PROFIBUS现场总线在大型水电站机组控制系统中的应用

1、引言

　　PROFIBUS是一种开放式现场总线，它是适用于各种任务的最优化网络，网络配置灵活，即使在非常恶劣的环境中也能可靠、稳定运行。 PROFIBUS由三个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation过程自动化）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification现场总线信息规范），它们有其各自独特之处，而实际上又根据应用要求常常构成混合网络结构，博取众长。本文结合天生桥二级电站机组控制系统中的控制设备，详细分析Profibus-DP现场总线，着重从控制可靠性、联网特点、经济性等方面进行探讨。

　　PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本征安全规范。实质上，PROFIBUS-PA就是“PROFIBUS-DP通信”+“对现场设备优选的传输技术”。PA将自动化系统和过程控制系统与压力、温度和液位变送器等现场设备连接起来，PA可用来替代4-20mA的模拟技术。PROFIBUS-PA最最主要特性是，在过程自动化的PROFIBUS-PA段与PROFIBUS-DP总线段之间通过藕合器连接，并实现两段间的透明通信，使用与IEC1158-2技术相同的双绞线完成远程供电和数据传送。PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能来传送测量值和状态。目前，PROFIBUS-PA行规已对所有通用的测量变送器和其它选择的一些设备类型作了具体规定，这些设备如：测量压力、液位、温度和流量的变送器；数字量输入和输出；模拟量输入和输出；阀门；定位器。PROFIBUS-PA的优势在于它可以节省50%以上的规划、设计、安装成本，此外，本质安全能力和一个组态工具对所有仪器仪表都适用。

2、天生桥二级电站机组原控制系统组成

　　天生桥二级电站位于贵州、广西交界的南盘江上，属于珠江流域水系，电站装机6x220MW混流式水轮发电机组，电站型式为引水式。电站开工于1982年，1992年12月第一台机组投产，2001年4月6台机组全部安装完毕。电站设计原采用计算机监控为主，常规监控为辅的方式，计算机监控系统分为两期工程实施，第一期工程在机组层实现单机控制自动化，在全站采用常规集中监控系统，第二期工程实现上位机系统和开关站远程自动化控制。

　　1992年机组投产时采用了Siemens公司的S5-150H程控器作为机组控制器（LCU），但一直未能实现机组自动开停机，主要原因是机组自动化元件选型不合理，机组部分辅助设备可靠性不高所至。1995年启动第二期工程，对全站计算机监控系统进行国际招标，美国ABB SYSTEM CONTROL公司中标，由于ABB SC提出与Siemens公司的程控器通讯存在问题，因此由ABB SC提供HARRIS制造的D20 LCU取代原1-4#机组的S5-150H，1996年开始安装，1997年初投入运行。但投运以来，系统一直运行不稳定，经ABB SC技术人员多次处理未能取得改善，当时机组还不能实现远方自动开停机等基本监控功能。

‍‍2.1原机组控制系统存在的问题‍‍

　　二级电站机组控制的设计原则是以计算机监控为主，常规监控系统为辅。实际的设计没有按照此原则进行。原来的设计中采用了很多继电逻辑回路，这些回路本身并未构成一个完整的系统，而是穿插在LCU的回路中，这些回路并不能对机组整体进行有效的控制，使得在LCU与现场设备间仍然存在着继电逻辑回路，如辅助设备继电器屏（P13）、机械保护屏（P9）等，其中大量的输入信号并未直接引入LCU，而是经过一些中间继电器、掉牌信号继电器等中转后引入LCU，这些信号在异常情况下如电源掉电，或者是信号继电器掉牌后未能复归而信号再次发生时是不可能反应现场设备的实际状态，这对于今后实现少人值班时机组运行的安全保障有严重的威胁；而在DO回路上也存在着很多不合理之处。对于P13屏来说，原来设计的推力高压油减载装置在更换塑料瓦以后已经取消，故该回路已经失去意义；加热器、吸尘器、推力气密封风机的控制回路在P13屏内仅仅是一只中间继电器，而LCU的输出继电器已经可以直接启动这些装置，因此可以将该回路改为直通；最不合理的是所有的电磁阀在P13屏内并未有逻辑回路，仅仅是端子转接，增加了接线的复杂性。由于设计中对机组流程设计不够合理，需要在现场进行大量的更改，而很多功能的修改需要LCU软件和常规继电逻辑进行修改，再加上现场自动化元件的选型问题，造成了初期机组不能实现自动开停机。因此简化回路接线，理清控制逻辑关系，建立一个以LCU为核心的机组控制系统，对于机组安全运行、减轻维护人员工作量、真正实现少人值班电站是非常重要的。

