如何进行基于现场总线的水电厂发电机组控制系统设计？

现场总线是安装在生产过程区域的现场设备、仪表与控制室内的自动控制装置、系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。或者说，现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。

现场总线控制系统(FCS)是信息数字化、控制分散化、开放互操作性的新一代工业自动化控制系统，是信息技术化、智能化、数字化、网络化向现场的发展。 FCS的本质是信息处理现场化，具有开发性、互操作性、互换性、可集成性，可靠性高、易维护和管理，降低投资，减小运行费用，增强了现场级信息集成能力。它克服了传统工业过程控制系统的投资高，传输精度和抗干扰性能低，系统不开放、可集成性差，不易安装、维护和管理的缺点。

现场总线是 FCS的关键设备之一，目前比较有代表性的是Profibus(ProcessFieldbus)和FF(Foundation?Fieldbus)。 Profibus由三个兼容部分组成：Profibus-DP、Profibus-PA和Profibus-FMS。

Profibus-DP(Decentralized?Periphery)：是一种经过优化的高速便宜的通信连接，专为自动化控制系统与分散的I/O设备级之间通信使用而设计的。它可取代24VDC或4-20mA信号传输。Profibus-DP使用物理层，数据链接层(第1，2层)和用户接口，用于现场层的高速数据传送。主站周期地读取从站的输入信息并周期地向从站发送输出信息。此外，ProfibusS-DP还提供智能化现场设备所需的非周期性通信以进行组态、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。Profibus-DP的基本功能和特性如下：

(1)远距离高速通信：波特率从9.6Kbit/s到12Mbit/s;最大距离12Mbps时100m，1.5Mbps时200m，还可以用中继器加长。

(2)分布式结构：各主站间令牌传递，主从站间为主-从传送。每段可达32个站，用连接器连接段，最多可达126个站。

(3)易于安装：因为RS-485的传输技术简单，双绞线的敷设不需专业知识，总线结构使得一个站点的装卸载不影响其它站点的正常工作，系统的安装还可以分别进行，后期安装的系统不会对前期安装的系统造成妨碍。

(4)诊断功能：经过扩展的Profibus-DP的诊断功能能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。

(5)开放式通信网络。

(6)可靠性和保护机制。

每个系统包括三种类型的设备：

(1)一级DP主站，即中央控制器(如PC、PLC),可与其它站交换信息。

(2)二级DP主站，指组态设备、编程器、或操作面板，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。

(3)DP从站，指进行输入输出信息采集和发送的外围设备(如PLC，分散式I/O，驱动器、传感器、执行机构等)

2 Profibus-DP现场总线用于水电厂机组控制的优越性

近年来，我国水电厂计算机监控系统的发展虽然较快，但由于基础薄弱，所实现的功能还比较简单，远远落后于发达国家，特别是少人值守、无人值班水电站仅仅处于起步阶段，与美、法等国家基本实现了无人值班相距甚远。

随着现场控制技术的发展，现场总线的重要性已被越来越多的人重视，现场总线产品越来越多，现场总线控制系统越来越多地应用于自动控制领域。将现场总线技术应用于水电厂控制，能使水电厂生产过程自动化程度大大提高，逐步缩短我国水电厂监控技术与国外的差距，从而赶上先进国家。具体地说，现场总线应用于水电厂机组控制具有如下优越性：

(1)实现了系统的全开放性。开放自动化系统是现场总线发展的必然趋势;

(2)实现了真正的分散控制。把控制功能下放到现场，每个控制回路完全由分散安装的现场智能仪表来实现，增强了系统数据处理的就地化;

(3)实现了全数字化通信。使系统抗干扰性和检测精度大为提高;

(4)安全可靠、组态灵活、简单易用。现场总线充分利用了用户层规定的标准的“功能模块”来组态成为系统，使控制策略的组态操作非常简单;

(5)经济效益高。现场总线构成的水电厂监控系统共用一条数据总线传递信息，总线介质丰富，节省电缆和控制设备等。

3 水电厂机组控制系统的实现

水电厂机组自动控制的基本任务是借助自动化装置来实现机组操作和油、气、水等辅助设备的逻辑控制和监视，从而实现发电过程的自动化和全厂综合自动化。我们这里所说的机组控制系统主要是实现水轮发电机组的自动开机、各种工况转换、正常停机、故障停机等功能。

水电厂控制系统设计的基本原则是：

(1)先进性。充分利用自动领域的先进技术及分层分布式全开放的结构。

(2)实用性。功能配置和设备选型以满足生产过程的实际需要为主要目标。

(3)可靠性。应选用高可靠性的工控设备，并采用冗余技术和模块化技术。

(4)经济性。注重系统的性能价格比，使投资得到满意的收益。

(5)可操作性。可进行常规自动操作或配备不同操作权限的自动操作。

(6)可维护性。系统采用模块式结构，设备故障时，只需更换相应模块即可。

(7)自动化程度高。根据“无人值班、少人值守”模式进行总体设计。

(8)适应性好。系统应能适应水电厂现场环境的要求。

(9)人机界面友好。符合水电厂运行人员操作习惯。

3.1 硬件构成

根据水电厂监控系统的特点和要求,设计系统结构如图1所示，各个功能相互独立，分别由不同部分结合相应的软件程序来实现。

图1系统结构图

图2 硬件组成

根据系统结构图，我们可以有多种方案实现，但通过综合考虑，设计硬件结构如图2所示，下面对各组成部分作具体说明：

(1)主站

一级主站采用西门子S7-300系列的CPU315-2DP?PLC作为中央控制器，由其运行整个控制程序，且实现与其它站的信息交换。[!--empirenews.page--]

