張錦吉

（國(guó)網(wǎng)福建電力有限公司檢修分公司，福建 福州 350000）

PLC 具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以直接用于有強(qiáng)干擾的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)[1-2]?；谖鏖T子PLC 的柔直換流站暖通監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集中管理、自動(dòng)控制和故障檢測(cè)等多方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，PLC 系統(tǒng)還具有改造移植、現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)和擴(kuò)容升級(jí)等方面優(yōu)勢(shì)，為換流站閥廳、橋臂電抗器室、直流場(chǎng)暖通系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了技術(shù)保證。本文主要介紹廈門柔直PLC 通訊配置應(yīng)用。

1 暖通系統(tǒng)概述

廈門柔直暖通系統(tǒng)主要由兩個(gè)閥廳空調(diào)系統(tǒng)、兩個(gè)橋臂電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)、兩個(gè)直流場(chǎng)通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)閥廳空調(diào)系統(tǒng)由2 臺(tái)風(fēng)冷螺桿式冷（熱）水機(jī)組、2 臺(tái)組合式空氣處理機(jī)組及一套定壓補(bǔ)水裝置構(gòu)成。每個(gè)直流場(chǎng)、橋臂電抗器室的通風(fēng)系統(tǒng)由2 臺(tái)組合式空氣處理機(jī)組互為備用構(gòu)成。每個(gè)閥廳、橋臂室、直流場(chǎng)都設(shè)有防火閥、風(fēng)閥、排風(fēng)機(jī)。

如圖1 所示為廈門柔直暖通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，分為4 部分：

（1）暖通集中控制柜內(nèi)PROFIBUS 冗余系統(tǒng)

暖通系統(tǒng)采用Profibus DP 冗余系統(tǒng)，以保證閥廳、橋臂、直流場(chǎng)的溫濕度滿足要求。ET200M 系統(tǒng)與帶有Profibus DP 接口的兩套獨(dú)立S7-300 PLC 通訊，用于控制閥廳、橋臂室、直流場(chǎng)的防火閥、風(fēng)閥及排風(fēng)機(jī)等。

（2）暖通集中控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊

廈門柔直共有12 臺(tái)組合機(jī)、4 臺(tái)水冷機(jī)組和2 套定壓補(bǔ)水裝置（用于水冷機(jī)組管道補(bǔ)水），這些設(shè)備都采用S7-200CN 系列PLC，分布在不同地方。通過(guò)EM277 模塊連接到PROFIBUS DP 總線，通過(guò)RS485 中繼器及通訊切換回路與冗余的PROFIBUS DP 總線A/B 連接。

（3）暖通集中控制柜與輔助控制系統(tǒng)通訊

通過(guò)CP341 通訊模塊將暖通系統(tǒng)的報(bào)警信號(hào)上傳到輔助控制系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控柜內(nèi)的HT-500 采集器，以實(shí)現(xiàn)全站暖通系統(tǒng)的集控。

（4）暖通集中控制柜與暖通集控主機(jī)通訊

暖通集控主機(jī)、操作面板HMI 通過(guò)MPI 網(wǎng)絡(luò)和S7-300 通訊，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。

2 PROFIBUS DP 冗余系統(tǒng)

PROFIBUS 是面向工廠自動(dòng)化、流程自動(dòng)化的一種國(guó)際性的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種具有廣泛應(yīng)用范圍的、開(kāi)放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適合于快速、時(shí)間要求嚴(yán)格和可靠性要求高的各種通信任務(wù)。

PROFIBUS DP 是用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用令牌總線和主站/從站的混合訪問(wèn)，通過(guò)雙絞線或光纜進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的，數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps至12Mbps。

暖通監(jiān)控系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立的S7-300 系列PLC 系統(tǒng)（A 站和B 站）組成冗余設(shè)置，兩套S7-300 同時(shí)工作，但只有一個(gè)在激活狀態(tài)。暖通集中控制柜的PROFIBUS冗余系統(tǒng)包括硬件冗余和軟件冗余。

圖1 暖通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 硬件冗余

2.1.1 CPU315-2DP

兩個(gè)S7-300 站的CPU 是暖通系統(tǒng)的核心組件，選用的型號(hào)為CPU 315-2DP。CPU 315-2DP 作為暖通監(jiān)控系統(tǒng)的集中式控制器。如圖2 所示為CPU 315-2DP 上操作員控件和指示燈[3]。該CPU 通訊配置：（1）Profibus DP 接口：用于與ET200M 分布式I/O 系統(tǒng)通訊用。（2）MPI 接口：用于與HMI 操作面板及主控室暖通主機(jī)通訊。

