基于PROFIBUSDP现场总线技术在水电厂监控系统中应用的研究与设计

基于PROFIBUS-DP现场总线技术在水电厂监控系统中应用的研究与设计院系：电气信息工程学院专业班级：自动化08-1姓名： 摘要：介绍了Profibus-DP现场总线技术的特点和功能，结合水电厂监控的特点和要求，论述了Profibus-DP现场总线在水电厂监控系统应用中的硬件和软件设计。关键词：现场总线；Profibus-DP；水电厂；PLC；监控系统1 现场总线技术概述现场总线是安装在生产过程区域的现场设备仪表与控制室内的自动控制装置系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。其中“生产过程” 包括断续生产过程和连续生产过程两类。或者说，现场总线是以单个分散的数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。Profibus支持Type 3现场总线是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准，用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间级监控和现场设备层数据通信与控制，适用于分散的、具有通讯接口的现场受控设备对底层设备有较高的数据集成和远程诊断、故障报警及数字化要求的系统。2 Profibus-DP及其主要特性Profibus-DP（DecentralizedPeriphery）：是一种经过优化的高速便宜的通信连接，专为自动化控制系统与分散的I0 设备级之间通信使用而设计的。它可取代24VDC或420mA信号传输。Profibus-DP使用物理层，数据链接层（第1，2层）和用户接口，用于现场层的高速数据传送。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（PIE）程序循环时间短。此外，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、诊断和报警处理及复杂设备在运行中参数的确定。Profibus-DP的基本功能和特性如下：（1）远距离高速通信：波特率从96kbits12Mbits；最大距离12Mbps时100m，15Mbps时200m，还可以用中继器加长。（2）分布式结构：各主站间令牌传递，主站与从站为主一从传送。每段可达32个站，用连接器连接段，最多可达126个从站。（3）易于安装：总线结构使得一个站点的装卸载不影响其它站点的正常工作，系统的安装还可以分别进行，后期安装的系统不会对前期安装的系统造成妨碍。（4）DP主站和DP从站间执行循环用户数据传送，各DP从站可动态激活，并可检查组态；经过扩展的Profibus-DP诊断能对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。诊断信息分3级：本站诊断操作；模块诊断操作；通道诊断操作。（5）所有信息的传输按海明距离HD=4进行；DP从站带看门狗定时器(WatchdogTimer),对DP从站的输入J输出进行存取保护；DP主站上带可变定时器的用户数据传送监视。（6）可靠性和保护机制。每个系统包括3种类型的设备：（1）一级DP主站，即中央控制器（如PC、PLC），可与其它站交换信息。（2）二级DP主站，指组态设备、编程器、或操作面板，完成各站点的数据读写、系统配置、故障诊断等。（3）DP从站，指进行输入输出信息采集和发送的外围设备（如PIE，分散式IO，驱动器、传感器、执行机构等）3 PLC介绍可编程序控制器（简称PLC）是基于计算机技术发展起来的一种工业控制器。国际电工委员会对它作了如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统装置，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备都应按易于与工业控制器系统连成一个整体和易于扩充其功能的原则进行设计。” PLC具有可靠性高，编程简单，使用方便，控制系统构成简单等优点，是实现机电一体化的重要手段和发展方向。经过30多年的发展，PLC除可以完全取代传统继电接触器控制系统的基本功能外，还具有了计算机控制系统的数据处理、联网通讯、模拟量处理等功能。3. 1 西门子S7系列PLC简介德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛，在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO，S7-200(CN)，S7-1200, S7-300，S7-400，工业网络，HMI人机界面，工业软件等。 西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化，具有网络通信能力，功能更强，可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC（如S7-200），小规模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。3. 2 S7-200系列SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用3. 2. 1 S7200 CPU224S7-200系列中的CPU 224主要技术性能 。