Profibus-DP在供電監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場級設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。因其具有數(shù)字化、開放性、分散性以及對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性等特點而獲得了廣泛的應(yīng)用。目前。已逐漸成熟并對工業(yè)自動化進(jìn)程形成影響的現(xiàn)場總線主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中，ProfibusDP總線是最為流行的現(xiàn)場總線技術(shù)之一。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)、電力、能源、交通等自動化領(lǐng)域。Profibus總線是德國國家標(biāo)準(zhǔn)DIN19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。是一種國際化、開放式并與制造商無關(guān)的現(xiàn)場總線。從用戶角度看，

Profibus總線提供了3種通信協(xié)議類型[3]：Profibus—PA(ProcessAutomation)，Profibus．DP(DecentralizedPeriphery)(簡稱DP)，Profibus—FMS(FieldbusMessageSpecification)。地鐵線供電監(jiān)控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系統(tǒng)設(shè)計采用的是集中管理、分散布置的模式及分層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場I／O設(shè)備分散布置必然要求使用現(xiàn)場總線技術(shù)或網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與I／O設(shè)備交換信息。因此．在地鐵PSCADA系統(tǒng)中的站級管理層與1．5kV直流開關(guān)柜使用.DP現(xiàn)場總線實現(xiàn)兩者之間的信息交互。

總線的實時性是評價現(xiàn)場總線系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，即總線對外部事件的反應(yīng)速度越快，實時性就越好。PROFIBUS-DP廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場層，高總線傳輸速率的特點使其非常適合在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中完成對實時性要求高的報文傳輸任務(wù)。與PROFIBUS-DP總線實時性相關(guān)的時間參數(shù)主要有兩個：一個是主站輪詢各從站的時間，另一個是令牌在主站之間的輪轉(zhuǎn)時間。與這兩個時間相關(guān)的因素有很多，除了系統(tǒng)自身屬性和協(xié)議特點外，用戶對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)定也起到關(guān)鍵作用。以單主站PROFIBUS．DP系本文統(tǒng)為例，分析了與總線實時性相關(guān)的各個時間參數(shù)，推導(dǎo)總線循環(huán)周期的數(shù)學(xué)表達(dá)式，并給出令牌目標(biāo)循環(huán)時間的確定標(biāo)準(zhǔn)。

1PROFIBUS-DP總線結(jié)構(gòu)

PROFIBUS—DP的MAC層使用基于Token—Passing方式的主從輪詢協(xié)議。不同于普通以太網(wǎng)中各個站點有均等的權(quán)利接入總線，PROFIBUS-DP—Token-Passing網(wǎng)絡(luò)上的各點都連接在總線上，它們擁有平等的物理地位和統(tǒng)一的邏輯地址，但是按照其在網(wǎng)絡(luò)上的功能和自身智能化程度的不同分為主站(MasterStation)和從站(SlaveStation)兩種類型。前者的作用是統(tǒng)一管理各個從站接入總線的時序，數(shù)據(jù)的收集、處理、加工和反饋主要由Pc和PLC擔(dān)任；后者的作用是將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)上傳到主站并執(zhí)行主站下達(dá)的任務(wù)，一般為前端的傳感器和執(zhí)行器。

PROFIBUS—DP總線上所有的主站可以定義成一個邏輯環(huán)，如圖1所示，令牌作為一個特定的幀可以在此邏輯環(huán)中循環(huán)。一個系統(tǒng)中只有一個令牌，在任意時刻只有一個主站能夠獲得這個令牌，持有令牌的主站擁有總線的控制權(quán)，可以將屬于它的從站接入總線并逐一與它們進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種工作機(jī)制確保了任何時刻PROFIBUS-DP總線上只有一個主站使用總線，避免了數(shù)據(jù)傳輸沖突。

2PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵供電系統(tǒng)采用2級集中供電方式，設(shè)6個供電分區(qū)，環(huán)網(wǎng)電壓為AC33kV。電力監(jiān)控變電所自動化系統(tǒng)在車站主控設(shè)備室通過車站級的以太網(wǎng)交換機(jī)接入主控系統(tǒng)。電力監(jiān)控變電所自動化系統(tǒng)采用集中管理、分散布置的模式。分層、分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)由站級管理層、網(wǎng)絡(luò)通信層、間隔設(shè)備層組成。系統(tǒng)以供電設(shè)備為對象。通過網(wǎng)絡(luò)將所內(nèi)的110kV／33kV／0．4kV交流保護(hù)測控單元、1．5kV直流保護(hù)測控單元、交直流電源系統(tǒng)監(jiān)控單元等間隔層設(shè)備連接起來。電力監(jiān)控變電所PSCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