圖2 CPU 315-2DP 面板示意圖

由于CPU 315-2DP 的兩個(gè)通訊DP 接口和MPI 接口已經(jīng)用于分布式I/O 通訊和人機(jī)互動(dòng)通訊。兩個(gè)S7-300 站之間同步信號(hào)由擴(kuò)展的CP342-5 模塊DP 接口通過(guò)PROFIBUS 協(xié)議通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以達(dá)到兩個(gè)CPU 之間軟件冗余。CP342-5 是通過(guò)底板的MPI 總線和CPU 315-2DP 通訊的。

2.1.2 ET200M

每個(gè)S7-300 站都帶有一個(gè)CPU 315-2DP 和一個(gè)ET200M DP 從站。ET200M 是一種模塊化的分布式I/O系統(tǒng)。ET200M 由兩個(gè)接口模塊IM153 模塊以及輸入輸出模塊、功能模塊和通訊模塊等構(gòu)成。由于ET200M 可與不同模塊構(gòu)成，適用于高密度、復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)，主要用于冗余系統(tǒng)。

廈門柔直暖通系統(tǒng)的ET200M 選用的接口模塊為IM153-2，其面板示意圖如圖3 所示，IM153-2（DP）接口模塊可以接12 塊擴(kuò)展模塊數(shù)量。該暖通ET200M 從站所接的擴(kuò)展模塊用于控制閥廳、橋臂電抗器室的防火閥關(guān)閉及開(kāi)啟，火災(zāi)報(bào)警停機(jī)及反饋，通訊切換繼電器控制。

圖3 IM153-2 模塊面板示意圖

廈門柔直ET200M 分布式I/O 系統(tǒng)采用兩套IM153-2 接口模塊，一套輸入/輸出模塊構(gòu)成，稱為PROFIBUS DP 接口的單通道雙向分布式I/O 組態(tài)，如圖4 所示，冗余CPU 都可以訪問(wèn)單通道雙向I/O。CPUA/CPUB 訪問(wèn)的數(shù)據(jù)通過(guò)冗余鏈接使得兩個(gè)CPU 使用完全相同的數(shù)值。任何時(shí)刻，冗余系統(tǒng)都只使用DP 接口中的一個(gè)。IM153-2 上的ACT LED 代表活動(dòng)DP 接口。活動(dòng)DP 接口稱為主動(dòng)通道，另一DP 接口稱為被動(dòng)通道。主動(dòng)/被動(dòng)通道上始終處于活動(dòng)狀態(tài)。但只有主動(dòng)通道的I/O 值才會(huì)在用戶程序中處理。

2.2 軟件冗余

兩個(gè)S7-300 站CPU 的軟件冗余采用Siemens 的軟件包：軟件冗余（SWR），軟件冗余原理圖如圖5 所示：兩個(gè)CPU 通過(guò)PROFIBUS 冗余鏈接來(lái)實(shí)時(shí)同步程序，當(dāng)主CPU 處理冗余程序時(shí)，備CPU 跳過(guò)這些程序。備CPU 跳過(guò)程序組件避免兩個(gè)程序因報(bào)警、不同周期時(shí)間等導(dǎo)致的不一致。當(dāng)主CPU 檢測(cè)到故障后，則立即啟動(dòng)切換，備CPU 接管程序處理。

圖4 PROFIBUS DP 接口的單通道雙向分布式I/O 組態(tài)

圖5 軟件冗余原理圖

3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與暖通集控柜通訊

3.1 S7-200 CN 系統(tǒng)

廈門柔直現(xiàn)場(chǎng)分布12 臺(tái)組合機(jī)、4 臺(tái)水冷機(jī)組和2套定壓補(bǔ)水裝置（用于水冷機(jī)組管道補(bǔ)水），每個(gè)設(shè)備都采用S7-200CN 系列PLC 構(gòu)成一套完整的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)18 套S7-200CN 系統(tǒng)分散分布，需要通過(guò)PROFIBUS 總線將其連接到暖通集中控制柜進(jìn)行集中控制。S7-200 本身并沒(méi)有Profibus DP 接口，必須通過(guò)PROFIBUS-DP 模塊EM-277 連接到PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)，不能直接接入PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。使用Profibus DP線纜將18 個(gè)EM277 與集中控制柜的S7-300 站連接起來(lái)。

