1 引言

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域的新技術(shù)。本文通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)總線的技術(shù)與使用特點(diǎn)，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明了此結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。論文以現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS為例，深入分析現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)模型和連接方式，介紹了PROFIBUS-DP在某電廠的實(shí)際應(yīng)用，并探討了現(xiàn)場(chǎng)總線在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展。

　　水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)就是根據(jù)對(duì)表征機(jī)組運(yùn)行狀況特性的參量跟蹤監(jiān)測(cè)值是否超出正常運(yùn)行范圍來(lái)判斷運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)是正常、異常或故障，避免和減少更嚴(yán)重的機(jī)組損壞和無(wú)計(jì)劃的停產(chǎn)檢修。狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要目的是使機(jī)器良性運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間達(dá)到化，將停機(jī)時(shí)間降為，為設(shè)備的狀態(tài)檢修、實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班"（少人值守）提供可靠的依據(jù)。是國(guó)內(nèi)外近幾年來(lái)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題解決這一問(wèn)題的有效途徑在于及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，有針對(duì)性地維護(hù)設(shè)備，減少設(shè)備的突發(fā)性故障和提高設(shè)備利用率，并逐步實(shí)現(xiàn)由定期維修體制向狀態(tài)檢修體制的轉(zhuǎn)變。因此，水力機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷是實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班"（少人值守）的重要保證。

　　目前常用的一對(duì)一模式通常是把傳感器或執(zhí)行機(jī)構(gòu)一對(duì)一的接入PLC或其他數(shù)據(jù)采集模塊，因此，一個(gè)設(shè)備就要有一組電源、一組信號(hào)，需要龐大的電源與信號(hào)電纜從而使系統(tǒng)復(fù)雜化。而且很多水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性、容錯(cuò)性、靈活性等方面還存在很多局限性。使得系統(tǒng)功能擴(kuò)充、升級(jí)比較困難，缺少可移植性和通用性；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本高，可靠性不夠好。此外，總線技術(shù)與智能設(shè)備配合使用，可以使遠(yuǎn)端設(shè)備獨(dú)立工作，在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)能獨(dú)立運(yùn)行。本文作者開(kāi)發(fā)了一套基于PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的、性能價(jià)格比較高、適用于中小型水電廠、使用和維護(hù)方便的監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

　　2 Profi bus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

　　2.1 概述[1]

　　PROFIBUS,是一種國(guó)際化。開(kāi)放式。不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。PROFIBUS傳送速度可在 9.6kbaud~12Mbaud范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。廣泛適用于制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通電力等其他領(lǐng)域自動(dòng)化。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　PROFIBUS–DP:是一種高速低成本通信，用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代辦24VDC或4-20mA信號(hào)傳輸。專為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)分散IO節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)；PORFIBUS-PA:專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，適合于本質(zhì)安全的場(chǎng)合，可使傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)在一根總線上，并有本征安全規(guī)范。PROFIBUS-FMS:用于車間級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)令牌結(jié)構(gòu)。實(shí)時(shí)多主網(wǎng)絡(luò)。為車間級(jí)通信任務(wù)提供了大量的通信服務(wù)。PROFIBUS是一種用于工廠自動(dòng)化車間級(jí)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層數(shù)據(jù)通信與控制的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層到車間級(jí)監(jiān)控的分散式數(shù)字控制和現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，從而為實(shí)現(xiàn)工廠綜合自動(dòng)化和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化提供了可行的解決方案。

　　本文使用的Profibus- DP是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高速、廉價(jià)通信連接，專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和設(shè)備級(jí)分散I/0設(shè)備之間通信設(shè)計(jì)，使用Profibus- DP模塊可以取代價(jià)格昂貴的24V或0-20mA并行信號(hào)線，用于分布式控制系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸，其傳輸速率可達(dá)12Mbit/s,一般構(gòu)成單主站系統(tǒng)；

　　2.2 通信協(xié)議

　　通信協(xié)議（communications protocol）是指雙方實(shí)體完成通信或服務(wù)所必須遵循的規(guī)則和約定。協(xié)議定義了數(shù)據(jù)單元使用的格式，信息單元應(yīng)該包含的信息與含義，連接方式，信息發(fā)送和接收的時(shí)序，從而確保網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)順利地傳送到確定的地方。