二级主站采用研华工控机，包括工程师站和操作员站，都通过CP-5613DP卡与总线相连，工程师站对整个系统进行组态和编程;操作员站对整个系统进行操作、运行和监控，但不能修改组态数据和系统程序，同时还兼作局域网的服务器使用。

触摸屏采用西门子TP170A,通过MPI与S7-300?PLC的MPI通讯口相连，安装于现场，实现对S7-300的简单操作与显示相关运行参数。

(2)从站

从站的形式多种多样，?ET200M从站IM-153带模拟量输入输出模块;?从站S7-200PLC?CPU224通过EM277?DP接口与总线相连，S7-200PLC可运行自身程序，连接I/O输入输出，又可与S7-300PLC交换信息;智能仪表、智能模块直接挂在总线上，它们的CPU与 PLC的CPU并行工作，占用主机的时间很少,有利于提高PLC的扫描速度和完成特殊功能。当然也可以连接其它的更多的从站。

(3)局域网

由操作员站作服务器通过网卡、交换机、其他计算机组成局域网，客户机可以实现监视运行状态、查看报表、打印等功能，但不能操作运行系统。

从整个组成部分来看，主站实现系统的监控，从站实现数据的采集和驱动相应执行机构完成控制动作，局域网则与操作员站一起实现了信息管理功能。因此，硬件组成与系统的功能结构是一致的。

3.2 软件方案

软件部分包括硬件组态、控制程序编制和组态监控系统。

(1)硬件组态

硬件连好之后，根据硬件参数首先进行硬件配置和网络配置也就是进行组态。硬件组态是系统实现的基础，所谓“硬件组态”，就是模拟真实的PLC硬件系统，将CPU、电源和信号模块的设备安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改的过程。当用户需要修改模块的参数地址，需要设置网络通讯，需要将分布式外设连接到主站，或者从主站卸掉某个设备时的时候，都必须要做硬件组态。

本系统采用SIMATIC?S7-300的配套软件包STEP?7?V5.2完成硬件组态、参数设置、通讯测试、系统调试等。

(2)控制程序编制

编程软件包括S7-300?PLC的STEP7和S7-200PLC的MicroWIN32V3.1，使用方便，在线调试直观、便捷，有梯形图(LAD)、语句表(STL)和功能图(FBD)三种编程形式可随意切换和组合使用。首先设置变量、分配I/O地址、编辑符号表，然后根据机组控制顺序和要求绘制控制流程图，最后是编制梯形图控制程序。S7-300和S7-200编程方法上大同小异，它们之间是通过V区实现数据交换的。

(3)监控系统组态

监控软件采用西门子公司的工控组态软件SIMATIC?WinCC。WinCC包括图形设计器、报警记录、标记记录、报告设计器、全局脚本、控制中心、用户管理等功能，它集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、网络技术于一身，含有实时数据报表、历史数据报表、实时曲线、历史曲线、报表查询等控件，为工程技术人员提供一很好的二次开发平台。WinCC与S7300?PLC之间的通讯也是基于Profibus-DP总线的物理连接。运用 WinCC我们可以很方便地组态出界面美观、操作方便、功能强大的机组控制系统人机监控画面。

采用西门子专用触摸屏组态工具ProtoolV6.0对TP170A组态，方法与WinCC类似，不过要简单得多，触摸屏一般安放于控制现场，实现简单控制与显示。

3.3 运行调试

系统设计的最后一步就是运行

调试，这里采用两种方法：

(1)软件仿真调试

STEP7软件本身自带仿真软件组件，WinCC也自带有变量模拟器，可模拟一些量的输入，及时观察程序执行情况或者监控画面的实时情况，这种调试方法简单易行，可随时进行。缺点是与硬件有关的问题不能发现。

(2)硬件调试

在实验室将各种传感器与系统接好，模拟实际现场情况，进行调试，基本能排除大部分问题，如要使其更加完善，最好能到现场进行实地调试。

4 结束语

本系统采用PROFIBUS-DP现场总线网络技术实现分布式控制，网络速度快、可靠性高、开放性好、抗干扰能力强，给安装、调试和设备维护带来方便，提高了生产效率和管理水平。这种网络体系具有较高的性能价格比，并能根据用户要求扩展至各种形式和规模，各水电厂逐步采用PROFIBUS-DP技术改造传统监控系统必将为我国的水电事业做出巨大贡献。

本文作者创新点：PROFIBUS-DP现场总线网络技术在工业当中已经应用很广泛，但在水电厂中的应用还处于尝试阶段，本文针对这一现状，设计出了基于Profibus-DP现场总线的水电厂机组控制系统。