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。