　　Profibus通信協(xié)議通過(guò)ISO/OSI參考模型第2層實(shí)現(xiàn)，在Profibus中第2層被稱為現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)據(jù)鏈路FDL（fieldbusdatatink），Profibus總線上的設(shè)備包括主站和從站。因此Profibus通信協(xié)議包括主站之間的令牌傳遞協(xié)議和主、從站之間的主從協(xié)議。令牌傳遞協(xié)議確保每個(gè)主站有足夠的時(shí)間履行它的通信任務(wù)，主從協(xié)議保證主站在令牌持有時(shí)間內(nèi)與從站的通信。

　　2.3 PrOf1bus-DP的傳輸技術(shù)[2]

　　此網(wǎng)關(guān)PROFIBUS-DP部分采用協(xié)議芯片VPC3+C,其內(nèi)部含有4KB RAM,用戶可根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)置；有兩種微處理器接口，數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用或單獨(dú)操作。因?yàn)锳RM核對(duì)外部RAM操作的速度較快，時(shí)序不能滿足VPC3+C的操作時(shí)序，因此這里不采用數(shù)據(jù)/地址總線復(fù)用的方式，而是用ARM的GPIO口來(lái)模擬VPC3+C的操作時(shí)序。

　　Profibus提供了三種數(shù)據(jù)傳輸類型?。河糜贒P和FMS的RS485傳輸、用于PA的IECll58-2傳輸和光纖傳輸技術(shù)。RS485傳輸是Profibus常用的一種傳輸技術(shù)，這種技術(shù)通常稱之為H2,采用的電纜是屏蔽雙絞銅線，RS485傳輸技術(shù)基本特征如下：（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕€性總線，兩端有有源的總線終端電阻；（2）傳輸速率：9.6k'12Mbit/s:（3）介質(zhì)：雙絞屏蔽電纜，也可取消屏蔽，取決于環(huán)境條件（EMc）：（4）站點(diǎn)數(shù)：不帶中繼器每分段32個(gè)站，帶中繼器可多達(dá)127個(gè)站；（5）插頭連接：使用9針D型插頭；

　　2.4 Profi bus-DP的設(shè)備類型

　　Profibus-DP#tA,~:構(gòu)成單主站或多主站系統(tǒng)，系統(tǒng)配置的描述包括站數(shù)、站地址、輸入/輸出地址、輸人數(shù)， Profilms-DP系統(tǒng)可包括以下三種不同類型設(shè)備。

　?。?）DP主站（DPM1）。DP主站是中央控制器，它在預(yù)定的信息周期內(nèi)與分散的站（如DP從站）交換信息，典型的DPM1如PLC或PC.

　?。?）二級(jí)DP主站（DPM2）。二級(jí)DP主站是編程器、組態(tài)設(shè)備或操作面板，在DP系統(tǒng)組態(tài)操作時(shí)使用，完成系統(tǒng)操作和監(jiān)視目的。

　?。?）DP從站。DP從站是進(jìn)行輸入和輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備。

　　2.5 Profi bus-DP系統(tǒng)行為

　　系統(tǒng)行為主要取決于DMPl的操作狀態(tài)，這些狀態(tài)由本地或總線的配置設(shè)備所控制，主要有以下三種狀態(tài)。運(yùn)行：輸入和輸出數(shù)據(jù)的循環(huán)傳送，DPM l由DP從站讀取輸入信息并向DP從站寫入輸出信息。DMPl讀取DP從站的輸入信息并使輸出信息保持為故障或安全狀態(tài)。停止：只能進(jìn)行主一主數(shù)據(jù)傳送，DMP1和DP從站之間沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送。

　　3 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

　　3.1監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

　　本監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)、Profibus-DP主站、Profibus-DP從站及其現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備組成。

　　如圖l所示。監(jiān)控系統(tǒng)中三組PLC和工控機(jī)（服務(wù)器）之間通過(guò)Profibus-DP總線進(jìn)行通信。如圖1所示。

