基于PROFIBUSDP總線的雙機熱冗余控制系統設計

王乾坤 李志勛 王宏亮

摘 要：軟化水變頻泵供應系統是水蒸汽發生器的重要組成環節之一，其供水品質直接影響到蒸汽溫度、蒸汽供應量及其工作的可靠性。結合軟化水變頻泵控制任務需求，從節省費用、實現集中測控、增強可靠性的角度出發，提出了一種基于PROFIBUS DP總線的雙機冗余控制方案，重點介紹了PROFIBUS DP總線通信原理、系統方案、關鍵設計技術及試驗考核情況。實際應用表明：雙機冗余控制方式穩定可靠，各項技術指標達到了預期目標，不僅提高了軟化水供應系統的可靠性，還為基于PROFIBUS DP總線的冗余控制設計提供了參考和借鑒。

關鍵詞：水蒸汽發生器；軟化水；變頻泵；恒壓供水；PROFIBUS DP；冗余控制；遠程控制

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

水蒸汽發生器是利用燃料或其他能源的熱能把水加熱成為熱水或蒸汽的機械設備[1]。以液氧、酒精及軟化水為工質的三組元水蒸汽發生器[2-3]悄然興起，用于提供大量高溫高壓蒸汽。它基于火箭發動機工作原理，通過液氧和酒精的混合燃燒將軟化水蒸發氣化形成符合使用壓力、溫度品質要求的水蒸汽，具有蒸汽流量大、蒸汽溫度高、占地面積小等特點[4]。

此類蒸汽發生器對軟化水供應要求較高，軟化水供應量直接影響到蒸汽溫度、蒸汽供應量及工作可靠性，水量過大可能使蒸汽溫度降低影響抽真空效果，甚至使發生器無法正常點火起動，水量過小可能使蒸汽供應量過低影響抽真空效果，使蒸汽溫度過高給蒸汽引射系統帶來傷害，如何實現軟化水量的可靠供應是本文所要解決的關鍵問題之一。

某高空模擬試驗系統建立了三組蒸汽發生器組合引射的試驗條件，采用變頻泵方式對其恒壓供水，其水量大小通過調節變頻泵轉速來實現[5]。三組變頻泵僅局限于本地操作模式，不具備遠程控制條件。在試驗過程中，軟化水供應量受蒸汽發生器自身特性、管路雜質等因素的影響，時常出現軟化水流量下降的現象，致使蒸汽溫度不斷爬升，甚至帶來災難性后果。這就需要派專人值守于變泵控制設備間，必要時根據軟化水量下降情況快速增加變頻泵轉速。由于變頻泵控制設備間的環境惡劣，存在易燃、易爆等安全隱患，加之試驗前端的噪音過大，給指揮通信帶來了一定的困難，使得軟化水流量無法及時調節，極端情況下可能使蒸汽發生器出現燒蝕現象。因此，實現對三組變頻泵的遠程集中化控制是本文所要解決的又一關鍵問題。

本文基于上述需求開展方案設計，以三組變頻泵為控制對象，從節省成本、可靠控制的角度出發，提出一套基于PROFIBUS DP雙總線的冗余控制方案，重點解決人機隔離、遠程集中控制、水量快速調節等問題，提高軟化水供應過程的可靠性及安全性。

1 PROFIBUS DP總線通信原理

PROFIBUS DP總線在工業現場中被廣泛應用，用于完成自動控制系統（如PLC，PC等）與分散的現場設備（I/O、驅動器、閥門、變頻泵等）之間的通信任務。PROFIBUS DP總線通過雙絞屏蔽線進行數據傳輸及網絡拓撲，支持單主站或多主站系統，各主站之間采用令牌傳遞方式輪流與從站交換信息，最多支持127個子站，數據傳輸距離可達數千米[6]。結合某試驗系統軟化水變頻泵遠程控制任務需求，采用基于PROFIBUS DP總線的通信技術，將軟化水供應系統中的A，B，C三組變頻泵作為DP子站接入PROFIBUS DP總線中，DP主站采用兩套硬件配置相同的PLC控制器進行冗余控制，一套為DP主站，另一套為DP備用主站。兩者同步運行控制程序，若DP主站出現故障，則DP總線冗余控制器自動將DP總線控制權由DP主站切換給DP備用主站，從而實現DP總線的冗余控制功能。

