雜木寺水電站雙冗余水位測量系統設計

杜 崗，吳 峰，孫 振

（1.連云港職業技術學院，江蘇省連云港市 222000；2.徐州中礦新遠晨自動化系統有限公司，江蘇省徐州市 221000）

雜木寺水電站雙冗余水位測量系統設計

杜 崗1，吳 峰1，孫 振2

（1.連云港職業技術學院，江蘇省連云港市 222000；2.徐州中礦新遠晨自動化系統有限公司，江蘇省徐州市 221000）

本文根據雜木寺水電站水位測量系統的功能需要，提出了一種雙冗余水位測量系統方案。系統分成兩個功能單元部分：以PLC處理器為核心的基于PROFINET網絡的水位采集單元和以協調器節點、傳感器節點為核心的基于ZigBee 無線傳感網絡的水位采集單元，兩個功能單元都從GAX60型號雙輸出編碼器采集數據信號，都與工控機相連接，構成一個功能獨立且互為冗余的系統。這種設計大大提高了系統運行的可靠性。

水位測量；冗余；PLC；ZigBee；WSN

0 序言

雜木寺電站位于甘肅省武威市天祝藏族自治縣與涼州區境內的雜木河干流上，是雜木河毛藏寺渠首河段規劃的第三座梯級電站。電站安裝有兩臺單機容量為9000kW的立軸混流式水輪發電機組和1臺單機容量為5000kW的立軸混流式水輪發電機組（簡稱小機），總裝機容量23MW，多年平均發電量7938萬kW·h，年利用小時數3451h。上下游水位、毛水頭、攔污柵壓差等關鍵水文數據是水電站機組運行和大壩監測需要重點監控的數據對象，因此，保證水位測量系統的穩定可靠運行十分重要。根據工程需要，于2010年1月開始對電站的水位測量系統進行升級改造，升級前，系統采用的是通過PLC讀取傳感器模擬量信號的模式，由于信號線數量多且敷設路徑長，線路損壞情況時有發生，水位測量系統也因此經常出現無法采集數據的現象。改造過程中，筆者結合現有工程基礎并在充分研究ZigBee無線傳感技術和基于PROFINET網絡的西門子遠程IO技術的基礎上，提出一種雙冗余的水位數據采集系統。這一設計大大提高了系統運行的穩定性和可靠性。改造工程于2010年10月完成并通過驗收。

1 系統總體結構方案

系統分成兩個功能單元部分：以PLC處理器為核心的基于PROFINET網絡的水位采集單元（以下簡稱功能單元1）和以協調器節點、傳感器節點為核心的基于無線傳感網絡的水位采集單元（以下簡稱功能單元2）。水位傳感器經GAX60雙輸出編碼器為兩個功能單元同時提供現地水位數據信號來源，其中4～20mA信號輸出至功能單元1，485信號輸出至功能單元2。這兩個功能單元一個是有線式的，一個是無線式的，分別與測量屏工控機的RJ45口和串行通信接口相連接，互為冗余。平時，基于PLC和PROFINET網絡的有線式水位采集系統投入使用，當有線傳輸鏈路故障時，系統自動切換選擇無線網絡進行數據采集，這種設計增強了系統的魯棒性，大大提高了系統運行的可靠性。系統結構如圖1所示。

2 基于PLC和PROFINET網絡的水位數據采集單元設計（功能單元1）

功能單元1 由集控端和現地端兩部分組成，集控端以西門子S7-300（型號為CPU315-2PN/DP）為數據處理中心，帶有一個RJ45 網口和一個PROFIBUS DP接口[1]。現地端采用西門子遠程IO（IM153-4PN）進行水位數據的采集，IM153-4PN支持以太網連接。現地端包括前端數據采集箱和尾端數據采集箱（可根據需要進行擴展）兩個水位采集裝置。系統結構如圖2所示。

