ProfibusDP在供电监控系统中的应用.docx

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1、ProfibusDP在供电监控系统中的应用蔡明学导语：供电监控系统设计采用集中治理、分分布置的形式及分层分布式系统构造，系统由站级治理、网络通讯、间隔设备3层组成。站级治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。摘要：供电监控系统设计采用集中治理、分分布置的形式及分层分布式系统构造，系统由站级治理、网络通讯、间隔设备3层组成。站级治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实时操纵系统，ProfibusDP(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，站级治理层与15kV直流开关柜采用DP现场总线交互信息

2、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PROFIBUSDP总线协议的深入理解，总结出与PROFIBUSDP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的循环时间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讯的一种工业现场网络通讯技术。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

3、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种通讯协议类型3：ProfibusPA(ProcessAutomation)，ProfibusDP(DecentralizedPeriphery)(简称DP)，ProfibusFMS(FieldbusMessageSpecification)。地铁线供电监控PSCADA(PowerSupervisoryCont

4、rolAndDataAcquisition)系统设计采用的是集中治理、分分布置的形式及分层分布式系统构造。现场IO设备分分布置必然要求使用现场总线技术或者网络技术实现监控系统与IO设备交换信息。因此在地铁PSCADA系统中的站级治理层与15kV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响速度越快，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合适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，

5、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PROFIBUSDP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，并给出令牌目的循环时间确实定标准。1PROFIBUS-DP总线构造PROFIBUSDP的MAC层使用基于TokenPassing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-DPToken-Passing网络上的各点都连接在总线上，它们拥有同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

6、为主站(MasterStation)和从站(SlaveStation)两种类型。前者的作用是统一治理各个从站接入总线的时序，数据的采集、处理、加工和反应主要由Pc和PLC担任；后者的作用是将收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。PROFIBUSDP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可以获得这个令牌，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展数据交换。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

7、，防止了数据传输冲突。图1PROFIBUS-DP总线逻辑构造2PSCADA系统构造地铁供电系统采用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治理、分分布置的形式。分层、分布式系统构造：系统由站级治理层、网络通讯层、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110kV33kV04kV沟通保护测控单元、15kV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系统构造如图2所示。图2电力监控变电所PSCADA系统构造图站级治

8、理层设备由通讯处理机(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。通讯处理机采用可靠性高、处理才能强、实时响应速度快的工业级监控计算机。通讯处理机的远程网、所内网传输都采用光纤以太网接口。网络通讯层提供了RS-422、RS-485和CAN、PROFIBUS-DP等现场总线接口及以太网、光纤以太网接口可知足自动化系统对变电所供电设备进展监控的要求同时提供了通讯接口的可扩展才能，以知足系统扩容和增加通讯手段的需要。间隔层设备包括：15kV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

9、单元。04kV开关柜智能信息收集单元。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局部间隔层设备如15kV直流开关柜只存在于牵引所。在实际系统中1.5kV直流开关柜与站级治理层中的总控单元l直接构成DP总线网下面具体分析该总线网的设计及实现方案。31.5kV直流开关柜DP通讯方案设计主控单元与15kV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层通讯构造。DP总线不仅具有现场总线的共同优点也具有特殊的上风，即可以很好地知足系统可扩展性、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。

10、3.1通讯方案设计原理及根据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详细设备或者DP部件的行为特性那么由电子设备数据库文件(electronicdevicedatasheets。简称GSD文件)描绘。DP协议不对用户数据进展评价和详细的描绘而是定义了不同的行规或扩展功能这就使得DP协议具有很大的灵敏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)和假设干个从站(被动节点)，逻辑令牌环只含有1个主动节点；在多主总线网

11、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主站配置或者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者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进而到达采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(OpticalnkModule)上，与同样连接到光链路模块OLM的1.5kV

12、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互相连接。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。以便进展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。进而进步了系统的可靠性。图3DP冗余光纤环网图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。系统通讯方案能否知足实时性要求决定了该方案能否得到应用。

13、根据地铁的实际通讯参数及软硬件环境对上述方案进展实时性分析。在本系统中，DP总线传输波特率为1875Kbits即传输1个位的时间为5333ms。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IO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7038ms1个变位信号从产生到传输至总控单元的时间

14、小于500ms：再经光纤以太网上送到主控室小于1s。假设是对断路器或隔分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隔分开关进展实时遥控DP总线方案可以知足用户对实时性的要求。4结论本文分析了PROFIBUSDP总线的通讯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经过进展分析的根底上，给出了总线循环时间的计算公式和进步总线实时性的方法。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实时操纵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讯线路上的电磁干扰影响，知足系统可靠性要求。光纤环网采用总线构造。通过通讯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才能同时降低了系统的工程本钱进步了整个系统的可靠性和可维护性及扩展才能。