2 系統方案

2.1 技術指標

系統技術指標如下：

（1）控制距離：不小于500 m；

（2）控制方式：雙總線冗余控制；

（3）總線切換時間≤10 ms；

（4）變頻泵轉速調整時間≤100 ms；

（5）變頻泵轉速調節檔位：10轉/檔；

（6）變頻泵狀態參數測試周期：100 ms。

2.2 系統組成及原理

系統主要由人機界面、網絡交換機、DP主站、DP備用主站、DP總線冗余控制器、DP網絡適配器、變頻泵等組成，如圖1所示。

人機界面基于工控機平臺，DP主站基于PLC架構，人機界面與DP主站之間通過網絡交換機相連接，DP主站與A，B，C三套變頻器通過PROFIBUS DP總線方式通信。PROFIBUS DP主電纜采用雙總線方式，均匯集于DP總線冗余控制器中，經冗余輸出后與A，B，C三套變頻器的DP通信接口相連接。操作員通過人機界面調節變頻泵的轉速，并實時監測變頻泵的轉速、頻率、控制狀態、運行狀態等參數，實現對軟化水流量的遠程調節。人機界面采用密碼方式登錄，僅限崗位人員操作。關鍵參數設置提示信息，以聲光方式報警。

2.3 系統軟件

2.3.1 人機界面軟件

人機界面軟件[7]作為上位機軟件使用，采用WinCC組態軟件對其開發。人機界面軟件主要完成變頻泵參數的設定及變頻泵狀態參數的實時監控，其設計功能如下：

（1）實現兩套DP主站的相互通信；

（2）實現兩套DP主站的時間同步；

（3）實現對三組變頻泵參數的遠程調節及設定；

（4）實時監測變頻泵的頻率給定值、反饋值、電流反饋值等參數；

（5）實時監測變頻泵的本地或遠程工作模式；

（6）實時監測變頻泵的運行、停止及報警狀態。

2.3.2 DP主站軟件

DP主站（S7-315-2DP）軟件作為下位機軟件使用，采用STEP7 V5.5軟件對其開發。首先，需要對ASC-800變頻器進行編程配置，將ASC-800變頻器的GSD（設備數據庫）文件導入STEP7的編程環境中[8]。然后，配置DP網絡地址，兩套控制器作為DP主站使用，地址設置為1，2，三組變頻器均作為DP從站使用，將其設置為PPO4類型，地址分別設置為4，5，6。待變頻器、DP網絡地址配置完畢后，即可對PLC控制器進行編程開發。DP主站軟件設計功能如下：

（1）PLC控制器硬件初始化配置；

（2）DP網絡通信初始化配置；

（3）上位機的實時通信功能；

（4）同步觸發運行控制功能；

（5）變頻泵的實時通信功能；

（6）DP網絡在線管理功能；

（7）變頻泵運行參數的檢測功能；

（8）聲光報警功能。

3 關鍵技術

3.1 DP總線的冗余控制技術

常規的DP總線冗余控制方案主要包括軟冗余方案和硬冗余方案[9]，其中軟冗余方案對PLC控制器硬件要求不高，如西門子300系列PLC，但需要配置兩套完全相同的硬件設備，包括DP主站、DP總線、中繼器及DP從站等，分別作為主、備系統使用，正常模式下主系統運行，備用系統監測主系統狀態，當主系統DP網絡出現通信故障時，備用系統替換主系統運行，因此存在數秒的切換時間。另外軟件開發較為復雜、可能存在誤切換的問題。硬冗余方案對PLC控制器硬件要求較高，如西門子400系列PLC，需要配置兩套完全相同的硬件設備，包括DP主站、DP總線、中繼器及DP從站等，兩套系統同步運行，支持硬件快速切換，但存在硬件成本高以及DP從站自帶雙DP通信接口的問題。

由于A，B，C三組變頻泵的DP通信接口均為單一接口，不支持常規的硬件冗余方案。為此，本文提出了一種新的硬件冗余控制方案，控制原理如圖2所示，并采取了如下技術措施：

（1）雙DP主站同步運行技術

兩套DP主站（S7-315-2DP）硬件配置一致，均運行相同的PLC程序，以不同的IP地址與人機界面通信，采用硬件按鈕同步觸發方式實現兩套PLC控制器的同步運行，并設計了如圖3所示的同步觸發電路。

由圖3知，兩套DP主站共用一路同步觸發啟動按鈕。為消除按鈕抖動所帶來的提前觸發或重復觸發等不利影響，采用積分消抖電路、緩沖器及光耦隔離電路對其進行信號處理，將同步觸發信號的外部干擾降至最低，確保兩套DP主站能夠同步啟動運行，同步觸發啟動運行時差不超過2 ms。除此之外，要求DP主站軟件系統對同步觸發信號進行實時監測，待判斷同步觸發信號有效后，立即執行主控程序，否則將處于循環等待狀態。