　　同时根自动化元件在选型方面仍存在很多问题，如很多电磁阀采用单稳态形式，这在计算机控制系统中是比较忌讳的，因为计算机控制系统的设计中指出，对执行元件的选择应该尽量采用双稳态形式，在系统故障时控制对象必须保持在稳定状态。另一方面，自动化元件的工作环境在设计中均没有很好考虑，如空气电磁阀的压缩空气质量问题、油回路电磁阀油的污染和进水的问题，使自动化元件不能工作在良好的工况下，自然动作成功率就低。

　　应在基于最终实现少人值班的前提下对设备各部的监视点进行重新配置，应考虑能对运行人员或检修人员提供完整的设备信息，并为以后实现检修信息系统提供数据，为逐步实现状态检修创造条件。元件选型应大胆采用新技术、新产品，提高元件的可靠性，延长元件的检验周期。

　　流程的设计人员对现场工作的了解不够，对流程中的重点对象和危险点没有把握，设计出来的流程让现场工作人员看了无法接受。二级电站的机组流程原来就有一个问题，机组开机过程中失败，流程直接退出不管，根本没有考虑机组当时是处于怎样的状态，结果是调速器故障切到手动，而机组导叶处于开机第一开度，最终机组过速。因此流程的设计应该是智能化的，在非正常情况下应有相应的处理措施，将机组维持在一个安全稳定的状态，即应始终遵循“故障导向安全”的设计原则。因此流程的设计应该是由有丰富经验的现场安装、运行人员参与设计才能保证其实用性，也是系统成功的重要原因。

3、Profibus-DP现场总线

　　由于天生桥二级电站原控制系统存在上述问题，为了保证机组运行的安全，提高自动化运行水平，急需改变目前这种状态，将机组的控制转移到以LCU为核心的控制方式上来，彻底甩掉原有的介于LCU与现场设备间的继电逻辑，简化接线，将原有结构中大量硬逻辑变为基于软件的软逻辑系统。同时在接线中将借鉴计算机网络结构化、模块化的接线方式，规范布线系统，使外部线缆一次性安装到位，将检修人员今后的工作范围减少到屏柜（端子箱）内部，即今后回路的修改仅限于屏柜（端子箱）内部各端子排间的跳线，方便了检修人员工作并减少故障率。所以天厂桥发电总厂决定采用现场总线实现对机组的控制。

　　PROFIBUS是一种开放式现场总线，它是适用于各种任务的最优化网络，网络配置灵活，即使在非常恶劣的环境中也能可靠、稳定运行。PROFIBUS-DP是一种高速低成本通信，用于现场层设备级控制系统与分散式I／O的通信。使用PROFIBUS-DP可取代办24VDC或4-20mA信号传输。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。总线循环时间必须要比主站（PLC）程序循环时间短。除周期性用户数据传输外，PROFIBUS-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。能进行自动化系统的柔性和模块化设计，要直接与执行器、传感器接口相连接。

　　PROFIBUS-DP可以灵活、可靠地构建一个实用网络，并具有很高的性价比，最近几年PROFIBUS-DP现场总线得到迅速推广应用。在实时响应要求高和数据交换量不大的现场，适宜选用PROFIBUS-DP，它可以在一定的区域内建立一个相对独立的监控系统，再以这样一个子网络接入到较大的计算机监控系统。

