Profibus-DP在北京地铁五号线变电所中的应用

1 引言 随着计算机技术、通信技术和控制技术的飞速发展，工控领域也不断产生先进的控制模式，现场总线就是顺应这一形势发展起来的新技术，其中的Profibus总线是一种完整的、国际化的、开放的、不依赖生产厂家现场总线标准。Profibus包括三个兼容部分，即Profibus-DP、Profibus -PA和Profibus -FMS。Profibus-DP是一种经过优化的高速和廉价的通信连接， 用于设备级控制系统与分散式I/0的通信；Profibus -PA适用于工业生产的过程自动化；Profibus-FMS用于面向对象的场合，在工业自动化系统中，单元层与现场层的通用目的的数据通信。 Profibus-DP可用于设备级的高速数据传送，通信控制器（如本文提到的C101）通过高速串行线同分散的现场设备(如PLC、I/O等)进行通信。Profibus-DP在用于现场层的高速数据传送时，通信控制器主站周期地读取从设备的输入信息并周期地向从站设备发送输出信息。除周期性数据传输外，Profibus-DP还提供了智能化设备所需要的非周期性通讯以进行组态、诊断和报警处理。由于Profibus-DP具有快速(数据传输速率9.6Kbps/s～12Mbps)、即插即用、高效低成本、分布式、易于安装等诸多优点，所以，在各种工业过程控制中得到了广泛的应用，被广泛应用于轨道交通、楼宇自动化、电力等相关自动化领域。由于在北京、上海、广州等很多条线路的地铁直流保护系统中选用的是西门子的直流保护测控系统，而此系统与变电所自动化系统通常采用Profibus-DP规约进行互连，因此，讨论Profibus-DP规范在北京地铁五号线变电所综合自动化系统中的应用是非常有意义的。 2 北京地铁五号线及变电所综合自动化系统概述 北京地铁五号线是北京市城市轨道交通线网规划中一条重要的南北干线，线路南起丰台区的宋家庄站、北至昌平区的太平庄北站。全线正线总长27.6km,其中地下线为16.9km,高架线为9.4km，地面线为1.3km。全线共设22座车站，除大屯、大羊坊、立水桥、太平庄和太平庄北5座车站为高架站，立水桥北站为地面站外，其余16座车站均为地下站。宋家庄站附近设1处停车场，太平庄北站附近设1处车辆段，指挥中心设在小营附近。供电系统采用10kV 开闭所双环网供电方式，全线设8座开闭所，每座开闭所从北京供电局引入两回10kV电源，开闭所分别设在宋家庄停车场、蒲黄榆站、东单站、北新桥站、和平西桥站、大屯站、立水桥北站、太平庄北车辆段。开闭所与该站点的牵引降压混合变电所或降压变电所合建，共用10kV母线。全线设AC10kV/DC750V、10/0.4kV牵引降压混合变电所14座，设10/0.4kV降压变电所11座，车辆段和停车场各设1座。 图1 北京地铁五号线变电所综合自动化系统结构图 北京地铁五号线变电所综合自动化系统采用南京南瑞集团公司生产的RT21-SAS型变电所综合自动化系统。RT21-SAS系统采用分层分布式结构。系统分为三层：站级管理层，网络通信层，间隔层。 1) 站级管理层为设置在控制信号盘内的冗余热备的通信控制器、通用测控装置和一体化监视计算机； 2) 间隔层包括分散安装于供电一次设备中的各种微机保护测控单元、信息采集设备、智能测控单元以及采用硬接点接入的现场设备。设备包括400V及10kV交流保护测控单元、750V直流保护测控单元、变压器温控器、轨电位限制装置、制动能量吸收装置、杂散电流监控单元、UPS直流屏、电度表、上网隔离开关、跟随所负荷开关等； 3) 网络通信层即为所内通信网络和接口设备，间隔单元通过所内通信网络层与站级管 理层进行数据交换。 由图1可以看出，在牵引降压混合变电所中，750V直流开关柜保护测控单元和10KV整流器监控单元通过Profibus-DP规范与NARI提供的总控系统C302进行通信（实际上，在总控C302中集成了C101通信控制器，专门用来实现Profibus-DP的通信）。 3 Profibus-DP规范在北京地铁五号线变电所综合自动化系统中的应用 如图2所示，在北京地铁五号线牵引降压混合变电所中，750V直流开关柜综合测控保护单元与RT21-SAS系统的通信接口采用就是Profibus-DP规约与C101通信控制器进行连接， C101通信控制器提供一路Profibus-DP接口与750V直流开关柜直流保护测控单元DPU96，另提供一路Profibus-DP接口与750V直流开关柜内的PLC相连。每个站在系统中设置2套协议及光电转换模块，实现Profibus－DP信息的接入。10KV的整流器监控单元与RT21-SAS系统的通信接口方案也是经过Profibus-DP规约与C101通信控制器实现互联。 图2 Profibus-DP在北京地铁五号线RT21-SAS中的应用 C101通信控制器是基于PC104的Profibus智能接口装置，它是国电南瑞（北京）控制系统有限公司系列通信控制器的重要组成部分，提供了Profibus-DP的完全解决方案。