（2）DP總線冗余控制技術

兩套DP主站采用兩根獨立的DP總線與DP總線冗余控制器相連接[10]。通過采用comsoft公司生產的PRS型總線冗余交換機來降低系統復雜度、減少成本及縮短開發周期。它具有自動切換邏輯和智能雙DP從站接口，可將兩個DP主站并接到DP網絡中，可實時監測DP主站通信狀態。若某個DP主站出現故障，則該交換機便將DP總線控制權自動切換到另一個DP主站，切換時間小于10 ms，切換過程不影響DP從站工作過程。若總線冗余控制器出現斷電故障時，DP總線控制權仍由默認的DP主站管理，不會對DP從站帶來影響，但失去了冗余切換的功能。

3.2 基于WinCC組態軟件技術

人機界面軟件用于完成對頻泵參數的設定及變頻泵運行狀態的實時監測。

3.2.1 基于C語言的Script編程技術

兩套DP主站均與人機界面進行通信交互，在默認情況下，人機界面顯示DP主站發送的狀態參數，若DP主站出現通信故障，則人機界面顯示DP備用主站發送的狀態參數。人機界面通過對DP主站的輸入頻率、輸出頻率及報警狀態的綜合判斷，決策該DP主站是否存在故障，決策過程如圖4所示。此類決策判斷通常采用WinCC組態軟件與C語言Script[11]方法相結合的編程技術，可實現靈活、快捷的編程效果，為基于WinCC的復雜功能編程提供一個好的解決方案。

3.2.2 人機界面自啟動技術

人機界面基于工控機+Windows XP平臺，需要對其進行自動加載配置才能實現設備加電后的自啟動效果。本項目采用WinCC AutoStart工具進行配置，首先啟動AutoStartRT.exe軟件，打開WinCC AutoStart組態工具，選擇需要開機自動運行的人機界面軟件，并選擇“啟動時激活項目”及“激活自動啟動”，即可完成人機界面的自動啟動配置。

3.2.3 系統熱鍵封鎖技術

在人機界面軟件運行過程中，如果啟動其他軟件，可能會對系統帶來不良影響，因此有必要封鎖Windows的系統熱鍵，避免此類現象發生。Windows系統熱鍵封鎖方法：在WinCC的Computer設置窗口點擊Parameters菜單選項，在Disable Keys選項中將Ctrl+Alt+Del，Alt+Tab，Ctrl+Esc，Alt+Esc快捷組合鍵選中，以確保計算機僅運行人機界面軟件。

4 試驗驗證

4.1 同步觸發運行測試

為考核兩套DP主站的同步觸發特性，將每套DP主站設置一路I/O輸出信號，供數字示波器監測使用，其初始狀態為低電平。當按下同步觸發按鈕后，兩套DP主站開始同步運行，使I/O狀態監測信號由低電平變為高電平，采用示波器對其進行采集記錄。多次測試數據表明：兩套DP主站的同步運行時間差不超過2 ms，滿足設計要求。

4.2 雙機冗余控制切換

采用一套DP從站對DP網絡通信狀態進行偵聽監測，實時記錄DP主站的通信狀態。按下同步觸發按鈕，使兩套DP主站同步運行，然后斷開DP主站與DP總線網絡的通信連接，檢查DP備用主站是否有效，同時對DP從站的監測數據進行分析處理，判斷兩套DP主站的切換時間。同理，斷開DP備用主站的網絡通信連接，檢測DP主站的通信是否有效。多次測試數據表明：兩套DP主站的冗余切換時間不超過10 ms。

4.3 系統聯合調試

系統研制完成后，對其進行了軟化水供應調試，測試數據如圖5所示，其安全可靠、操作方便的優越性得到了體現，為蒸汽發生器系統軟化水的可靠供應提供了有力保障。

5 結 語

通過對軟化水變頻泵控制系統現狀的分析，梳理出了影響軟化可靠供應的風險因素，從節省費用、實現集中測控、增強可靠性的角度出發，建立了一套基于PROFIBUS DP總線的冗余控制系統，解決了對三組軟化水變頻泵遠程可靠控制的問題。經多次試驗考核，系統各項技術指標達到了預期目標，提高了軟化水供應過程的安全性及可靠性。通過對本文關鍵技術的研究及應用，為基于PROFIBUS DP總線冗余控制領域提供了一個可靠性高、冗余切換快、開發成本低、開發周期短的解決方案，具有一定的參考和借鑒意義。

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