基于PROFINET的船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高闊，吳志良

（大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026）

0 引言

隨著現(xiàn)代船舶技術(shù)的發(fā)展，船舶制造中采用高壓電站已成趨勢(shì)。高壓電站與低壓電站相比，對(duì)于絕緣，綜合保護(hù)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(yīng)用也產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：其一,船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的信息量大幅增加；其二,系統(tǒng)對(duì)于信息傳遞的實(shí)時(shí)性提出更高的要求。因此目前基于現(xiàn)場(chǎng)總線式的監(jiān)控系統(tǒng),若想完美解決上述問(wèn)題存在不小困難，而快速發(fā)展的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，無(wú)論通訊速度還是實(shí)時(shí)性，均優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)總線，所以選取通訊效率更高的以太網(wǎng)系統(tǒng)成為一種更優(yōu)的選擇[3,4]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案

1.1 現(xiàn)場(chǎng)總線式

現(xiàn)場(chǎng)總線式監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，構(gòu)建集成化自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，也是將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化設(shè)備作為節(jié)點(diǎn)接入這個(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)平臺(tái)的橋梁。其突出特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的4～20 mA的模擬信號(hào)數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制與故障診斷一體化[5]。

盡管現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)于工控行業(yè)是一次具有深遠(yuǎn)影響的革命性變革，但對(duì)當(dāng)下及未來(lái)的船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)而言，由于其自身缺陷，比如多種不同現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議不兼容，會(huì)導(dǎo)致“自動(dòng)化孤島”，不同廠家的處理器間不能高速實(shí)時(shí)通信等，已無(wú)法滿足要求。

1.2 工業(yè)以太網(wǎng)式

以太網(wǎng)能夠在互聯(lián)設(shè)備間高速（10～100 Mbps）傳送信息包。其構(gòu)建成本低、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，且許多廠商的產(chǎn)品都能以通用的協(xié)議進(jìn)行通信，開(kāi)放度高，故此以太網(wǎng)技術(shù)在工控領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)以太網(wǎng)規(guī)范是由羅克韋爾公司于 2000年發(fā)布的EtherNet規(guī)范和西門子公司于 2001年發(fā)布的ProfiNet規(guī)范[3,6]。

ProfiNet實(shí)時(shí)以太網(wǎng)最大的特點(diǎn)是，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不同的信息采用不同的通道。ProfiNet劃分為三個(gè)通道：標(biāo)準(zhǔn)通訊通道（NRT）、實(shí)時(shí)（RT）通信通道（典型響應(yīng)時(shí)間5～10 ms）和等時(shí)同步實(shí)時(shí)（IRT）通信通道（典型響應(yīng)時(shí)間＜1 ms，且抖動(dòng)不足 1μs）。ProfiNet在通訊實(shí)時(shí)性方面滿足工控領(lǐng)域要求的全部范圍。

本設(shè)計(jì)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(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器，通過(guò)工業(yè)交換機(jī)，將船舶電站的運(yùn)行參數(shù)，故障和報(bào)警等信息實(shí)時(shí)傳遞給人機(jī)界面HMI顯示，PLC接收HMI反饋的指令，再經(jīng)運(yùn)算做出正確的反應(yīng)，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。狀態(tài)，由HMI設(shè)備顯示。特別是主斷路器、接地刀閘、備機(jī)完成等的狀態(tài)以及綜合保護(hù)裝置、PMS的監(jiān)控均由PLC按照程序運(yùn)算完成[7]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)由三層構(gòu)成：現(xiàn)場(chǎng)層，監(jiān)控層和管理層。監(jiān)控層和管理層采用基于ProfiNet的工業(yè)以太網(wǎng)通訊，現(xiàn)場(chǎng)層以RS-485串行通訊為基礎(chǔ)，遵循 ProfiBus-DP協(xié)議；而現(xiàn)場(chǎng)層向上通訊則通過(guò)給 s7-1200增加CM1243-5模塊實(shí)現(xiàn) ProfiBus-DP通訊，最終構(gòu)成綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)也分成三層，如圖1所示為船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)硬件網(wǎng)絡(luò)分層構(gòu)成圖。

2.1 船舶高壓電站概況

實(shí)驗(yàn)室船舶高壓電站，由3臺(tái)發(fā)電機(jī)組，六屏控制柜及一個(gè)集中監(jiān)控平臺(tái)組成。其中發(fā)電機(jī)組由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)由變頻器調(diào)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的調(diào)頻調(diào)載。如圖2所示為船舶高壓電站系統(tǒng)組成框圖。

2.2 核心控制器

監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制器為西門子 s7-1200 PLC，通過(guò)采集外圍電路和智能儀表送出的數(shù)字化電站參數(shù)和開(kāi)關(guān)量信息，響應(yīng)外界（一般指人）輸入的命令，按照程序運(yùn)行后，得出電站的運(yùn)行

