基于profibus-dp现场总线技术在水电厂监控系统中应用的研究与设计

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基于PROFIBUS-DP现场总线技术在水电厂监控系统中应用的研究与设计院系：电气信息工程学院专业班级：自动化08-1姓名：13 摘要：介绍了Profibus-DP现场总线技术的特点和功能，结合水电厂监控的特点和要求，论述了Profibus-DP现场总线在水电厂监控系统应用中的硬件和软件设计。关键词：现场总线；Profibus-DP；水电厂；PLC；监控系统1现场总线技术概述　　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。其中“生产过程”包括断续生产过程和连续生产过程两类。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。Profibus支持Type3现场总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制，适用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。2Profibus-DP及其主要特性Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）：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／0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。总线循环时间必须要比主站（PIE）程序循环时间短。此外，Profibus-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～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，主站与从站为主一从传送。每段可达32个站，用连接器连接段，最多可达126个从站。13 　　（3）易于安装：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）DP主站和DP从站间执行循环用户数据传送，各DP从站可动态激活，并可检查组态；经过扩展的Profibus-DP诊断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。诊断信息分3级：本站诊断操作；模块诊断操作；通道诊断操作。　（5）所有信息的传输按海明距离HD=4进行；DP从站带看门狗定时器(WatchdogTimer),对DP从站的输入J输出进行存取保护；DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。　　（6）可靠性和保护机制。　　每个系统包括3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PIE，分散式I／O，驱动器、传感器、执行机构等）3PLC介绍可编程序控制器（简称PLC①）是基于计算机技术发展起来的一种工业控制器。国际电工委员会对它作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统连成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。”PLC具有可靠性高，编程简单，使用方便，控制系统构成简单等优点，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。经过30多年的发展，PLC除可以完全取代传统继电接触器控制系统的基本功能外，还具有了计算机控制系统的数据处理、联网通讯、模拟量处理等功能。3.1西门子S7系列PLC简介德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器13 在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200,S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3.2S7-200系列SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用3.2.1S7—200CPU224S7-200系列中的CPU224主要技术性能 。1．一般性能S7-200CPU224的一般性能如表4-13所示。表4-13S7-200CPU224一般性能电源电压DC24V，AC100~230V电源电压波动DC20.4-28.8V，AC84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0~550C，垂直安装0~450C，5~95%大气压860~1080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC24V（20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1~255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护13 指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37μs扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0~112计数器0~256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms~30s16个定时器，10ms~5min236个定时器，100ms~54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P=2*ROMANII，PG760P=2*ROMANII，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个2．输入特性S7-200CPU224的输入特性如表4-14所示。表4-14 S7-200CPU224输入特性类型源型或汇型输入电压DC24V，“1信号”：14-35A，“0信号”：0-5A，隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大30kHz3．输出特性S7-200CPU224输出特性如表4-15所示。表4-15 S7-200CPU224的输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC24V（20.4-28.8V）DC24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压“1信号”：最小DC20VL+/L-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“0信号”：10μsA“0信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200W13 4．