基于PROFINET的船舶高壓電站監控系統設計

高闊，吳志良

（大連海事大學，遼寧大連 116026）

0 引言

隨著現代船舶技術的發展，船舶制造中采用高壓電站已成趨勢。高壓電站與低壓電站相比，對于絕緣，綜合保護和功率管理提出了新的要求[1,2]。另外，船舶上智能儀表的大量應用也產生兩個問題：其一,船舶高壓電站監控系統的信息量大幅增加；其二,系統對于信息傳遞的實時性提出更高的要求。因此目前基于現場總線式的監控系統,若想完美解決上述問題存在不小困難，而快速發展的工業以太網技術，無論通訊速度還是實時性，均優于現場總線，所以選取通訊效率更高的以太網系統成為一種更優的選擇[3,4]。

1 監控系統的解決方案

1.1 現場總線式

現場總線式監控系統是應用于現場環境，構建集成化自動監控系統的核心，也是將現場數字化設備作為節點接入這個開放式系統平臺的橋梁。其突出特點是將傳統的4～20 mA的模擬信號數字化，實現現場設備遠程控制與故障診斷一體化[5]。

盡管現場總線技術的出現對于工控行業是一次具有深遠影響的革命性變革，但對當下及未來的船舶高壓電站監控系統而言，由于其自身缺陷，比如多種不同現場總線協議不兼容，會導致“自動化孤島”，不同廠家的處理器間不能高速實時通信等，已無法滿足要求。

1.2 工業以太網式

以太網能夠在互聯設備間高速（10～100 Mbps）傳送信息包。其構建成本低、可靠性高、實時性好，且許多廠商的產品都能以通用的協議進行通信，開放度高，故此以太網技術在工控領域的應用日趨廣泛。當前應用最廣泛的工業以太網規范是由羅克韋爾公司于 2000年發布的EtherNet規范和西門子公司于 2001年發布的ProfiNet規范[3,6]。

ProfiNet實時以太網最大的特點是，對于實時性要求不同的信息采用不同的通道。ProfiNet劃分為三個通道：標準通訊通道（NRT）、實時（RT）通信通道（典型響應時間5～10 ms）和等時同步實時（IRT）通信通道（典型響應時間＜1 ms，且抖動不足 1μs）。ProfiNet在通訊實時性方面滿足工控領域要求的全部范圍。

本設計中，選用集成ProfiNet接口的西門子s7-1200可編程控制器PLC作為船舶高壓電站監控系統的核心控制器，通過工業交換機，將船舶電站的運行參數，故障和報警等信息實時傳遞給人機界面HMI顯示，PLC接收HMI反饋的指令，再經運算做出正確的反應，保證系統安全運行。狀態，由HMI設備顯示。特別是主斷路器、接地刀閘、備機完成等的狀態以及綜合保護裝置、PMS的監控均由PLC按照程序運算完成[7]。

2 系統的硬件設計

船舶高壓電站監控系統由三層構成：現場層，監控層和管理層。監控層和管理層采用基于ProfiNet的工業以太網通訊，現場層以RS-485串行通訊為基礎，遵循 ProfiBus-DP協議；而現場層向上通訊則通過給 s7-1200增加CM1243-5模塊實現 ProfiBus-DP通訊，最終構成綜合自動化網絡監控平臺，因此系統設計也分成三層，如圖1所示為船舶高壓電站監控系統硬件網絡分層構成圖。

2.1 船舶高壓電站概況

實驗室船舶高壓電站，由3臺發電機組，六屏控制柜及一個集中監控平臺組成。其中發電機組由一臺電動機-發電機組成，電動機由變頻器調速，實現發電機的調頻調載。如圖2所示為船舶高壓電站系統組成框圖。

2.2 核心控制器

監控系統的核心控制器為西門子 s7-1200 PLC，通過采集外圍電路和智能儀表送出的數字化電站參數和開關量信息，響應外界（一般指人）輸入的命令，按照程序運行后，得出電站的運行