圖1 系統結構圖

圖2 功能單元1系統結構、硬件組成圖

2.1 功能單元1硬件配置

如圖2所示，前端數據采集箱中配置西門子遠程IO模塊IM153-4PN，同時在IM153-4PN 上配置有2 塊16位的模擬量輸入模塊[2]。尾端數據采集箱與前端數據采集箱硬件配置相同。根據數據采集點的數量或位置變化要求，數據采集箱數量或箱內模擬量輸入模塊的數量可以十分方便地進行擴展。水位傳感器采用的是重錘浮子式水位傳感器，傳感器與GAX60編碼器相連接，編碼器將水位數據轉換為4～20mA信號輸出至IM153-4PN上AI模塊。在集控端的水位測量集控屏中配置有S7-300PLC（CPU315-2PN/DP）、赫斯曼以太網交換機及一體化工控機。

2.2 功能單元1網絡構建

西門子遠程IO模塊IM153-4PN和CPU315-2PN/DP自身都帶有PROFINET以太網接口，可方便地接入到PROFINET網絡中。前端水位采集箱和尾端水位采集箱中IM153-4PN作為遠程IO設備，與位于水位測量集控屏的CPU315-2PN/DP通過以太網線與赫斯曼交換機相連接，構建了一個支持以太網通信的PROFINET網絡[2]。一體化工控機通過以太網卡也連接赫斯曼交換機，接入到PROFINET網絡中，實現對PLC的以太網數據讀寫功能。

借助Step 7編程軟件可方便地對網絡設備進行地址配置，其中，將現地端的兩個遠程IO設備IM153-4PN IP地址分別設置為192.168.0.1和192.168.0.2，CPU315中RJ45 PROFINET接口IP地址設置為192.168.0.3，工控機以太網卡IP地址設置為192.168.0.4。

3 基于ZigBee無線傳感網絡的水位采集功能單元設計（功能單元2）

ZigBee是一種新興的短距離無線通信技術，在網絡層面上定義了3種不同的節點結構，分別是協調器節點（也稱匯聚節點），負責建立網絡，是整個ZigBee無線網絡的核心；路由節點，負責其他節點的消息轉發功能；傳感器節點（也稱終端節點），是具體執行數據采集傳輸的設備[3]。ZigBee網絡支持的網絡拓撲結構有星型、樹型、網型等3種。功能單元2中節點主要由協調器節點和傳感器節點構成，并以協調器節點為核心，構成星形網絡拓撲結構。協調器節點硬件放置于水位測量集控屏中，傳感器節點硬件設置在現地端數據采集箱（前端數據采集箱和尾端數據采集箱）中，根據需要可增加傳感器節點的數量。傳感器節點與協調器節點之間進行基于無線傳感網絡的無線數據通信。

傳感器節點、協調器節點硬件組成及由其組建的無線傳感網絡系統結構如圖3所示。

3.1 節點功能設計

系統中網絡節點主要包括傳感器節點和協調器節點。其中，傳感器節點主要由數據采集模塊、數據處理模塊、ZigBee 通信模塊、電源管理模塊等組成[4]，協調器節點主要由數據處理模塊、ZigBee 通信模塊、電源管理模塊構成。圖3詳細地給出了節點的硬件組成。

數據采集模塊，主要由傳感器和編碼器構成。水位傳感器采用重錘浮子式水位傳感器，編碼器采用的是GAX60 型號雙輸出編碼器，輸出485信號至數據處理模塊。

數據處理模塊，作為傳感器節點和協調器節點的核心元件，負責節點的數據處理、協議包裝及通信控制等工作，處理器采用的是LPC2210微處理器，借助其豐富的接口功能和強大的數據計算能力，一方面通過485串口采集傳感器數據并經SPI口將數據傳輸至射頻模塊，同時，經過數據處理、協議封裝后通過串口以RS-485通信方式將數據發送至水位測量屏工控機。

圖3 功能單元2系統結構、硬件組成圖

ZigBee 通信模塊，是整個無線傳感網絡的數據傳輸通道，傳感器節點與協調器節點之間的數據通信必須要經過通信模塊無線射頻信號進行。

電源模塊，統一為網絡節點提供電源支持。

3.2 節點軟件設計

由圖3可知，系統軟件功能主要由傳感器節點功能、協調器節點功能兩大模塊功能組成。傳感器節點和協調器節點中涉及的端口通信過程主要有：MC13192與LPC2210之間的SPI通信；LPC2210與傳感器（工控機）之間的異步串口通信。異步串口通信過程已經非常成熟，在此不做贅述，這里只介紹LPC2210與MC13192之間的SPI通信過程。

