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Profibus-DP在供电监控系统中的应用

供稿:中国工控网 2016/3/25 14:00:25

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  • 关键词: ProfibusDP 现场总线 供电监控系统
  • 摘要:本文分析了PROFIBUS—DP总线的通信协议和介质层的任务处理流程,在对单主站PROFIBUS-DP总线系统中的主/从数据交换过程进行分析的基础上,给出了总线循环时间的计算公式和提高总线实时性的方法。

摘要:供电监控系统设计采用集中管理、分散布置的模式及分层分布式系统结构,系统由站级管理、网络通信、间隔设备3层组成。站级管理层设备采用工业一体化机,内网传输采用光纤以太网接口。应用0NX实时操作系统,Profibus—DP(简称DP)总线主站采用即plicomIO系列板卡。分析了DP总线技术在该系统中的技术方案及实现细节,站级管理层与1.5kV直流开关柜采用DP现场总线交互信息.DP现场总线存取控制采用典型的纯主一从控制方式。通过对PROFIBUS—DP总线协议的深刻理解,总结出与PROFIBUS—DP总线实时性相关的因素和总线循环时间T。的数学表达式,并着重讨论了令牌目标循环时间TT。的设定对系统实时性的影响。

关键词:供电监控系统;现场总线;Profibus-DP;单主站系统;

0前言

  现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场网络通信技术。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了广泛的应用。目前。已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的现场总线主要有Profibus(Processfieldbus)、HART、LonWorks、FF等。其中,ProfibusDP总线是最为流行的现场总线技术之一。其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。Profibus总线是德国国家标准DIN19245和欧洲标准EN50170的现场总线标准。是一种国际化、开放式并与制造商无关的现场总线。从用户角度看,

Profibus总线提供了3种通信协议类型[3]:Profibus—PA(ProcessAutomation),Profibus.DP(DecentralizedPeriphery)(简称DP),Profibus—FMS(FieldbusMessageSpecification)。地铁线供电监控PSCADA(PowerSupervisoryControlAndDataAcquisition)系统设计采用的是集中管理、分散布置的模式及分层分布式系统结构。现场I/O设备分散布置必然要求使用现场总线技术或网络技术实现监控系统与I/O设备交换信息。因此.在地铁PSCADA系统中的站级管理层与1.5kV直流开关柜使用.DP现场总线实现两者之间的信息交互。

   总线的实时性是评价现场总线系统性能的重要标准,即总线对外部事件的反应速度越快,实时性就越好。PROFIBUS-DP广泛应用于工业现场层,高总线传输速率的特点使其非常适合在小规模网络中完成对实时性要求高的报文传输任务。与PROFIBUS-DP总线实时性相关的时间参数主要有两个:一个是主站轮询各从站的时间,另一个是令牌在主站之间的轮转时间。与这两个时间相关的因素有很多,除了系统自身属性和协议特点外,用户对网络参数的设定也起到关键作用。以单主站PROFIBUS.DP系本文统为例,分析了与总线实时性相关的各个时间参数,推导总线循环周期的数学表达式,并给出令牌目标循环时间的确定标准。

1PROFIBUS-DP总线结构

   PROFIBUS—DP的MAC层使用基于Token—Passing方式的主从轮询协议。不同于普通以太网中各个站点有均等的权利接入总线,PROFIBUS-DP—Token-Passing网络上的各点都连接在总线上,它们拥有平等的物理地位和统一的逻辑地址,但是按照其在网络上的功能和自身智能化程度的不同分为主站(MasterStation)和从站(SlaveStation)两种类型。前者的作用是统一管理各个从站接入总线的时序,数据的收集、处理、加工和反馈主要由Pc和PLC担任;后者的作用是将采集到的现场数据上传到主站并执行主站下达的任务,一般为前端的传感器和执行器。

   PROFIBUS—DP总线上所有的主站可以定义成一个逻辑环,如图1所示,令牌作为一个特定的帧可以在此逻辑环中循环。一个系统中只有一个令牌,在任意时刻只有一个主站能够获得这个令牌,持有令牌的主站拥有总线的控制权,可以将属于它的从站接入总线并逐一与它们进行数据交换。这种工作机制确保了任何时刻PROFIBUS-DP总线上只有一个主站使用总线,避免了数据传输冲突。

2PSCADA系统结构

   地铁供电系统采用2级集中供电方式,设6个供电分区,环网电压为AC33kV。电力监控变电所自动化系统在车站主控设备室通过车站级的以太网交换机接入主控系统。电力监控变电所自动化系统采用集中管理、分散布置的模式。分层、分布式系统结构:系统由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。系统以供电设备为对象。通过网络将所内的110kV/33kV/0.4kV交流保护测控单元、1.5kV直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。电力监控变电所PSCADA系统结构如图2所示。

   站级管理层设备由通信处理机(总控单元)、液晶显示器组成.在牵引变电主所还包括当地监控计算机。通信处理机采用可靠性高、处理能力强、实时响应速度快的工业级监控计算机。通信处理机的远程网、所内网传输都采用光纤以太网接口。网络通信层提供了RS-422、RS-485和CAN、PROFIBUS-DP等现场总线接口.及以太网、光纤以太网接口.可满足自动化系统对变电所供电设备进行监控的要求.同时提供了通信接口的可扩展能力,以满足系统扩容和增加通信手段的需要。