站級管理層設(shè)備由通信處理機(jī)(總控單元)、液晶顯示器組成．在牽引變電主所還包括當(dāng)?shù)乇O(jiān)控計算機(jī)。通信處理機(jī)采用可靠性高、處理能力強(qiáng)、實時響應(yīng)速度快的工業(yè)級監(jiān)控計算機(jī)。通信處理機(jī)的遠(yuǎn)程網(wǎng)、所內(nèi)網(wǎng)傳輸都采用光纖以太網(wǎng)接口。網(wǎng)絡(luò)通信層提供了RS-422、RS-485和CAN、PROFIBUS-DP等現(xiàn)場總線接口．及以太網(wǎng)、光纖以太網(wǎng)接口．可滿足自動化系統(tǒng)對變電所供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控的要求．同時提供了通信接口的可擴(kuò)展能力，以滿足系統(tǒng)擴(kuò)容和增加通信手段的需要。

間隔層設(shè)備包括：1．5kV直流開關(guān)柜(包括饋線柜、進(jìn)線柜和負(fù)極柜3種類型)，33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+綜合測控保護(hù)單元。0．4kV開關(guān)柜智能信息采集單元。110kV線路保護(hù)，110kVGIS測控單元。110kV分段保護(hù)、主變保護(hù)，智能監(jiān)控單元和時鐘系統(tǒng)。每個變電所因其功能的不同可只包含部分間隔層設(shè)備．如1．5kV直流開關(guān)柜只存在于牽引所。在實際系統(tǒng)中1.5kV直流開關(guān)柜與站級管理層中的總控單元l直接構(gòu)成DP總線網(wǎng)．下面詳細(xì)分析該總線網(wǎng)的設(shè)計及實現(xiàn)方案。

31.5kV直流開關(guān)柜DP通信方案設(shè)計

主控單元與1．5kV直流開關(guān)柜通過DP總線網(wǎng)交互信息。并構(gòu)成系統(tǒng)中特殊的2層通信結(jié)構(gòu)。DP總線不僅具有現(xiàn)場總線的共同優(yōu)點．也具有特殊的優(yōu)勢，即能夠很好地滿足系統(tǒng)可擴(kuò)展性、可靠性、實時性等苛刻的要求．為整個地鐵系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行提供保障。

3.1通信方案設(shè)計原理及依據(jù)

DP協(xié)議的任務(wù)只定義了用戶數(shù)據(jù)通過總線在主站和子站之間的傳輸方式．在用戶接口層定義了設(shè)備可以使用的功能以及各種類型系統(tǒng)和設(shè)備的行為特性．各種具體設(shè)備或DP部件的行為特性則由電子設(shè)備數(shù)據(jù)庫文件(electronicdevicedatasheets。簡稱GSD文件)描述。DP協(xié)議不對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行評價和具體的描述．而是定義了不同的行規(guī)或者擴(kuò)展功能．這就使得DP協(xié)議具有很大的靈活性．也使其在各個領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

DP的總線存取控制方式是典型的純主一從控制方式．即在單主總線網(wǎng)絡(luò)中只允許有1個1類DP主站(主動節(jié)點)和若干個從站(被動節(jié)點)，邏輯令牌環(huán)只含有1個主動節(jié)點；在多主總線網(wǎng)絡(luò)中。即使有多個1類DP主站．但1個從站只能被其中的1個DP主站配置．而不允許1個從站同時被多個DP主站配置或訪問．這樣．只有主動節(jié)點有權(quán)主動發(fā)送、存取由它所配置的從站設(shè)備，而從站只是被動地響應(yīng)或應(yīng)答主站的存取控制訪問要求。在DP總線網(wǎng)絡(luò)中．主站通過循環(huán)地與它所配置的從站交換數(shù)據(jù)．從而達(dá)到收集分散的間隔層設(shè)備信息和控制設(shè)備的目的。

3.2硬件組網(wǎng)方案及實現(xiàn)