4、全厂控制系统拓扑结构

　　天生桥二级电站机组控制系统中，采用总线网络拓扑结构，将各个控制器、智能仪表挂接在现场总线上。在天生桥二级电站控制系统中，最典型的现场控制器就是PLC，采用的PLC是西门子的S7-300系列中的S7-315-2DP、施奈德的MODICON-984。现场智能仪表设备有绝对型编码器（德国P+F公司的PVM58N-011A）、智能表（PILOT公司的PMAC9900）等。

‍‍（1）中控层‍‍

　　设有主控PLC S7-400（AGC/AVC控制器）一套和四套数据服务器（IFIX SCADA），安装在中控二楼计算机控制室，下位机现地控制设备Siemens PLC S7-300通过西门子CP343-1经以太网模板以光纤以太网（TCP/IP）形式接入上位机IfiX数据服务器（IFIX SCADA），实现数据通讯。S7-400 PLC与机组、开关站、公用设备等现场设备所使用的PLC(已统一为S7-300 PLC)，均通过工业以太网互联，应用ISO Transport协议进行信息交流。S7-400 PLC本身没有配置任何的I/O模块，AGC程序所需的全部信息均从通信中获取，实现AGC/AVC调节、与广州总调交换信息等功能。四套数据服务器（SCADA），分别为1#3#5#机组SCADA11、2#4#6#机组SCADA21、500KVGIS SCADA、220KVGIS SCADA、GYSB SCADA。

　　数据服务器和操作员工作站之间通过光纤以太网（TCP/IP）连接，实现计算机监控。中控室操作人员工作站上有2台彩色液晶监视器，供人机联系及对主要运行参数、事故和故障状态等以数字、文字、图形、表格的形式组织画面进行动态显示，事故报警的画面具有最高的优先权。冗余的操作员站具有完全相同的功能，一般一台作为实时操作，另一台作为实时监视。显示器应具有多窗口功能，能分区显示画面及其名称、性质，操作层，时间、报警信号栏和对话框以及菜单栏等。

‍‍（2）机组控制系统拓扑结构‍‍

　　机组控制系统采用直接分散式，把分散控制系统中的有关控制设备布置在被控生产过程附近，随着硬件水平的不断提高，由于ET200S组件本身有完善的保护层，所以可在恶劣的环境下工作。直接分散式可以节约大量的导线、电缆。主控PLC负责实现数据通信与逻辑控制功能。在数据通信方面，主控PLC一方面作为PROFIBUS-DP 的主站，汇总各现地控制单元的信息，送至数据服务器；另一方面将来自于控制系统的操作命令分发至相应的现地控制单元执行，执行开停机、负荷调节、机械保护等功能。同时，采用西门子的6AV6 545-0CC10-0AX0触摸屏与主控PLC通过MPI口连接，机械保护压板的操作，在该触摸屏上完成。

‍‍1）主控PLC‍‍

　　主控PLC负责实现数据通信与逻辑控制功能。在数据通信方面，主控PLC一方面作为PROFIBUS-DP 的主站，汇总各现地控制单元的信息，送至数据服务器；另一方面将来自于控制系统的操作命令分发至相应的现地控制单元执行，执行开停机、负荷调节、机械保护等功能。同时，采用西门子的6AV6 545-0CC10-0AX0触摸屏与主控PLC通过MPI口连接，机械保护压板的操作，在该触摸屏上完成。

‍‍2）现地控制层‍‍

主要采集以下参数：

数字量输入（DI）信号（状态信息、故障和事件信息）；

模拟量输入（AI）信号；

模拟量输出（AO）信号；

数字量输出（DO）信号(操作命令及状态指示等)；

RTD 输入（AI-RTD）信号(测温电阻)；

如下图所示：

（1）：调速器PLC：使用Anybus串行网关产品(AB7000)，A1SJ71UC24-R4-S2通讯模块连接日本三菱A2AS PLC与Profibus-DP总线网络。