圖4 數據無線收、發程序流程圖

LPC2210 與MC13192兩者進行SPI通信操作的基本思路是：首先對SPI端口、MC13192控制端口和LPC2210控制端口進行初始化；然后使能SPI端口；完成以上操作后即可運行數據的無線接收、發送的任務程序[4]。無線接收與發送程序（見圖4）的步驟基本一致，區別在于MC13192模塊在進行收發模式設置時，前者設置為RX模式，后者需要設置為TX模式。

4 冗余網絡特點

這一冗余系統中有兩種網絡形式，分別是PROFINET網絡和ZigBee無線傳感網絡。PROFINET網絡是新一代基于工業以太網技術的自動化總線標準，支持TCP/IP協議的以太網數據通信，通過集成PROFINET接口，分布式現場設備（遠程IO）可以直接連接到PROFINET網絡上，進行分布式的數據采集且傳輸速率高，系統運行穩定可靠。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡，ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通信距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展[5]。對于小范圍內分布式數據采集應用，ZigBee無線傳感技術無疑是比較好的選擇，它可以擺脫對物理線路的依賴，依靠無線信號進行數據傳輸。

5 結束語

雜木寺水電站是一個小型水電站，水位數據采集點圍繞庫區和機組大壩分散設置，水位測量系統若單純采用基于CPU315-2PN/DP和IM153-4PN的遠程IO方案，雖然可對分散布置的水位測量點進行穩定、可靠、高速的數據采集，但也有弊端，即這種有線式的網絡結構，一旦網線破損，數據通信功能就會徹底喪失，這種情況在改造前也時有發生。因此，改造設計中，提出了這種雙冗余方案，將ZigBee無線傳感網絡技術應用到水位測量系統中，確保一旦PROFINET網絡失效，ZigBee無線傳感網絡可立即投入使用，系統的魯棒性顯著增強。

同時，也對傳感器單元進行了設計，選取了重錘浮子式的水位傳感器與GAX60絕對值編碼器。傳感器與編碼器之間采用硬連接方式，性能穩定，運行可靠，具有掉電保持功能，同時GAX60編碼器能夠同時為兩種功能單元提供兩種信號輸出。這樣，在系統切換過程中又保證了數據的一致性和穩定性。

[1] 李守軍，邱義臻，劉煒，等.班多水電站水力測量及水情測報方案設計 [J].人民黃河，2013，35（7）：103-107.

[2] 李守軍，于紅，馬小平，等.黃河積石峽水電站測量測報系統及加密網絡設計[J].水利水電技術，2013，44（6）：109-111.

[3] 彭元松，彭端.基于ZigBee無線通信技術的河流水位監測系統[J].儀表技術與傳感器，2012，（7）：68-70.

[4] 吳曉然.基于MC13192的Zigbee系統設計[J].工業控制計算機，2007，20（4）：19-20.

[5] 馬福昌，馮道訓，張英梅，張建國.Zigbee和GPRS技術在水文監測系統中的應用研究[J].水利水文自動化，2008，（1）：1-4.

杜 崗（1981—），男，碩士，主要研究方向：水電自動化與計算機控制。E-mail: dzg-1981@163.com

Design of the Double Redundancy Water Level Measuring System of the Za Musi Hydropower Station

DU Gang1，WU Feng1，SUN Zhen2
（1.Lianyungang Technical College,Lianyungang 222000,China;2.Xuzhou Zhongkuang Xinyuan Morning Automation System Co.Ltd. Xuzhou 221008,China）

Aimed at the need of the water level measuring system of the Za Musi hydropower station,the double redundancy water level measuring system was proposed in this paper. The system can be divided into two functional unitsthe one based on PROFINET network is centered on PLC processor as well as the one based on ZigBee WSN takes coordinator node and sensor node as the core. Both of the units,which form a functionally independent and mutually redundant system，collect date signals with Model GAX60 double output encoder and connect with IPC. This design can greatly improve the reliability of the system.

water level measuring; redundancy;PLC;ZigBee;WSN