它将Profibus协议转换成与总控通信的CAN2.0B协议。它既可以作为DP主站，又可以作为DP从站。它广泛支持Profibus-DP标准的各种传输速率，最多可以连接126个Profibus从站。C101通信控制器的核心系统运行在稳定、功能强大的32位嵌入式实时多任务操作系统和南瑞开发的稳定可靠的Profibus-DP应用开发软件上，其主要功能是将Profibus总线上的输入数据转换为遥测、遥信数据，将系统的遥控、遥调、修改参数等命令转换为Profibus总线上的输出数据，根据需要还可以生成带时标的事件顺序纪录，时标的精度主要取决于Profibus的传输速率。应用软件还提供了必要的调试手段，通过Windows提供的“超级终端”软件与装置COM端口相连，就可以观察装置内的实时数据、状态、时钟等，在调试状态下还可以进行遥控操作，修改时钟、纪录等等。应用软件还提供了监视各任务运行的手段，异常情况可触发看门狗电路，让系统进行自恢复。 这样以来,北京地铁五号线变电所综合自动化系统采用Profibus-DP规约接入的现场设备分成如下三组： 1) DPU 96 ：西门子公司生产的数字式保护测控一体化装置，放置于750V直流馈线柜中，主要功能对现场750V直流馈线柜的断路器、手车等具体一次直流设备进行保护、监视、控制功能； 2) S7-300、S7-200 系列PLC :西门子系列PLC，可编程控制器，S7-300主要用于750V直流进线柜（每个牵引降压所两台）和直流负极柜（一般，每个牵引降压所一台）的断路器、电隔的监控，各种现场实时数据的采集功能（如进行电流、电压等）。S7-200主要用于750V直流馈线柜的旁路隔离开关和上网隔离开关的监控、数据采集等功能； 3) LM3401 PLC：装备在整流变压器上的小型一体化PLC，主要完成北京地铁五号线10KV的整流器（每个牵引将压混合所两台）监控功能，包括整流器的各种温度告警信息、直流电压、直流电流的实时数据采集等。 整体上，所有的现场Profibus-DP通信设备均使用Profibus-DP规约接入南瑞自主研发的C101通信控制器，C101通信控制器主要目的就是利用Profibus-DP通信规约采集底层现场设备的数据，并通过双CAN现场总线规约送往南瑞的PSCADA总控系统C302，另外，C101还将接受C302的各种控制、查询命令，对底层Profibus-DP现场设备进行实时监控，从而满足了北京地铁五号线的750V直流测控的实时数据采集、监控、继电保护等各种功能。 实现上，C101通信控制器与底层设备的数据传输速率为187.5K，C101做DP的通信主站，周期性的扫描底层设备，根据北京地铁轨道交通公司的要求，C101通信控制器提供三组Profibus通信接口，其中两组为光纤接口，一组为电接口。其中一组光纤接口连接西门子的直流测控保护装置DPU 96，另一组光纤接口连接西门子的系列PLC S7-300、S7-200完成对750V直流进线柜、负极柜、馈线柜一次设备的实时监控功能，最后一组电接口用来连接和利时的PLC LM3401，主要用来完成10KV开关柜整流器的数据采集、监视功能。之所以采用两组光纤接口是由于750V直流开关室与变电所监控中心的距离比较远（一般1～2 km），使用电接口将会导致信号衰减以致于误码率将会大大提高。 4 结束语 北京地铁五号线变电所综合自动化750直流牵引等子系统通过使用Profibus-DP现场总线，减少了现场电缆的数量和接线工作量， 降低了系统故障率，使系统的结构简化，现场安装、调试的工作量大为降低，缩短了开发周期，提高了效率。由于采用Profibus-DP现场总线方式，使其从设计、安装、调试，投运到正常生产运行及检修维护，都体现出较好的优越性。目前该系统已调试完毕，投入使用后将会达到预期的效果。 南瑞研制的C101设备控制器，用一根双绞线连接主站及从站，若要扩展DP从站， 只需将总线延伸，加入其他从站设备，不再增加布线的工作量和费用，系统扩展非常快捷。C101设备控制器同时对系统提供了强大的诊断工具，可用于检查和定位Profibus-DP网络中主站、从站的错误，这些诊断功能可用作调试、监控功能，实现了Profibus-DP现场总线分布式控制，已可以在现场稳定运行。由于Profibus-DP现场总线技术具有数据传输速度快、系统实现简单、可靠性高等优点，其必将在轨道交通系统中得到广泛的应用。 参考文献： [1] 阳宪惠.现场总线技术及其应用 北京：清华大学出版社，1999年 [2] 南瑞集团. RT21-SAS系统技术使用说明书，2004年12月 [3] 盛博科技. PC/1046235技术手册，V2.1 2005年10月 [4] 南瑞集团.C302控制器技术使用说明书，2005年07月 [5] 南瑞集团.北京地铁五号线综合监控系统技术规格书（三）－变电所部分，2005年11月