PLC 通訊在柔直換流站的應(yīng)用

張錦吉

（國網(wǎng)福建電力有限公司檢修分公司，福建 福州 350000）

PLC 具有很強的抗干擾能力，可以直接用于有強干擾的工業(yè)現(xiàn)場[1-2]。基于西門子PLC 的柔直換流站暖通監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)集中管理、自動控制和故障檢測等多方面具有獨特優(yōu)勢，PLC 系統(tǒng)還具有改造移植、現(xiàn)場維護和擴容升級等方面優(yōu)勢，為換流站閥廳、橋臂電抗器室、直流場暖通系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了技術(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)主要由兩個閥廳空調(diào)系統(tǒng)、兩個橋臂電抗器室通風(fēng)系統(tǒng)、兩個直流場通風(fēng)系統(tǒng)構(gòu)成。每個閥廳空調(diào)系統(tǒng)由2 臺風(fēng)冷螺桿式冷（熱）水機組、2 臺組合式空氣處理機組及一套定壓補水裝置構(gòu)成。每個直流場、橋臂電抗器室的通風(fēng)系統(tǒng)由2 臺組合式空氣處理機組互為備用構(gòu)成。每個閥廳、橋臂室、直流場都設(shè)有防火閥、風(fēng)閥、排風(fēng)機。

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、直流場的溫濕度滿足要求。ET200M 系統(tǒng)與帶有Profibus DP 接口的兩套獨立S7-300 PLC 通訊，用于控制閥廳、橋臂室、直流場的防火閥、風(fēng)閥及排風(fēng)機等。

（2）暖通集中控制柜與現(xiàn)場設(shè)備通訊

廈門柔直共有12 臺組合機、4 臺水冷機組和2 套定壓補水裝置（用于水冷機組管道補水），這些設(shè)備都采用S7-200CN 系列PLC，分布在不同地方。通過EM277 模塊連接到PROFIBUS DP 總線，通過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CP341 通訊模塊將暖通系統(tǒng)的報警信號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通訊

暖通集控主機、操作面板HMI 通過MPI 網(wǎng)絡(luò)和S7-300 通訊，實現(xiàn)人機互動。

2 PROFIBUS DP 冗余系統(tǒng)

PROFIBUS 是面向工廠自動化、流程自動化的一種國際性的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種具有廣泛應(yīng)用范圍的、開放的數(shù)字通信系統(tǒng)，適合于快速、時間要求嚴(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)場級的通信網(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，通過雙絞線或光纜進行聯(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 同時工作，但只有一個在激活狀態(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S7-300 站的CPU 是暖通系統(tǒng)的核心組件，選用的型號為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通訊。

圖2 CPU 315-2DP 面板示意圖

由于CPU 315-2DP 的兩個通訊DP 接口和MPI 接口已經(jīng)用于分布式I/O 通訊和人機互動通訊。兩個S7-300 站之間同步信號由擴展的CP342-5 模塊DP 接口通過PROFIBUS 協(xié)議通訊來實現(xiàn)的，以達到兩個CPU 之間軟件冗余。CP342-5 是通過底板的MPI 總線和CPU 315-2DP 通訊的。

2.1.2 ET200M

每個S7-300 站都帶有一個CPU 315-2DP 和一個ET200M DP 從站。ET200M 是一種模塊化的分布式I/O系統(tǒng)。ET200M 由兩個接口模塊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 塊擴展模塊數(shù)量。該暖通ET200M 從站所接的擴展模塊用于控制閥廳、橋臂電抗器室的防火閥關(guān)閉及開啟，火災(zāi)報警停機及反饋，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 都可以訪問單通道雙向I/O。CPUA/CPUB 訪問的數(shù)據(jù)通過冗余鏈接使得兩個CPU 使用完全相同的數(shù)值。任何時刻，冗余系統(tǒng)都只使用DP 接口中的一個。IM153-2 上的ACT LED 代表活動DP 接口。活動DP 接口稱為主動通道，另一DP 接口稱為被動通道。主動/被動通道上始終處于活動狀態(tài)。但只有主動通道的I/O 值才會在用戶程序中處理。

2.2 軟件冗余

兩個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CPU 通過PROFIBUS 冗余鏈接來實時同步程序，當(dāng)主CPU 處理冗余程序時，備CPU 跳過這些程序。備CPU 跳過程序組件避免兩個程序因報警、不同周期時間等導(dǎo)致的不一致。當(dāng)主CPU 檢測到故障后，則立即啟動切換，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)場分布12 臺組合機、4 臺水冷機組和2套定壓補水裝置（用于水冷機組管道補水），每個設(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18 套S7-200CN 系統(tǒng)分散分布，需要通過PROFIBUS 總線將其連接到暖通集中控制柜進行集中控制。S7-200 本身并沒有Profibus DP 接口，必須通過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)進行通信。使用Profibus DP線纜將18 個EM277 與集中控制柜的S7-300 站連接起來。

3.2 RS485 中繼器

本系統(tǒng)18 個S7-200 系統(tǒng)分布在不同地點，通訊距離較長，故采用中繼器來實現(xiàn)信號的再生，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)省成本沒有采用冗余總線，利用RS485 中繼器和切換回路來實現(xiàn)EM277 模塊單個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、直流場組合機S7-200 站點信息上送至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，I/O 模塊開出為低電平，通訊切換繼電器KA40 不勵磁，經(jīng)KA40 常開接點溝通的KA38、KA39 繼電器均不勵磁，此時S7-200 站點信息經(jīng)閉合的A1/B1、KA38 常閉接點將信息上送至A 站（S7-300）。A 站通訊異常時，I/O 模塊開出為高電平，通訊切換繼電器KA40勵磁，經(jīng)KA40 常開接點溝通的KA38、KA39 繼電器均勵磁，此時S7-200 站點信息經(jīng)閉合的A1'/B1'、KA39 接點將信息上送至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)的報警信息傳到輔助控制系統(tǒng)的HT-500 裝置。

Modbus 作為公開通信協(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)的報警信號傳送到輔助系統(tǒng)，以實現(xiàn)輔助系統(tǒng)對暖通系統(tǒng)的監(jiān)視。

表1 暖通系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)之間報警信號

5 暖通系統(tǒng)與HMI、PC 通訊

人機界面（HMI，也稱操作面板）為操作人員以本地方式對系統(tǒng)進行控制和操作的試驗設(shè)備。暖通集中控制柜就地有一個操作界面HMI，以供就地操作暖通系統(tǒng)使用。在主控室有一臺暖通集控主機，用于遠程監(jiān)視及操作暖通系統(tǒng)。這兩臺設(shè)備（PC、HMI）與S7-300 A 站/B 站之間采用MPI 通訊組網(wǎng)。MPI 通訊為多點接口（Multiple Point Interface），專門設(shè)計適用于現(xiàn)場級和單元級的小型網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)PC 主機由于沒有MPI 接口，故安裝內(nèi)置式CP5611 模塊與S7-300/HMI 進行組網(wǎng)。PC 主機安裝WinCC 操作平臺用于運維人員的控制和監(jiān)視。

6 結(jié)束語

本文重點介紹廈門柔直暖通系統(tǒng)PLC 通訊結(jié)構(gòu)，詳細介紹PROFIBUS DP 冗余總線、現(xiàn)場設(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，對現(xiàn)場運維人員處理暖通故障有一定幫助。