　　主站：兩組PLC作為DP主站，CPU位于控制中心，本系統(tǒng)的PLC采用Siemens公司的S7-300,處理器均為CPU3l5-2DP,它具有強(qiáng)大的處理能力，并集成了Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，直接掛接于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)。PLC程序在上位機(jī)的編程工具STEP7中編譯完成后到CPU3 1 5,并存儲(chǔ)在CPU315中，CPU315可自動(dòng)運(yùn)行該程序，根據(jù)程序內(nèi)容讀取所有I/O模塊的狀態(tài)字，控制硬件設(shè)備。

　　二級(jí)主站：上位機(jī)是DP類型二類主站。本系統(tǒng)采用研華工控機(jī)作為上位機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP56 1 3使工控機(jī)接入DP網(wǎng)絡(luò)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)運(yùn)用雙機(jī)冗余，兩臺(tái)工控機(jī)通過(guò)同樣的現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡CP5613與現(xiàn)場(chǎng)總線相連，如果其中一臺(tái)工控機(jī)發(fā)生故障，另一臺(tái)可進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

　　3.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括三大部分，其一為上位機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)運(yùn)行需要的水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)控主界面、報(bào)表生成和數(shù)據(jù)查詢界面等人機(jī)界面的設(shè) 其二為PLC控制程序的設(shè)計(jì)，其中包括系統(tǒng)Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、系統(tǒng)硬件組態(tài)、控制程序設(shè)計(jì)等；其三為通信程序設(shè)計(jì)，通信程序主要包括上位機(jī)和PLC之間的通信，PLC對(duì)被控對(duì)象的控制程序，上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)試的通信三個(gè)方面。

　　3.2.1 上位機(jī)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)是指人可以直接發(fā)出操控命令的計(jì)算機(jī)，一般是PC,屏幕上顯示各種信號(hào)變化（液壓，水位，溫度等）。下位機(jī)是直接控制設(shè)備獲取設(shè)備狀況的計(jì)算機(jī)，一般是PLC/單片機(jī)之類的。上位機(jī)發(fā)出的命令首先給下位機(jī)，下位機(jī)再根據(jù)此命令解釋成相應(yīng)時(shí)序信號(hào)直接控制相應(yīng)設(shè)備。下位機(jī)不時(shí)讀取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)反饋給上位機(jī)。簡(jiǎn)言之如此，實(shí)際情況千差萬(wàn)別，但萬(wàn)變不離其宗：上下位機(jī)都需要編程，都有專門的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

　　本文利用監(jiān)控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)上位機(jī)監(jiān)控程序，監(jiān)控組態(tài)軟件是面向監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集的軟件平臺(tái)工具，本系統(tǒng)選用西門子公司的WINCC組態(tài)軟件來(lái)完成監(jiān)控畫面的組態(tài)，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立以及生產(chǎn)報(bào)表的形成，系統(tǒng)用戶管理等。

　?。?）監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)

　　本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面主要有以下幾部分。l、水電廠實(shí)際運(yùn)行主界面：根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際，動(dòng)態(tài)顯示水電廠實(shí)際運(yùn)行隋況。2、監(jiān)控界面：根據(jù)生產(chǎn)要求，組態(tài)監(jiān)控界面，包括運(yùn)行方式、溫度和壓力的越限報(bào)警、導(dǎo)葉開(kāi)度、閥門開(kāi)度、有功、無(wú)功、水頭等。3、報(bào)表生成以及數(shù)據(jù)查詢界面：根據(jù)要求，自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，包括值班報(bào)表、日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表，輸出查詢主要設(shè)置按時(shí)間隨機(jī)查詢?nèi)魏我粋€(gè)時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

　?。?）數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和用戶管理

　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是本系統(tǒng)的，也是應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，系統(tǒng)各部分均以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)公用區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化處理。數(shù)據(jù)庫(kù)的建立主要包括數(shù)據(jù)對(duì)象的建立和數(shù)據(jù)對(duì)象屬性設(shè)置兩部分；用戶管理主要用于設(shè)置系統(tǒng)的操作權(quán)限，因此對(duì)系統(tǒng)的操作權(quán)限提出了較高的要求，操作權(quán)限分工程師和操作員等級(jí)別，系統(tǒng)啟動(dòng)和退出、運(yùn)行參數(shù)的給定等必須具有相應(yīng)的操作權(quán)限。

