摘 要：介紹了現場總線技術的特點和功能，結合水電廠機組控制的特點和要求，論述了基于Profibus-DP現場總線的水電廠機組控制系統的硬件和軟件設計。 關鍵詞：現場總線;Profibus-DP;水電廠;PLC;機組控制 1 現場總線Profibus-DP及其主要特性 　　現場總線是安裝在生產過程區域的現場設備、儀表與控制室內的自動控制裝置、系統之間的一種串行、數字式、多點、雙向通信的數據總線。或者說，現場總線是以單個分散的數字化智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線相連接，實現相互交換信息，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統。 　　現場總線控制系統（FCS）是信息數字化、控制分散化、開放互操作性的新一代工業自動化控制系統，是信息技術化、智能化、數字化、網絡化向現場的發展。FCS的本質是信息處理現場化，具有開發性、互操作性、互換性、可集成性，可靠性高、易維護和管理，降低投資，減小運行費用，增強了現場級信息集成能力。它克服了傳統工業過程控制系統的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統不開放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點。 　　現場總線是FCS的關鍵設備之一，目前比較有代表性的是Profibus（ProcessFieldbus）和FF（Foundation Fieldbus）。Profibus由三個兼容部分組成：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。 　　Profibus-DP（Decentralized Periphery）：是一種經過優化的高速便宜的通信連接，專為自動化控制系統與分散的I/O設備級之間通信使用而設計的。它可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。Profibus-DP使用物理層，數據鏈接層（第1，2層）和用戶接口，用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。此外，ProfibusS-DP還提供智能化現場設備所需的非周期性通信以進行組態、診斷和報警處理及復雜設備在運行中參數的確定。Profibus-DP的基本功能和特性如下： 　　（1）遠距離高速通信：波特率從9.6Kbit/s到12Mbit/s;最大距離12Mbps時100m，1.5Mbps時200m，還可以用中繼器加長。 　　（2）分布式結構：各主站間令牌傳遞，主從站間為主-從傳送。每段可達32個站，用連接器連接段，最多可達126個站。 　　（3）易于安裝：因為RS-485的傳輸技術簡單，雙絞線的敷設不需專業知識，總線結構使得一個站點的裝卸載不影響其它站點的正常工作，系統的安裝還可以分別進行，后期安裝的系統不會對前期安裝的系統造成妨礙。 　　（4）診斷功能：經過擴展的Profibus-DP的診斷功能能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。 　　（5）開放式通信網絡。 　　（6）可靠性和保護機制。 　　每個系統包括三種類型的設備： 　　（1）一級DP主站，即中央控制器（如PC、PLC）,可與其它站交換信息。 　　（2）二級DP主站，指組態設備、編程器、或操作面板，完成各站點的數據讀寫、系統配置、故障診斷等。 　　（3）DP從站，指進行輸入輸出信息采集和發送的外圍設備（如PLC，分散式I/O，驅動器、傳感器、執行機構等） 2 Profibus-DP現場總線用于水電廠機組控制的優越性 　　近年來，我國水電廠計算機監控系統的發展雖然較快，但由于基礎薄弱，所實現的功能還比較簡單，遠遠落后于發達國家，特別是少人值守、無人值班水電站僅僅處于起步階段，與美、法等國家基本實現了無人值班相距甚遠。 　　隨著現場控制技術的發展，現場總線的重要性已被越來越多的人重視，現場總線產品越來越多，現場總線控制系統越來越多地應用于自動控制領域。將現場總線技術應用于水電廠控制，能使水電廠生產過程自動化程度大大提高，逐步縮短我國水電廠監控技術與國外的差距，從而趕上先進國家。具體地說，現場總線應用于水電廠機組控制具有如下優越性： 　　（1）實現了系統的全開放性。開放自動化系統是現場總線發展的必然趨勢; 　　（2）實現了真正的分散控制。把控制功能下放到現場，每個控制回路完全由分散安裝的現場智能儀表來實現，增強了系統數據處理的就地化; 　　（3）實現了全數字化通信。使系統抗干擾性和檢測精度大為提高; 　　（4）安全可靠、組態靈活、簡單易用。現場總線充分利用了用戶層規定的標準的“功能模塊”來組態成為系統，使控制策略的組態操作非常簡單; 　　（5）經濟效益高。現場總線構成的水電廠監控系統共用一條數據總線傳遞信息，總線介質豐富，節省電纜和控制設備等。 3 水電廠機組控制系統的實現 　　水電廠機組自動控制的基本任務是借助自動化裝置來實現機組操作和油、氣、水等輔助設備的邏輯控制和監視，從而實現發電過程的自動化和全廠綜合自動化。我們這里所說的機組控制系統主要是實現水輪發電機組的自動開機、各種工況轉換、正常停機、故障停機等功能。 　　水電廠控制系統設計的基本原則是： 　　（1）先進性。充分利用自動領域的先進技術及分層分布式全開放的結構。 　　（2）實用性。功能配置和設備選型以滿足生產過程的實際需要為主要目標。 　　（3）可靠性。應選用高可靠性的工控設備，并采用冗余技術和模塊化技術。 　　（4）經濟性。注重系統的性能價格比，使投資得到滿意的收益。 　　（5）可操作性。可進行常規自動操作或配備不同操作權限的自動操作。 　　