摘 要
简要介绍了Profibus-DP现场总线的技术特点，并结合先进的PLC技术、现场总线通信技术及组态技术，设计了一种适合小型水电站的总线控制系统。重点阐述了该系统基于Profibus-DP总线的软硬件配置及网络通信的设计。
目前，我国大、中型水电站普遍采用的计算机监控系统、自动化设备和装置虽然都比较先进，但这种监控系统比较复杂，价格昂贵，不适合在小型水电站中推广应用，同时也与小水电站的自身特点不相适应。本文应用一种新的控制系统结构理念，采用先进的Profibus-DP现场总线技术和西门子公司的工业组态软件，组成以工业控制计算机（IPC）和可编程控制器（PLC）为站点的现场总线控制系统，该系统灵活多变、造价较低。
1 系统硬件配置
根据小型水电站的特点，其单机容量比较小，可靠性和安全性要求比较高，因而本监控系统选择两台工控机，采用双冗余，其中一台作为上位机，选用Profibus-DP主站、Profibus-DP从站以及I/O设备、现地设备组成现地单元层，监控系统中的PLC组和工控机以及现地设备之间通过Profibus-DP总线进行通讯。该系统结构如图1。
从站：变频器是自动化系统中的基本拖动设备。随着变频器的智能化进一步发展，现场总线技术的逐步成熟，通过网络控制智能变频器已得到广泛应用，因而选用I／O设备智能变频器作为系统从站，变频器采用西门子公司的MicroMaster420，通过光纤通信模块OSM直接挂接入Profibus-DP总线上，直接和两台PLC和IPC进行通信。
一级DP主站（DPM1）：选用两组PLC作为DPM1，CPU位于控制中心，本系统两组PLC采用Siemens公司的S7-300，CPU选用CPU315-2DP，它具有强大的处理能力，并集成了Profibus-DP现场总线接口装置，直接挂接于Profibus-DP网络，PLC程序在上位机的编程工具STEP7中编译完成后下载到CPU315，并存储在CPU315中，CPU315可自动运行该程序，根据程序内容读取所有I/O模块的状态字，控制硬件设备。其中PLC1主要完成水轮发电机组及其附属设备的测量、状态监测、控制、调节、保护、数据通信等功能，从而使水轮发电机组现地控制单元（LCU）具有很高的可靠性。PLC2主要完成开关站设备和水电站辅助设备及水工建筑物的测量、状态监测、控制、调节、保护、计量、数据通信等功能、从而使主变、线路及公用设备现地控制单元（LCU）具有很高的可靠性。
二级DP主站（DPM2）：选用工控机（IPC）作为DPM2，本系统采用研华工控机作为上位机，通过CP5611现场总线接口卡与Profibus-DP网络相连，这样IPC与Profibus-DP现场总线网段就连接为能完成组态、运行、操作等功能的完整的控制网络系统。为了保证系统的稳定性，系统运用双机冗余，两台工控机通过同样的现场总线接口卡CP5611与Profibus-DP相连，如果其中一台工控机发生故障，另一台可进行相应的监控，保证系统正常运行。
2 系统软件配置
由系统硬件的组成可把系统软件设计分为三个部分：①一级主站DP（DPM1）监控程序的设计，主要包括监控人机界面的开发和实时数据库的建立及管理；②二级主站DP（DPM2）监控程序的设计，主要包括PLC控制编程软件的设计以及Profibus-DP网络配置的组态；③从站的通信软件的设计，主要包括IPC与PLC之间的通信和PLC与I/O外围设备的通信。
2.1一级主站DP（DPM1）监控程序设计
利用监控组态软件开发DPM1监控程序，该系统采用德国西门子公司的WinCC组态软件，以动画的方式显示水电厂实际运行情况，动态显示各运行参数，将现场运行数据实时存入Excel数据库中，故障实时保护报警及记录、数据分析曲线和图表，为现场设备维护人员提供了详细的资料，使操作、维护工作变得简单易行。并且为科研人员决策分析提供了可靠数据和一个友好的用户界面。
（1）人机界面开发
应用西门子公司的WINCC组态软件开发的人机接口界面如图2。
（2）实时数据库
系统基于通用的Windows平台，采用C++Builder6.0编程，利用消息传递机制和多线程技术。调用了操作系统底层的AP1函数，使应用程序与操作系统紧密、高效的结合。实时数据库采用Borland公司的BDE引擎，对数据库和事件顺序记录（SOE）实施高效的管理。Intranet企业信息网部分采用基于TCP/IP协议的UDP广播方式，调用WinSocket AP1函数实现，系统运行高效可靠。
2.2二级主站DP（DPM2）监控程序设计
DPM2主要利用SIMATIC300的配套编程软件STEP7完成网络组态，程序控制，参数设置，系统调试和文档处理等。
由于该系统是一个基于Profibus-DP的通信网络，必须在STEP7中对硬件网络进行组态。因而选用的PLC控制编程软件STEP7是利用模块化用户程序设计方法，将高级语言中的面向对象程序设计方法应用到了此监控系统的程序设计中，实现了代码重用，大大简化了软件的开发和维护。一般地，用户程序是由组织块（OB）、功能块（FB、FC）和数据块（DB）构成。其中，OB是系统操作程序与应用程序在各种条件下的接口界面，用于控制程序的运行，FB、FC是用户子程序，DB是用户定义的用于存取数据的存储区，本系统中它是上位机监控软件与STEP7程序的数据接口点。
2.3从站通信软件设计
（1）IPC和PLC之间的通信
IPC和PLC之间通过网卡CP5611进行通信，因此在MCGS软件设计中，进行设备组态。从设备箱中选择相应的设备，如本系统使用的PROFIBUS-S7设备，然后进行属性设置主要包括基本属性、通道连接、设备调试、数据处理4个属性页，编写响应的脚本程序，实现IPC和PLC之间的通信。
（2）PLC与I/O外围设备的通信
为了实现I/O外围智能变频器的控制，必须对PLC编写相应的控制程序，实现PLC和变频器之间的数据传输。在STEP7中完成硬件网络组态，为变频器分配网络地址，该地址必须与变频器OSM板中设置的相同，并在组织块OB中选用系统功能块FBD编写程序，实现PLC对I/O外围设备的读取与通信。
3 结束语
ProfibUS-DP现场总线、工控机（IPC）及PLC构成的控制系统结构简单、应用灵活，提高了系统数据传输的速度、准确性和可靠性，给电站的安装调试和维护带来了方便。