扩展单元的主要技术特性S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块 S7-200CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25μs，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25μs，D/A转换时间]100μs，位数均为12位。   基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块  热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块 除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表4-16所示。表4-16 S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能类型数字量扩展模块模拟量扩展模块型号EM221EM222EM223EM231EM232EM235输入点8无4/8/163无313 输出点无84/8/16无21隔离组点数824无无无输入电压DC24V DC24V   输出电压 DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230V   A/D转换时间   <250μs <250μs分辨率   12bitA/D转换电压：12bit电流：11bit12bitA/D转换3.3S7—300系列SIMATICS7-300可编程序控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。系统组成：·中央处理单元(CPU)各种CPU有各种不同的性能，例如，有的CPU上集成有输入/输出点，有的CPU上集成有PROFI-BUS-DP通讯接口等。·信号模块(SM)用于数字量和模拟量输入/输出·通讯处理器(CP)用于连接网络和点对点连接·功能模块(FM)用于高速计数，定位操作(开环或闭环控制)和闭环控制。根据客户要求，还可以提供以下设备：·负载电源模块(PS)用于将SIMATICS7-300连接到120/230VAC电源。·接口模块(IM)用于多机架配置时连接主机架(CR)和扩展机架(ER)。S7-300通过分布式的主机架(CR)和3个扩展机架(ER)，可以操作多达32个模块。运行时无需风扇。·SIMATICM7自动化计算机AT-兼容的计算机用于解决对时间要求非常高的技术问题。它既可作为CPU，也可以作为功能模块使用。SIMATICS7-300适用于通用领域：·高电磁兼容性和强抗振动，冲击性，使其具有最高的工业环境适应性。通过PROFIBUS的过程通讯----S7-300通过通讯处理器，或通过集成在CPU上的PROFIBUS-DP接口连接到PROFIBUS-DP网络上。----带有PROFIBUS-DP主站/从站接口的CPU能够实现高速的、用户方便的分布式自动化组态。13 ----从用户观点出发，通过PROFIBUS-DP分布式I/O就像处理集中的I/O一样，具有相同的组态、地址和编程。----下列设备可以作为主站：·SIMATICS7-300(通过带PROFIBUS-DP接口CPU或通过PROFI-BUS-DP)·SIMATICS7-400(通过带PROFIBUS-DP接口的CPU或通过PROFIBUS-DPCP)·SIMATICC7(通过带PROFIBUS-DP接口的C7或通过PROFI-BUS-DPCP)·S5-115U/h，S5-135U和带IM308的S5-155U/H·带PROFIBUS-DP接口的S5-95U·SIMATIC505----由于性能的原因，在一条线上不要连接2个以上的主站。----下列设备可以作为从站：·ET200B/L/M/S/X分布式I/O设备·通过CP342-5的S7-300·CPU315-2DP，CPU316-2DP和CPU318-2DP·C7-633/pCP，C7-633DP，C7-634/PDP，C7-634DP，C7-626DP·虽然带有STEP7的编程器/PC或OP在总线中是作为主站，但它们只使用部分通过PROFIBUS-DP运行的MPI功能。西门子可编程SIEMENSS7-300系列6ES7312-5AC02-0AB0CPU312，6KRAM，本机10I/6O，MAX144DI/O，32AI/O29006ES7313-1AD03-0AB0CPU313，12KRAM，MAX128DI/O，32AI/O29006ES7314-1AE04-0AB0CPU314，24KRAM，本机10I/6O，MAX512DI/O，64AI/O42506ES7315-1AF01-0AB0CPU315，6KRAM，MAX1024DI/O，128AI/O75006ES7315-2AF03-0AB0CPU315-2DP110006ES7307-1BA00-0AA0S7-300电源DC24V，2A8606ES7307-1EA00-0AA0S7-300电源DC24V，5A11406ES7307-1KA00-0AA0S7-300电源DC24V，10A14806ES7321-1BL00-0AA0数字输入模块32点入，DC24V28006ES7321-1BH01-0AA0数字输入模块16点入，DC24V12506ES7321-1FF01-0AA08点120V/230VAC输入8806ES7322-1BL00-0AA0数字输出模块32点出，DC24V，0.5A38006ES7322-1HF01-0AA0数字输出模块8点继电器出，AC220V，2A12006ES7322-1BH01-0AA0数字输出模块16点出，DC24V，0.5A17406ES7322-1HH00-0AA0数字输出模块16点继电器输出2A24006ES7322-1FF01-0AA0数字输出模块16点可控硅输出，1A17306ES7323-1BH00-0AA0数字输入/输出模块，8入/8出，DC24V，0.5A19006ES7323-1BL00-0AA0数字输入/输出模块，16入/16出，DC24V，0.5A13 