2.3 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

監(jiān)控系統(tǒng)中選用了智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，特點(diǎn)是具有程序和參數(shù)存儲(chǔ)功能，能夠自我實(shí)現(xiàn)控制。核心控制器監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行，而將部分控制工作交由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備完成，這樣核心控制器運(yùn)算負(fù)擔(dān)得以減輕。以西門子Siprotec 7um62型綜合保護(hù)裝置為例，其主要任務(wù)是保護(hù)高壓發(fā)電機(jī)，本身自帶CPU，直接完成控制計(jì)算，通過(guò)ProfiBus端口接入現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)，核心控制器做監(jiān)測(cè)即可；同樣，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組的M440變頻器，只需設(shè)定命令源（P700=6，表示數(shù)據(jù)從CB來(lái)），站號(hào)（P918=6，表示從站號(hào)）和頻率設(shè)定源（P1000=6，數(shù)據(jù)從CB來(lái)）等參數(shù)，核心控制器調(diào)用特殊功能寄存器 SFC14和 SFC15（對(duì)應(yīng)指令“DPRD_DAT和”DPWR_DAT”）完成對(duì)M440通訊數(shù)據(jù)報(bào)文(有效數(shù)據(jù)區(qū)PZD和PKW)的讀寫，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組的控制；另外還有智能儀表，具有專業(yè)控制邏輯的智能調(diào)壓器等[4,7]。

2.4 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的作用是，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段和工作組連通，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間高可靠性高實(shí)時(shí)性的互通互聯(lián)。本設(shè)計(jì)中選用的是8口10 Mb/100 Mb Moxa Eps-208A型工業(yè)交換機(jī)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制器PLC程序設(shè)計(jì)

S7-1200 PLC使用TIA Protal V10.5軟件，完成硬件組態(tài)與程序編輯。軟件支持圖形組態(tài)和診斷，采用結(jié)構(gòu)化編程，可大幅提高編程效率[6]。PLC程序包括機(jī)旁控制PLC程序，電站功能PLC程序，還有將兩者組合統(tǒng)一的機(jī)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，F(xiàn)B表示功能塊，F(xiàn)C表示功能。

機(jī)旁控制PLC的功能主要有：控制三臺(tái)發(fā)電機(jī)組，包括控制機(jī)組的起停和調(diào)頻調(diào)載；控制機(jī)組的智能調(diào)壓器，依據(jù)電站運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載的情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓和均分無(wú)功功率。由于三臺(tái)發(fā)電機(jī)組具有相同的結(jié)構(gòu)和容量，對(duì)機(jī)組編號(hào)后，編輯相同的程序模塊，只需辨識(shí)外部傳送的命令，即可調(diào)用特定機(jī)組的特定功能[4]。電站功能 PLC主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：其一是對(duì)電站運(yùn)行狀態(tài)的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集，包括電壓，電流，功率以及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等模擬量信號(hào)，斷路器狀態(tài)，接地刀閘通斷以及配電盤上開(kāi)關(guān)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)；其二是依據(jù)電站基本信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶高壓電站的準(zhǔn)確控制、保護(hù)和管理。

機(jī)旁—電站鏈接程序?qū)崿F(xiàn)兩類 PLC之間的數(shù)據(jù)互換。

3.2 HMI設(shè)備觸摸屏組態(tài)

觸摸屏作用是把電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，參數(shù)和狀態(tài)可視化，直接化和形象化，增強(qiáng)人機(jī)交互的友好度，減小對(duì)電站的誤操作的可能性，使整個(gè)電站運(yùn)行一體化[2,6]。本電站選用 SoftLink TP300型觸摸屏，共組態(tài)5個(gè)畫面，實(shí)現(xiàn)要求的全部控制、顯示、報(bào)警、參數(shù)設(shè)定及歷史記錄等功能。如圖4所示為觸摸屏電站系統(tǒng)運(yùn)行畫面。

3.3 系統(tǒng)組態(tài)

組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)把觸摸屏與PLC接入ProfiNet中，通過(guò)對(duì)設(shè)備編輯 TCP/IP協(xié)議，組成網(wǎng)絡(luò)，完成整個(gè)系統(tǒng)基于ProfiNet的組態(tài)。無(wú)論觸摸屏組態(tài)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(jié)論

本文設(shè)計(jì)的船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮了ProfiNet傳遞數(shù)據(jù)流量大，傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)，滿足了各核心控制器PLC間的高度實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)了船舶高壓電站監(jiān)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。同時(shí)對(duì)今后的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用這一新技術(shù)提供一定的借鑒。

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