1一般性能S7-200 CPU224的一般性能如表4-13所示。表4-13 S7-200 CPU224一般性能电源电压DC 24V，AC 100230V电源电压波动DC 20.4-28.8V，AC 84-264V（47-63Hz）环境温度、湿度水平安装0550C，垂直安装0450C，595%大气压8601080hPa保护等级IP20到IEC529输出给传感器的电压DC 24V （20.4-28.8V）输出给传感器的电流280mA，电子式短路保护（600mA）为扩展模块提供的输出电流660mA程序存储器8K字节/典型值为2.6K条指令数据存储器2.5K字存储器子模块1个可插入的存储器子模块数据后备整个BD1在EEPROM中无需维护在RAM中当前的DB1标志位、定时器、计数器等通过高能电容或电池维持，后备时间190h（400C时120h），插入电池后备200天编程语言LAD，FBD，STL程序结构一个主程序块（可以包括子程序）程序执行自由循环。中断控制，定时控制（1255ms）子程序级8级用户程序保护3级口令保护指令集逻辑运算、应用功能位操作执行时间0.37s扫描时间监控300ms（可重启动）内部标志位256，可保持：EEPROM中0112计数器0256，可保持：256，6个高速计数器定时器可保持：256，4个定时器，1ms30s16个定时器，10ms5min236个定时器，100ms54min接口一个RS485通信接口可连接的编程器/PCPG740P = 2 * ROMAN II，PG760P = 2 * ROMAN II，PC（AT）本机I/O数字量输入：14，其中4个可用作硬件中断，14个用于高速功能数字量输出：10，其中2个可用作本机功能，模拟电位器：2个可连接的I/O数字量输入/输出：最多94/74模拟量输入/输出：最多28/7（或14）AS接口输入/输出：496最多可接扩展模块7个2输入特性S7-200 CPU224的输入特性如表4-14所示。表4-14  S7-200 CPU224输入特性类型源型或汇型输入电压DC 24V，“1信号”：14-35A，“0信号”：0-5A，隔离光耦隔离，6点和8点输入电流“1信号”：最大4mA输入延迟（额定输入电压）所有标准输入：全部0.2-12.8ms（可调节）中断输入：（I0.0-0.3）0.2-12.8ms（可调节）高速计数器：（I0.0-0.5）最大30kHz3输出特性S7-200 CPU224输出特性如表4-15所示。表4-15  S7-200 CPU224的输出特性类型晶体管输出型继电器输出型额定负载电压DC 24V（20.4-28.8V）DC 24V（4-30V）AC24-230V（20-250V）输出电压“1信号”：最小DC 20VL+/L-隔离光耦隔离，5点继电器隔离，3点和4点最大输出电流“1信号”：0.75A“1信号”：2A最小输出电流“0信号”：10sA“0信号”：0mA输出开关容量阻性负载：0.75A灯负载：5W阻性负载：2A灯负载：DC30W，AC200W4扩展单元的主要技术特性S7-200系列PLC是模块式结构，可以通过配接各种扩展模块来达到扩展功能、扩大控制能力的目的。目前S7-200主要有三大类扩展模块。（1）输入/输出扩展模块  S7-200 CPU上已经集成了一定数量的数字量I/O点，但如用户需要多于CPU单元I/O点时，必须对系统做必要的扩展。CPU221无I/O扩展能力，CPU 222最多可连接2个扩展模块（数字量或模拟量），而CPU224和CPU226最多可连接7个扩展模块。S7-200 PLC系列目前总共提供共5大类扩展模块：数字量输入扩展板EM221（8路扩展输入）；数字量输出扩展板EM222（8路扩展输出）；数字量输入和输出混合扩展板EM223（8I/O，16I/O，32I/O）；模拟量输入扩展板EM231，每个EM231可扩展3路模拟量输入通道，A/D转换时间为25s，12位；模拟量输入和输出混合扩展模板EM235，每个EM235可同时扩展3路模拟输入和1路模拟量输出通道，其中A/D转换时间为25s，D/A转换时间100s，位数均为12位。    基本单元通过其右侧的扩展接口用总线连接器（插件）与扩展单元左侧的扩展接口相连接。扩展单元正常工作需要+5VDC工作电源，此电源由基本单元通过总线连接器提供，扩展单元的24VDC输入点和输出点电源，可由基本单元的24VDC电源供电，但要注意基本单元所提供的最大电流能力。（2）热电偶/热电阻扩展模块   热电偶、热电阻模块（EM231）是为CPU222，CPU224，CPU226设计的，S7-200与多种热电偶、热电阻的连接备有隔离接口。用户通过模块上的DIP开关来选择热电偶或热电阻的类型，接线方式，测量单位和开路故障的方向。（3）通讯扩展模块  除了CPU集成通讯口外，S7-200还可以通过通讯扩展模块连接成更大的网络。S7-200系列目前有两种通讯扩展模块：PROFIBUS-DP扩展从站模块（EM277）和AS-i接口扩展模块（CP243-2）。S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能如表4-16所示。表4-16  S7-200系列PLC输入/输出扩展模块的主要技术性能类型数字量扩展模块模拟量扩展模块型号EM221EM222EM223EM231EM232EM235输入点8无4/8/163无3输出点无84/8/16无21隔离组点数824无无无输入电压DC24V DC24V   输出电压 DC24V或AC24-230VDC24V或AC24-230V   A/D转换时间