（2）西门子智能表（交流采样），提供有功、无功、电压、电流、频率等电气量。

（3）直流电源监视（ET200S），监视各直流小开关状态，如断开则发信报警。

（4）励磁装置（ET200S），

（5）机旁盘负荷开关状态（ET200S）

（6）水轮机端子柜（ET200S）

（7）制动闸行程开关状态（ET200S）

（8）顶盖排水S7200 PLC 

（9）压油装置 S7200 PLC 

（10）技术供水端子箱（ET200S）

（11）蝶阀控制系统S7200 PLC

（12）主备PLC数据交换耦合器

（1）机组控制盘信号采集

‍‍3）后备PLC结构：‍‍

主要机械保护功能，温度采集。

（1）主备PLC数据交换耦合器

（2）上导、下导、推力、水导温度采集

（3）机组控制盘信号采集

（4）调速器（ET200S）

6、机组控制系统目标

　　机组控制以PROFIBUS-DP现场总线为基础，明确了整个系统的远方监控目标，并且与机组控制系统安全可靠性、先进性和经济性等最终目标要求是一致的。

　　机组监控系统设备是否安全可靠运行，直接关系到天生桥二级电站机电设备的切身安全。特别是在电能紧缺、迎峰度夏和调峰调频等要求下，同时也与企业的生产效益和设备安全密不可分，所以安全可靠性作为天生桥二级电站机组控制系统设计的首要原则，主要采用了以下措施进行保障。

　　PROFIBUS-DP现场总线的产品具备专用和特殊品质（如防护等级高，本征安全、可接受RTD、mv、高压、大电流信号等）。防电磁干扰符合IEC有关标准。PROFIBUS-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。从目前全球已超过10万套PROFIBUS-DP现场总线的运行情况来看，其安全可靠性是勿容置疑。

　　机组系统中使用的元器件全部采用优质产品，均经过国内类似工程实际运行检验，其运行的可靠性已得到实践证实。比如图尔克公司的BI5-M18-4ADX型接近开关作测速探头、欧姆龙公司的HL-5030限位开关，德国的VDG4V52 电磁等。任何关键的元器件出故障都可能导致系统瘫痪、或者酿成重大事故，因此元器件性能要求是整个系统是否可靠的基础。

　　采用硬件闭锁的方式，在主PLC故障或主P控制系统PROFIBUS-DP网络通讯中断的情况下，后备PLC可以正常启动停机流程，在发生事故时，主备PLC均应能同时事故处理，保障设备的安全运行。

　　为保证系统安全可靠运行，系统设计时充分考虑系统的容错性能，实现系统运行容错分级控制。如：现地控制单元采用两套直流电源冗余供电方式；在上位机或网络故障时，不影响现地设备的独立运行；在各种非正常工况或非正常操作时，能够保证系统的各项功能的容错性、安全性；当单个元器件的损坏或故障时，不会造成系统的误动作；在系统失电后再上电时，不会造成误动作等等。

　　充分利用现地控制单元PLC和计算机的功能，增强了PROFIBUS-DP网络系统的自诊断设计，各个从站均有看门狗的功能，具备故障检测报警及应急处理功能，在系统故障时提前发现、分析并处理。

　　关键设备冗余配置。对直接影响设备正常运行的器件，如控制电源模块、操作员工作站、数据存储设备等采用冗余配置。重要回路冗余设计，如机械保护回路采用冗余回路，保证动作的可靠。

结合设备现场环境特点，充分考虑机柜的接地、避雷、通风、加热除湿、防尘、防小动物等措施，控制屏柜防护等级达到IP55，满足使用环境要求。

　　人机操作设计充分考虑其方便、美观、实用，用户接口及界面设计充分考虑人体结构特征及视觉特征进行优化设计,界面尽可能美观大方,操作简便实用。比如操作员工作站上，以棒形图直观反映机组有功、无功、定子电压、流电等关键电气量。报警系统采用三级报警方式等等。