2.3 現場設備

監控系統中選用了智能現場設備，特點是具有程序和參數存儲功能，能夠自我實現控制。核心控制器監測設備的運行，而將部分控制工作交由現場設備完成，這樣核心控制器運算負擔得以減輕。以西門子Siprotec 7um62型綜合保護裝置為例，其主要任務是保護高壓發電機，本身自帶CPU，直接完成控制計算，通過ProfiBus端口接入現場層網絡，核心控制器做監測即可；同樣，驅動發電機組的M440變頻器，只需設定命令源（P700=6，表示數據從CB來），站號（P918=6，表示從站號）和頻率設定源（P1000=6，數據從CB來）等參數，核心控制器調用特殊功能寄存器 SFC14和 SFC15（對應指令“DPRD_DAT和”DPWR_DAT”）完成對M440通訊數據報文(有效數據區PZD和PKW)的讀寫，即可實現對發電機組的控制；另外還有智能儀表，具有專業控制邏輯的智能調壓器等[4,7]。

2.4 工業以太網交換機

工業以太網交換機的作用是，進行網絡分段和工作組連通，實現不同設備間高可靠性高實時性的互通互聯。本設計中選用的是8口10 Mb/100 Mb Moxa Eps-208A型工業交換機。

3 系統軟件設計

3.1 核心控制器PLC程序設計

S7-1200 PLC使用TIA Protal V10.5軟件，完成硬件組態與程序編輯。軟件支持圖形組態和診斷，采用結構化編程，可大幅提高編程效率[6]。PLC程序包括機旁控制PLC程序，電站功能PLC程序，還有將兩者組合統一的機旁--電站鏈接程序。如圖3所示為核心控制器PLC總體程序框圖，其中OB表示組織塊，FB表示功能塊，FC表示功能。

機旁控制PLC的功能主要有：控制三臺發電機組，包括控制機組的起停和調頻調載；控制機組的智能調壓器，依據電站運行狀態和負載的情況，自動調節電壓和均分無功功率。由于三臺發電機組具有相同的結構和容量，對機組編號后，編輯相同的程序模塊，只需辨識外部傳送的命令，即可調用特定機組的特定功能[4]。電站功能 PLC主要實現兩大功能：其一是對電站運行狀態的各個信號進行采集，包括電壓，電流，功率以及發電機組運行狀態等模擬量信號，斷路器狀態，接地刀閘通斷以及配電盤上開關狀態的開關量信號；其二是依據電站基本信息，實現對船舶高壓電站的準確控制、保護和管理。

機旁—電站鏈接程序實現兩類 PLC之間的數據互換。

3.2 HMI設備觸摸屏組態

觸摸屏作用是把電站的運行數據，參數和狀態可視化，直接化和形象化，增強人機交互的友好度，減小對電站的誤操作的可能性，使整個電站運行一體化[2,6]。本電站選用 SoftLink TP300型觸摸屏，共組態5個畫面，實現要求的全部控制、顯示、報警、參數設定及歷史記錄等功能。如圖4所示為觸摸屏電站系統運行畫面。

3.3 系統組態

組態監控系統把觸摸屏與PLC接入ProfiNet中，通過對設備編輯 TCP/IP協議，組成網絡，完成整個系統基于ProfiNet的組態。無論觸摸屏組態軟件還是 TIA Protal V10.5軟件都集成TCP/IP通道，故編輯觸摸屏和PLC的IP地址即可。

4 結論

本文設計的船舶高壓電站監控系統發揮了ProfiNet傳遞數據流量大，傳輸速率高的優勢，滿足了各核心控制器PLC間的高度實時通訊，實現了船舶高壓電站監控系統的可靠運行。同時對今后的船舶電站監控系統應用這一新技術提供一定的借鑒。

[1]王家雷. 船舶高壓電站功率管理系統的設計與管理（碩士學位論文）[D]. 大連：大連海事大學，2011.

[2]祝彥兵. 船舶高壓交流電力系統綜合保護研究與設計（碩士學位論文）[D]. 大連：大連海事大學，2012.

[3]熊育悅, 趙哲身. 工業以太網在控制系統中的應用前景[J]. 上海：自動化儀表，2002.

[4]鄭卓等. Profibus和 Profinet在工業鍋爐監控中的應用[J]. 上海：自動化儀表，2010.

[5]陽憲惠.現場總線技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社，2008.

[6]王仁祥，王小曼. S7-1200PLC編程方法與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2011.

[7]吳志良. 船舶電站[M]. 大連：大連海事大學出版社，2012.