如何進行基于現(xiàn)場總線的水電廠發(fā)電機組控制系統(tǒng)設(shè)計？

現(xiàn)場總線是安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備、儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置、系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、多點、雙向通信的數(shù)據(jù)總線?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個分散的數(shù)字化智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線相連接，實現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是信息數(shù)字化、控制分散化、開放互操作性的新一代工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，是信息技術(shù)化、智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向現(xiàn)場的發(fā)展。 FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場化，具有開發(fā)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(xiàn)場級信息集成能力。它克服了傳統(tǒng)工業(yè)過程控制系統(tǒng)的投資高，傳輸精度和抗干擾性能低，系統(tǒng)不開放、可集成性差，不易安裝、維護和管理的缺點。

現(xiàn)場總線是 FCS的關(guān)鍵設(shè)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(jīng)過優(yōu)化的高速便宜的通信連接，專為自動化控制系統(tǒng)與分散的I/O設(shè)備級之間通信使用而設(shè)計的。它可取代24VDC或4-20mA信號傳輸。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。此外，ProfibusS-DP還提供智能化現(xiàn)場設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài)、診斷和報警處理及復(fù)雜設(shè)備在運行中參數(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(jié)構(gòu)：各主站間令牌傳遞，主從站間為主-從傳送。每段可達(dá)32個站，用連接器連接段，最多可達(dá)126個站。

(3)易于安裝：因為RS-485的傳輸技術(shù)簡單，雙絞線的敷設(shè)不需專業(yè)知識，總線結(jié)構(gòu)使得一個站點的裝卸載不影響其它站點的正常工作，系統(tǒng)的安裝還可以分別進行，后期安裝的系統(tǒng)不會對前期安裝的系統(tǒng)造成妨礙。

(4)診斷功能：經(jīng)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(wǎng)絡(luò)。

(6)可靠性和保護機制。

每個系統(tǒng)包括三種類型的設(shè)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(tài)設(shè)備、編程器、或操作面板，完成各站點的數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。

(3)DP從站，指進行輸入輸出信息采集和發(fā)送的外圍設(shè)備(如PLC，分散式I/O，驅(qū)動器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等)

2 Profibus-DP現(xiàn)場總線用于水電廠機組控制的優(yōu)越性

近年來，我國水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展雖然較快，但由于基礎(chǔ)薄弱，所實現(xiàn)的功能還比較簡單，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)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(xiàn)了無人值班相距甚遠(yuǎn)。

隨著現(xiàn)場控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場總線的重要性已被越來越多的人重視，現(xiàn)場總線產(chǎn)品越來越多，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)越來越多地應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域。將現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于水電廠控制，能使水電廠生產(chǎn)過程自動化程度大大提高，逐步縮短我國水電廠監(jiān)控技術(shù)與國外的差距，從而趕上先進國家。具體地說，現(xiàn)場總線應(yīng)用于水電廠機組控制具有如下優(yōu)越性：

(1)實現(xiàn)了系統(tǒng)的全開放性。開放自動化系統(tǒng)是現(xiàn)場總線發(fā)展的必然趨勢;

(2)實現(xiàn)了真正的分散控制。把控制功能下放到現(xiàn)場，每個控制回路完全由分散安裝的現(xiàn)場智能儀表來實現(xiàn)，增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的就地化;

(3)實現(xiàn)了全數(shù)字化通信。使系統(tǒng)抗干擾性和檢測精度大為提高;

(4)安全可靠、組態(tài)靈活、簡單易用。現(xiàn)場總線充分利用了用戶層規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的“功能模塊”來組態(tài)成為系統(tǒng)，使控制策略的組態(tài)操作非常簡單;

(5)經(jīng)濟效益高?，F(xiàn)場總線構(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。

3 水電廠機組控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

水電廠機組自動控制的基本任務(wù)是借助自動化裝置來實現(xiàn)機組操作和油、氣、水等輔助設(shè)備的邏輯控制和監(jiān)視，從而實現(xiàn)發(fā)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(tǒng)主要是實現(xiàn)水輪發(fā)電機組的自動開機、各種工況轉(zhuǎn)換、正常停機、故障停機等功能。

水電廠控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則是：

(1)先進性。充分利用自動領(lǐng)域的先進技術(shù)及分層分布式全開放的結(jié)構(gòu)。

(2)實用性。功能配置和設(shè)備選型以滿足生產(chǎn)過程的實際需要為主要目標(biāo)。

(3)可靠性。應(yīng)選用高可靠性的工控設(shè)備，并采用冗余技術(shù)和模塊化技術(shù)。

(4)經(jīng)濟性。注重系統(tǒng)的性能價格比，使投資得到滿意的收益。

(5)可操作性?？蛇M行常規(guī)自動操作或配備不同操作權(quán)限的自動操作。

(6)可維護性。系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，設(shè)備故障時，只需更換相應(yīng)模塊即可。

(7)自動化程度高。根據(jù)“無人值班、少人值守”模式進行總體設(shè)計。

(8)適應(yīng)性好。系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)水電廠現(xiàn)場環(huán)境的要求。

(9)人機界面友好。符合水電廠運行人員操作習(xí)慣。

3.1 硬件構(gòu)成

根據(jù)水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的特點和要求,設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，各個功能相互獨立，分別由不同部分結(jié)合相應(yīng)的軟件程序來實現(xiàn)。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 硬件組成

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，我們可以有多種方案實現(xiàn)，但通過綜合考慮，設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)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(xiàn)與其它站的信息交換。