32506ES7331-7KF01-0AB0模拟量输入模块，8通道，0~10V，4~20mA48006ES7331-7KB01-0AB0模拟量输入模块，2通道15006ES7332-5HD01-0AB0模拟量输出模块，4通道，0~10V，4~20mA40006ES7332-5HB01-0AB0模拟量输出模块，2通道25006ES7340-1AH01-0AE0点对点通讯模块，CP340-1A，带RS232C口30006ES7340-1AH01-7BA0CP340软件手册3506ES7340-1CH00-0AE0点对点通讯模块，CP340-1A，带RS485口40606ES7350-1AM01-0AE0单通道计数模块（FM350-1）30006ES7350-1AH00-7BG0FM350-1组态软件手册4006ES7350-2AH00-0AE08通道计数模块（FM350-2）70006ES7951-0KD00-0AA0FlashEPROM16K6006ES7951-0KE00-0AA0FlashEPROM32K9506ES7951-0KF00-0AA0FlashEPROM64K12506ES7951-0KG00-0AA0FlashEPROM128K19006ES7951-0KJ00-0AA0FlashEPROM512K27506ES7971-1AA00-0AA0后备电池，3.4V，1Ah（CPU313，314用）1006ES7392-1AJ00-0AA0前连接器，20针1806ES7392-1AM00-0AA0前连接器，40针2806ES7390-1AE80-0AA0导轨，480mm2106ES7390-1AF30-0AA0导轨，530mm2406ES7390-1AJ30-0AA0导轨，830mm3406ES7360-3AA01-0AA0中央模板接口模板14006ES7361-3CA01-0AA0扩展模板接口模板16006ES7365-0BA01-0AA0接口模板（一对），带1M电缆9006ES7368-3BB01-0AA0接口模板连接电缆，1M4506ES7368-3BC51-0AA0接口模板连接电缆，2.5M6006ES7972-0CA21-0XA0PCMPI电缆38306ES7972-0BA40-0XA0L2网接口不带编程口3006ES7972-0BB40-0XA0L2网接口带编程口4006ES7972-0AA00-0XA0RC485L2/MPI中继器21006GK1561-1AM00CP5611PCI通讯卡43806GK1561-13AA00CP5613PCI通讯卡76506GK1342-5DA01-0XE0CP342-5通讯模块74406AV3607-1NH01TP7触摸屏5.7寸STN显示76806AV6545-0AA15TP070触摸屏5.7寸STN显示38206AV6545-0BA05TP170A触摸屏5.7寸STN显示51006AV6545-0BC15TP170B触摸屏5.7寸彩色显示，可连接S7，S8，AB，TE，三菱104806ES7353-1AH01-0AE0FM354步进电机定位模块44506ES7354-1AH01-0AE0FM354伺服电机定位模块71006ES7355-0VH10-0AE0带4个模拟输出的四通道闭环控制模块FM355C74606ES7355-1VH10-0AE0用于四个步进或脉冲控制器的闭环控制模块FM355S64503.4S7—300系列的CPU315—2DPPIE13 具有中、大规模的程序存储容量和数据结构，如果需要，可以供SIMATIC功能工具使用对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力PROFIBUSDP主站/从站接口可用于大规模的I/O配置可用于建立分布式I/O结构4Profibus-DP现场总线用于水电厂监控的优越性实现了系统的全开放性，而开放自动化系统是现场总线发展的必然趋势；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；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；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；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。5水电厂监控系统的设计方案5．1水电厂监控系统的功能要求　　水电厂计算机监控系统的监控对象包括水轮机、发电机、变压器、母线、馈电线路、厂用变、开关柜、公用设备等。根据需要，一般要求监控系统应具有以下功能：（1）数据采集与处理功能；（2）运行监视、事件报警与事故处理指导功能；（3）生产过程的控制操作功能；（4）统计记录和制表打印功能；（5）智能报警功能；（6）事故分析及故障诊断功能；（7）通信功能；（8）实时在线诊断功能。5．2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，分别由系统不同部分结合相应的软件来实现。根据系统结构图，设计硬件结构如图2所示，下面对各组成部分作具体说明：13 5．2．1主站　　一级主站采用西门子S7—300系列的CPU315—2DPPIE作为中央控制器，由其运行整个控制程序，且实现于其它站的信息交换。13 　　二级主站采用研华工控机，通过CP一5613DP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S‘／一300PIg：的MPI通讯H相连，安装于现场实现对S7300的简单操作与显示相关运行参数。5．2．2从站　　从站的形式多种多样，从站1为EI200MIM一153带模拟量输入输出模块；从站2为S7—200PIECPU224通过EM277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—300PIE交换信息；从站3为智能仪表、智能模块直接挂在总线上，它们的CPU与PIE的CPU并行工作，占用主机的时间很少，有利于提高PIE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。5．2．3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。5．3软件方案　　软件设计部分包括组态编程软件和监控软件。5．3．1组态编程软件　　系统采用SIMATICS7—300的配套软件包SrEP7V5．2完成硬件组态、参数设置、PIE程序编制、测试、调试等。STEP7运行于Windows环境下，界面友好，组态编程方便，在线调试直观、便捷，有梯形图（LAj）、语句表（STL）和功能图（FBD）3种编程形式可随意切换和组合使用。根据硬件参数首先进行硬件配置和网络配置，然后编制PIE程序，程序由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB是PIE的主监控扫描程序，用于控制程序的运行，FB、Fc是各个功能子程序块，DB数据块为存储各运行数据的区域。　　对s7—200PIE采用西门子编程工具SIEP13 7一MicmWIN32V3．1编程，方法与上述大同小异，只是要注意S7—300和S7—200是通过v区实现数据交换的。　　采用西门子专用触摸屏组态工具ProtoolV6．0对TP170A组态。5．3．2监控软件　　操作员站由于还充当局域网的服务器，故操作系统为n．dows2000服务器版，采用西门子公司的组态监控软件SIMATICWinCC．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个很好的二次开发平台。6结束语　　该监控系统采用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。13