   间隔层设备包括:1.5kV直流开关柜(包括馈线柜、进线柜和负极柜3种类型),33kVGIS(GasInsu1anceSwitchcabinet)REF542+综合测控保护单元。0.4kV开关柜智能信息采集单元。110kV线路保护,110kVGIS测控单元。110kV分段保护、主变保护,智能监控单元和时钟系统。每个变电所因其功能的不同可只包含部分间隔层设备.如1.5kV直流开关柜只存在于牵引所。在实际系统中1.5kV直流开关柜与站级管理层中的总控单元l直接构成DP总线网.下面详细分析该总线网的设计及实现方案。

31.5kV直流开关柜DP通信方案设计

   主控单元与1.5kV直流开关柜通过DP总线网交互信息。并构成系统中特殊的2层通信结构。DP总线不仅具有现场总线的共同优点.也具有特殊的优势,即能够很好地满足系统可扩展性、可靠性、实时性等苛刻的要求.为整个地铁系统长期稳定运行提供保障。

3.1通信方案设计原理及依据

   DP协议的任务只定义了用户数据通过总线在主站和子站之间的传输方式.在用户接口层定义了设备可以使用的功能以及各种类型系统和设备的行为特性.各种具体设备或DP部件的行为特性则由电子设备数据库文件(electronicdevicedatasheets。简称GSD文件)描述。DP协议不对用户数据进行评价和具体的描述.而是定义了不同的行规或者扩展功能.这就使得DP协议具有很大的灵活性.也使其在各个领域都得到广泛应用。

   DP的总线存取控制方式是典型的纯主一从控制方式.即在单主总线网络中只允许有1个1类DP主站(主动节点)和若干个从站(被动节点),逻辑令牌环只含有1个主动节点;在多主总线网络中。即使有多个1类DP主站.但1个从站只能被其中的1个DP主站配置.而不允许1个从站同时被多个DP主站配置或访问.这样.只有主动节点有权主动发送、存取由它所配置的从站设备,而从站只是被动地响应或应答主站的存取控制访问要求。在DP总线网络中.主站通过循环地与它所配置的从站交换数据.从而达到收集分散的间隔层设备信息和控制设备的目的。

3.2硬件组网方案及实现

   DP总线主站采用了apDlicomIO系列板卡.插在研华工业一体化机PCI插槽上完成DP总线的1类DP主站组网功能.板卡通过总线连接器连接到西门子公司带双光纤口的光链路模块OLM(Optical“nkModule)上,与同样连接到光链路模块OLM的1.5kV直流开关柜设备实现冗余的双光纤环网。如图3所示,在该冗余双光纤环网中.各个OLM通过2个光纤接口和全双工光纤电缆相互连接。形成光纤冗余环,主站(applieomIO板卡)和从站设备通过总线连接器接到对应的OLM的DP总线电接口上。这样,其中任何一条光纤链路出现了故障,OLM能自动切换到另外一条链路.并通过连接指示信号指示总线切换信息和传输线故障信息。以便进行进一步的故障处理而不影响系统的正常数据传输。一旦故障排除.总线链路又返回到正常的冗余状态。从而提高了系统的可靠性。

3.3系统实时性分析

   地铁供电监控系统对实时性要求很高。系统通信方案能否满足实时性要求决定了该方案能否得到应用。根据地铁的实际通信参数及软硬件环境对上述方案进行实时性分析。在本系统中,DP总线传输波特率为187.5Kbit/s.即传输1个位的时间为5.333ms。在DP总线上,包含了1个主站,9个从站;输人数据块长度最大值为48Byte,输出数据块长度最大值为28Byte。

   供电监控系统信息延时包括信息产生、信息处理、信息传输和信息显示等.其中信息处理和信息传输时间占70%。例如,当馈线柜上一个断路器产生变位。其在DPU96上I/O滤波消耗时间为3ms.内部总线运行需1ms。程序循环时间20ms:总控单元程序处理(接收和显示)时间300ms。加上信息在DP总线上循环时间70.38ms.1个变位信号从产生到传输至总控单元的时间小于500ms:再经光纤以太网上送到主控室小于1s。若是对断路器或者隔离开关的遥控输出.还应加上遥控执行回路校验时间60。100ms和机构动作时间.最大遥控输出并执行成功(无故障情况)时间小于2s。符合电力系统国家标准。从以上分析得出.在PSCADA系统中采用DP总线能对现场设备信息作出实时响应.也能对断路器或者隔离开关进行实时遥控.DP总线方案能够满足用户对实时性的要求。

4结论

   本文分析了PROFIBUS—DP总线的通信协议和介质层的任务处理流程,在对单主站PROFIBUS-DP总线系统中的主/从数据交换过程进行分析的基础上,给出了总线循环时间的计算公式和提高总线实时性的方法。并分析了令牌循环时间置对系统实时性的影响,用户在配置单主站PROFIBUS-DP总线系统时可以根据不同的系统要求来确定参数的值。在软硬件设计时利用了QNX实时操作系统的实时性和可靠性等特性,充分发挥了DP总线网的实时性优点。在DP总线网络中使用了0LM模块。组成光纤环网.加上良好的接地设计.使系统不受恶劣环境下通信线路上的电磁干扰影响,满足系统可靠性要求。

   光纤环网采用总线结构。通过通信链路的冗余.使得增加新的间隔层设备而不影响其他设备的正常工作。通过DP现场总线在PSCADA系统中的应用。极大增强了间隔层设备的信息集成能力.同时降低了系统的工程成本.提高了整个系统的可靠性和可维护性及扩展能力。

审核编辑(李晨晖)
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