　　3.2.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

　　PLC 可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時(shí)，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。是工業(yè)控制的部分。

　　本系統(tǒng)采用SIMATICS7-300的配套編程工具STEP7完成硬件組態(tài)、參數(shù)設(shè)置、PLC程序編制、測(cè)試、調(diào)試和文檔處理。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)硬件組態(tài)

　　本監(jiān)控系統(tǒng)是基于Profibus-DP的一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，在STEP7中，必須進(jìn)行硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。如本系統(tǒng)的兩個(gè)SIMATIC 300站，兩個(gè)SIMATIC PC Station,還要插入對(duì)象Profibus-DP,對(duì)于每個(gè)不同的對(duì)象，可以打開(kāi)本對(duì)象的屙陛對(duì)話框，設(shè)置相應(yīng)的屬性。對(duì)于每個(gè)對(duì)象，還必須進(jìn)行硬件組態(tài)，如SIMATIC 300的機(jī)架、CPU模塊、電源模塊和輸入輸出模塊（I/O）等；

　?。?）PLC控制程序設(shè)計(jì)

　　通常，用戶程序由組織塊（OB）、功能塊和數(shù)據(jù)構(gòu)成。其中，OB是系統(tǒng)操作程序與應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行，F(xiàn)B、FC是用戶子程序，DB是用戶定義的用于存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)，本系統(tǒng)中它是上位機(jī)監(jiān)控軟件與STEP7程序的數(shù)據(jù)接口點(diǎn)。

　　基于$7-300 PLC的編程軟件STEP7是利用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，由于其中許多模塊功能相近，只是參數(shù)不同，實(shí)現(xiàn)了代碼重用，大大簡(jiǎn)化了軟件的開(kāi)發(fā)和維護(hù)。

　　3.2.3 通信程序的設(shè)計(jì)

　　通信程序主要包括上位機(jī)和PLC之間的通信，PLC對(duì)被控對(duì)象的控制程序，上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)試的通信三個(gè)方面。

　?。?）上位機(jī)和PLC之間的通信

　　根據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì)，上位機(jī)和PLC之間通過(guò)網(wǎng)卡CP5613進(jìn)行通信，因此在WINCC軟件設(shè)計(jì)中，進(jìn)行設(shè)備組態(tài)。從設(shè)備箱中選擇相應(yīng)的設(shè)備，進(jìn)行屬性設(shè)置，主要包括基本屬性、通道連接、設(shè)備調(diào)試、數(shù)據(jù)處理四個(gè)屬性頁(yè)，編寫響應(yīng)的腳本程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC之間的通信。

　?。?）PLC對(duì)被控對(duì)象的控制程序

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，必須對(duì)PLC編寫相應(yīng)的控制程序，實(shí)現(xiàn)PLC和被控對(duì)象之間的數(shù)據(jù)傳輸，在STEP7中完成硬件網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，為被控對(duì)象分配網(wǎng)絡(luò)地址；在組織塊OB中選用SFC14"DPRD-DAT"系統(tǒng)功能塊，編寫程序，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)被控對(duì)象數(shù)據(jù)的讀取；通過(guò)調(diào)用SFC15"DPWR-DAT"系統(tǒng)功能塊實(shí)現(xiàn)向與被控對(duì)象相應(yīng)的模塊寫數(shù)據(jù)。

　?。?）上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度的通信

　　為了把機(jī)組的實(shí)際隋況及時(shí)傳送到遠(yuǎn)程調(diào)試部門，以及把遠(yuǎn)程調(diào)度的命令及時(shí)傳送到上位機(jī)，需要將t位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度聯(lián)系起來(lái)。本系統(tǒng)中采用工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和遠(yuǎn)程調(diào)度間的通[4].

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　目前，PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以它先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛地應(yīng)用，本文就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)使用的嘗試。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，利用了當(dāng)前比較流行的監(jiān)控組態(tài)軟件WINCC進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大節(jié)省了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的可靠性、通用性及可擴(kuò)充性，大大簡(jiǎn)化了軟件的開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作。通過(guò)Profibus-DP總線，主站與從站機(jī)（機(jī)組控制系統(tǒng)）構(gòu)成了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用靈活的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比，并能根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行擴(kuò)充。