　　系统总体设计要充分考虑不同层次的操作人员都能够熟练的掌握各项操作，理解操作的含义以及操作后动作及状态变化，在彩色图形操作面板人机界面上，我们将操作人员划分为三个层面：系统管理员层、设备检修及维护员层、值班操作员层，根据他们工作职责及不同的操作权限，设置不同的操作界面，避免越权操作。

　　报表、记录功能完善，可通过各种操作界面便于运行维护人员查看工作状态及运行记录。

　　系统应用软件采用模块化、结构化设计，保证系统的可扩展性能够满足将来功能增加及规模扩充的需要。

　　网络拓扑结构设计充分考虑系统的可靠性、可扩充性以及其升级要求，保证机组控制系统与全厂计算机监控系统的通信接口安全可靠。经现场测试满足以下功能：

（1）实时性

　　电站中控层的响应能力满足系统数据采集、人机通信、控制功能和系统通信的时间要求，对调度层数据采集和控制的响应时间能满足中调的调度要求。现地控制单元层的响应能力应该满足对生产过程的数据采集和控制命令执行的时间要求。

电气模拟量采集周期 ≤ 1s

非电气模拟量的采集周期 ≤ 1s

温度量采集周期 ≤ 2s

一般数字量采集周期 ≤ 50ms

对具有分辨率要求的事件顺序记录点（SOE），其分辨率 ≤5ms

（2）可靠性

　　监控系统及其设备能适应电站的工作环境，具有足够的抗干扰性，能长期可靠稳运行。监控系统及设备应从设计、制造和装配等方面保证其产品完全满足技术条款的可靠性要求。系统中任意单个器件故障不会导致关键功能损坏。

（3）安全设计原则

　　正常情况下，计算机监控系统的调度层、电站中控层、现地控制单元层均能实现对电站主要设备的控制和调节，并保证操作的安全和设备运行的安全。计算机系统故障时，上一层的故障不影响下一层的控制和调节功能和操作安全，即调度层及其通信通道故障时，不应影响电站中控层和现地控制单元层的功能，而电站中控层故障时，不影响现地控制单元层的功能。当现地控制单元层故障，甚至整个监控系统均同时故障时，监控系统不具备正常的控制和调节功能（如机组启动），但仍有适当措施保证电站主要设备（如机组）转入停机等安全状态。此外，应设有简单可靠的硬布线紧急停机回路，独立于监控系统之外，用于事故紧急情况下停机。并对重要数据双通道通信。设备的操作，应设置完善的软件闭锁条件，对各种操作进行校核，但即使有错误的操作，也不应引起被控主设备的损坏。对操作员的每次/每步操作，应设检查、提醒和应答确认，能自动禁止误操作并报警。

5、软件设计

‍‍　　采用模块法构成软件系统‍‍

　　机组控制系统是一个比较复杂的系统，为了便于设计、组织、调试、修改和维护，就要求整个程序软件的结构清晰，分工明确，各程序之间既相互联系，又相互独立。因此，我们在机组控制系统采用模块法构成一个软件系统。

　　为了使程序具有简单性、灵活性、易读性和独立性，在设计软件时，我们将整个系统按功能划分为若干个相对独立的功能块，每一个功能块由一个能独立运行的程序模块来实现。通过某些接口传递各程序模块之间需要交换的信息，把各个模块连接起来，形成一个复杂的软件系统。

6、结束语

　　采用PPROFIBUS-DP现场总线建立的天生桥二级电站控制系统，控制系统采用Profibus-DP现场总线构建成相对独立的现场监控系统，并作为子系统经过已有的光纤通道接入全厂的计算机监控系统，以实现全厂控制系统的数据共享和远方监控。自从投入运行使用以来，性能稳定可靠，已实现远方监控，无论是从安全可靠性还是经济性，都是成功的。机组、开关站控制系统、闸门系统、水库水位、大坝渗漏排水和400V电源系统都可以在二级电站中控室进行监视和操作。设备现场数据的实时性，也有效地减轻的值班人员的工作压力，电网应急调峰调频提供了强有力的支持。