（6）可維護性。系統采用模塊式結構，設備故障時，只需更換相應模塊即可。 　　（7）自動化程度高。根據“無人值班、少人值守”模式進行總體設計。 　　（8）適應性好。系統應能適應水電廠現場環境的要求。 　　（9）人機界面友好。符合水電廠運行人員操作習慣。 　　3.1 硬件構成 　　根據水電廠監控系統的特點和要求,設計系統結構如圖1所示，各個功能相互獨立，分別由不同部分結合相應的軟件程序來實現。 [align=center] 圖1系統結構圖 圖2 硬件組成[/align] 　　根據系統結構圖，我們可以有多種方案實現，但通過綜合考慮，設計硬件結構如圖2所示，下面對各組成部分作具體說明： 　　（1）主站 　　一級主站采用西門子S7-300系列的CPU315-2DP PLC作為中央控制器，由其運行整個控制程序，且實現與其它站的信息交換。 　　二級主站采用研華工控機，包括工程師站和操作員站，都通過CP-5613DP卡與總線相連，工程師站對整個系統進行組態和編程;操作員站對整個系統進行操作、運行和監控，但不能修改組態數據和系統程序，同時還兼作局域網的服務器使用。 　　觸摸屏采用西門子TP170A,通過MPI與S7-300 PLC的MPI通訊口相連，安裝于現場，實現對S7-300的簡單操作與顯示相關運行參數。 　　（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EM277 DP接口與總線相連，S7-200PLC可運行自身程序，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上，它們的CPU與PLC的CPU并行工作，占用主機的時間很少,有利于提高PLC的掃描速度和完成特殊功能。當然也可以連接其它的更多的從站。 　　（3）局域網 　　由操作員站作服務器通過網卡、交換機、其他計算機組成局域網，客戶機可以實現監視運行狀態、查看報表、打印等功能，但不能操作運行系統。 　　從整個組成部分來看，主站實現系統的監控，從站實現數據的采集和驅動相應執行機構完成控制動作，局域網則與操作員站一起實現了信息管理功能。因此，硬件組成與系統的功能結構是一致的。 　　3.2 軟件方案 　　軟件部分包括硬件組態、控制程序編制和組態監控系統。 　　（1）硬件組態 　　硬件連好之后，根據硬件參數首先進行硬件配置和網絡配置也就是進行組態。硬件組態是系統實現的基礎，所謂“硬件組態”，就是模擬真實的PLC硬件系統，將CPU、電源和信號模塊的設備安裝到相應的機架上，并對PLC硬件模塊的參數進行設置和修改的過程。當用戶需要修改模塊的參數地址，需要設置網絡通訊，需要將分布式外設連接到主站，或者從主站卸掉某個設備時的時候，都必須要做硬件組態。 　　本系統采用SIMATIC S7-300的配套軟件包STEP 7 V5.2完成硬件組態、參數設置、通訊測試、系統調試等。 　　（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，在線調試直觀、便捷，有梯形圖（LAD）、語句表（STL）和功能圖（FBD）三種編程形式可隨意切換和組合使用。首先設置變量、分配I/O地址、編輯符號表，然后根據機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V區實現數據交換的。 　　（3）監控系統組態 　　監控軟件采用西門子公司的工控組態軟件SIMATIC WinCC。WinCC包括圖形設計器、報警記錄、標記記錄、報告設計器、全局腳本、控制中心、用戶管理等功能，它集控制技術、人機界面技術、圖形技術、數據庫技術、網絡技術于一身，含有實時數據報表、歷史數據報表、實時曲線、歷史曲線、報表查詢等控件，為工程技術人員提供一很好的二次開發平臺。WinCC與S7300 PLC之間的通訊也是基于Profibus-DP總線的物理連接。運用WinCC我們可以很方便地組態出界面美觀、操作方便、功能強大的機組控制系統人機監控畫面。 　　采用西門子專用觸摸屏組態工具ProtoolV6.0對TP170A組態，方法與WinCC類似，不過要簡單得多，觸摸屏一般安放于控制現場，實現簡單控制與顯示。 　　3.3 運行調試 　　系統設計的最后一步就是運行調試，這里采用兩種方法： 　　（1）軟件仿真調試 　　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，及時觀察程序執行情況或者監控畫面的實時情況，這種調試方法簡單易行，可隨時進行。缺點是與硬件有關的問題不能發現。 　　（2）硬件調試 　　在實驗室將各種傳感器與系統接好，模擬實際現場情況，進行調試，基本能排除大部分問題，如要使其更加完善，最好能到現場進行實地調試。 4 結束語 　　本系統采用PROFIBUS-DP現場總線網絡技術實現分布式控制，網絡速度快、可靠性高、開放性好、抗干擾能力強，給安裝、調試和設備維護帶來方便，提高了生產效率和管理水平。這種網絡體系具有較高的性能價格比，并能根據用戶要求擴展至各種形式和規模，各水電廠逐步采用PROFIBUS-DP技術改造傳統監控系統必將為我國的水電事業做出巨大貢獻。（經濟效益75萬元） 　　本文作者創新點：PROFIBUS-DP現場總線網絡技術在工業當中已經應用很廣泛，但在水電廠中的應用還處于嘗試階段，本文針對這一現狀，設計出了基于Profibus-DP現場總線的水電廠機組控制系統。 參考文獻 　　[1] 劉磊，高俊.現場總線技術在裝備監控系統中的應用[J].微計算機信息，2006，7-1：73～74. 　　[2] 陽憲惠.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，2002. 　　[3] 于滌，王為.STU水電廠計算機監控系統的應用[J].電力系統及其自動化，1999（1）：14～17.