3.2 RS485 中繼器

本系統(tǒng)18 個(gè)S7-200 系統(tǒng)分布在不同地點(diǎn)，通訊距離較長(zhǎng)，故采用中繼器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的再生，RS485 中繼器面板示意圖如圖6 所示，RS485 中繼器上下分為網(wǎng)段1/網(wǎng)段2，A1/B1 和A1'/B1'為網(wǎng)段1 的PROFIBUS 接口，A2/B2 和A2'/B2' 為網(wǎng)段2 的PROFIBUS 接口，RS485中繼器除了擴(kuò)展網(wǎng)段外，還起到網(wǎng)絡(luò)隔離作用。

圖6 RS485 中繼器面板示意圖

暖通集中控制柜內(nèi)的PROFIBUS 總線是冗余設(shè)置，而18 套設(shè)備的PROFIBUS 接口EM277 為了節(jié)省成本沒(méi)有采用冗余總線，利用RS485 中繼器和切換回路來(lái)實(shí)現(xiàn)EM277 模塊單個(gè)PROFIBUS 總線與冗余PROFIBUS 總線連接，其接線如圖7 所示。

圖7 通訊切換回路圖

橋臂、閥廳、直流場(chǎng)組合機(jī)S7-200 站點(diǎn)信息上送至RS-485 中繼模塊A2'/B2'接口后經(jīng)A1/B1、KA38 接入A站（S7-300）或經(jīng)A1'/B1'、KA39 接入B 站（S7-300）。A 站通訊正常時(shí)，I/O 模塊開(kāi)出為低電平，通訊切換繼電器KA40 不勵(lì)磁，經(jīng)KA40 常開(kāi)接點(diǎn)溝通的KA38、KA39 繼電器均不勵(lì)磁，此時(shí)S7-200 站點(diǎn)信息經(jīng)閉合的A1/B1、KA38 常閉接點(diǎn)將信息上送至A 站（S7-300）。A 站通訊異常時(shí)，I/O 模塊開(kāi)出為高電平，通訊切換繼電器KA40勵(lì)磁，經(jīng)KA40 常開(kāi)接點(diǎn)溝通的KA38、KA39 繼電器均勵(lì)磁，此時(shí)S7-200 站點(diǎn)信息經(jīng)閉合的A1'/B1'、KA39 接點(diǎn)將信息上送至B 站（S7-300）。

4 暖通系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)通訊

采用Modbus 協(xié)議可以使西門子的PLC 與各種類型的儀表以及不同廠家的設(shè)備聯(lián)系在一起。本系統(tǒng)采用CP341 模塊的Modbus 通訊將暖通系統(tǒng)的報(bào)警信息傳到輔助控制系統(tǒng)的HT-500 裝置。

Modbus 作為公開(kāi)通信協(xié)議，具有ASCII 和RTU 兩種串行傳輸模式，定義數(shù)據(jù)如何打包、解碼的不同方式。本系統(tǒng)采用的是Modbus RTU 格式。通過(guò)CP341 模塊的集成接口與HT500 裝置之間RS485 雙絞線連接，將表1 內(nèi)的報(bào)警信號(hào)傳送到輔助系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)輔助系統(tǒng)對(duì)暖通系統(tǒng)的監(jiān)視。

表1 暖通系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)之間報(bào)警信號(hào)

5 暖通系統(tǒng)與HMI、PC 通訊

人機(jī)界面（HMI，也稱操作面板）為操作人員以本地方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和操作的試驗(yàn)設(shè)備。暖通集中控制柜就地有一個(gè)操作界面HMI，以供就地操作暖通系統(tǒng)使用。在主控室有一臺(tái)暖通集控主機(jī)，用于遠(yuǎn)程監(jiān)視及操作暖通系統(tǒng)。這兩臺(tái)設(shè)備（PC、HMI）與S7-300 A 站/B 站之間采用MPI 通訊組網(wǎng)。MPI 通訊為多點(diǎn)接口（Multiple Point Interface），專門設(shè)計(jì)適用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和單元級(jí)的小型網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)PC 主機(jī)由于沒(méi)有MPI 接口，故安裝內(nèi)置式CP5611 模塊與S7-300/HMI 進(jìn)行組網(wǎng)。PC 主機(jī)安裝WinCC 操作平臺(tái)用于運(yùn)維人員的控制和監(jiān)視。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文重點(diǎn)介紹廈門柔直暖通系統(tǒng)PLC 通訊結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹PROFIBUS DP 冗余總線、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與暖通集控柜通訊、暖通系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)通訊、MPI 通訊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員處理暖通故障有一定幫助。