMPl的操作状态，这些状态由本地或总线的配置设备所控制，主要有以下三种状态。运行：输入和输出数据的循环传送，DPM l由DP从站读
取输入信息并向DP从站写入输出信息。清除．DMPl读取DP从站的输入信息并使输出信息保持为故障或安全状态。停止：只能进行主一主数据传送，DMP1和DP从站
之间没有数据传送。
3 PROFIBUS现场总线技术在水力机组状态监测中的应用
3．1监控系统硬件组成
本监控系统主要由上位机、Profibus—DP主站、Profibus—DP从站及其现场设备组成。
如图l所示。监控系统中三组PLC和工控机（服务器）之间通过Profibus-DP总线进行通信。如图1所示。
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一级主站：两组PLC作为DP一级主站，CPU位于控制中心，本系统的PLC采用Siemens公司的S7—300，处理器均为CPU3l5—2DP，它具有强大的处理能力，并
集成了Profibus-DP现场总线接口装置，直接挂接于Profibus—DP网络。PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU3 1 5，并存储在CPU315
中，CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取所有I／O模块的状态字，控制硬件设备。
二级主站：上位机是DP类型二类主站。本系统采用研华工控机作为上位机，通过现场总线接口卡CP56 1 3使工控机接入DP网络，这样工控机与现场总线网段就连
接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的
3．2 监控系统软件设计
本系统软件设计主要包括三大部分，其一为上位机监控程序的设计，主要包括系统运行需要的水力机组状态监控主界面、报表生成和数据查询界面等人机界面的设
其二为PLC控制程序的设计，其中包括系统Profibus—DP网络组态、系统硬件组态、控制程序设计等；其三为通信程序设计，通信程序主要包括上位机和PLC之间的通
信，PLC对被控对象的控制程序，上位机和远程调试的通信三个方面。
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