DP總線主站采用了apDlicomIO系列板卡．插在研華工業(yè)一體化機(jī)PCI插槽上完成DP總線的1類DP主站組網(wǎng)功能．板卡通過總線連接器連接到西門子公司帶雙光纖口的光鏈路模塊OLM(Optical“nkModule)上，與同樣連接到光鏈路模塊OLM的1.5kV直流開關(guān)柜設(shè)備實現(xiàn)冗余的雙光纖環(huán)網(wǎng)。如圖3所示，在該冗余雙光纖環(huán)網(wǎng)中．各個OLM通過2個光纖接口和全雙工光纖電纜相互連接。形成光纖冗余環(huán)，主站(applieomIO板卡)和從站設(shè)備通過總線連接器接到對應(yīng)的OLM的DP總線電接口上。這樣，其中任何一條光纖鏈路出現(xiàn)了故障，OLM能自動切換到另外一條鏈路．并通過連接指示信號指示總線切換信息和傳輸線故障信息。以便進(jìn)行進(jìn)一步的故障處理而不影響系統(tǒng)的正常數(shù)據(jù)傳輸。一旦故障排除．總線鏈路又返回到正常的冗余狀態(tài)。從而提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.3系統(tǒng)實時性分析

地鐵供電監(jiān)控系統(tǒng)對實時性要求很高。系統(tǒng)通信方案能否滿足實時性要求決定了該方案能否得到應(yīng)用。根據(jù)地鐵的實際通信參數(shù)及軟硬件環(huán)境對上述方案進(jìn)行實時性分析。在本系統(tǒng)中，DP總線傳輸波特率為187．5Kbit／s．即傳輸1個位的時間為5．333ms。在DP總線上，包含了1個主站，9個從站；輸人數(shù)據(jù)塊長度最大值為48Byte，輸出數(shù)據(jù)塊長度最大值為28Byte。

供電監(jiān)控系統(tǒng)信息延時包括信息產(chǎn)生、信息處理、信息傳輸和信息顯示等．其中信息處理和信息傳輸時間占70％。例如，當(dāng)饋線柜上一個斷路器產(chǎn)生變位。其在DPU96上I／O濾波消耗時間為3ms．內(nèi)部總線運行需1ms。程序循環(huán)時間20ms：總控單元程序處理(接收和顯示)時間300ms。加上信息在DP總線上循環(huán)時間70．38ms．1個變位信號從產(chǎn)生到傳輸至總控單元的時間小于500ms：再經(jīng)光纖以太網(wǎng)上送到主控室小于1s。若是對斷路器或者隔離開關(guān)的遙控輸出．還應(yīng)加上遙控執(zhí)行回路校驗時間60。100ms和機(jī)構(gòu)動作時間．最大遙控輸出并執(zhí)行成功(無故障情況)時間小于2s。符合電力系統(tǒng)國家標(biāo)準(zhǔn)。從以上分析得出．在PSCADA系統(tǒng)中采用DP總線能對現(xiàn)場設(shè)備信息作出實時響應(yīng)．也能對斷路器或者隔離開關(guān)進(jìn)行實時遙控．DP總線方案能夠滿足用戶對實時性的要求。

4結(jié)論

本文分析了PROFIBUS—DP總線的通信協(xié)議和介質(zhì)層的任務(wù)處理流程，在對單主站PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)中的主／從數(shù)據(jù)交換過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，給出了總線循環(huán)時間的計算公式和提高總線實時性的方法。并分析了令牌循環(huán)時間置對系統(tǒng)實時性的影響，用戶在配置單主站PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)時可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求來確定參數(shù)的值。在軟硬件設(shè)計時利用了QNX實時操作系統(tǒng)的實時性和可靠性等特性，充分發(fā)揮了DP總線網(wǎng)的實時性優(yōu)點。在DP總線網(wǎng)絡(luò)中使用了0LM模塊。組成光纖環(huán)網(wǎng)．加上良好的接地設(shè)計．使系統(tǒng)不受惡劣環(huán)境下通信線路上的電磁干擾影響，滿足系統(tǒng)可靠性要求。

光纖環(huán)網(wǎng)采用總線結(jié)構(gòu)。通過通信鏈路的冗余．使得增加新的間隔層設(shè)備而不影響其他設(shè)備的正常工作。通過DP現(xiàn)場總線在PSCADA系統(tǒng)中的應(yīng)用。極大增強(qiáng)了間隔層設(shè)備的信息集成能力．同時降低了系統(tǒng)的工程成本．提高了整個系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性及擴(kuò)展能力。