PLC 通訊在柔直換流站的應用

張錦吉

（國網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現場[1-2]。基于西門子PLC 的柔直換流站暖通監控系統在數據集中管理、自動控制和故障檢測等多方面具有獨特優勢，PLC 系統還具有改造移植、現場維護和擴容升級等方面優勢，為換流站閥廳、橋臂電抗器室、直流場暖通系統的穩定運行提供了技術保證。本文主要介紹廈門柔直PLC 通訊配置應用。

1 暖通系統概述

廈門柔直暖通系統主要由兩個閥廳空調系統、兩個橋臂電抗器室通風系統、兩個直流場通風系統構成。每個閥廳空調系統由2 臺風冷螺桿式冷（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成。每個直流場、橋臂電抗器室的通風系統由2 臺組合式空氣處理機組互為備用構成。每個閥廳、橋臂室、直流場都設有防火閥、風閥、排風機。

如圖1 所示為廈門柔直暖通系統結構圖，分為4 部分：

（1）暖通集中控制柜內PROFIBUS 冗余系統

暖通系統采用Profibus DP 冗余系統，以保證閥廳、橋臂、直流場的溫濕度滿足要求。ET200M 系統與帶有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、風閥及排風機等。

（2）暖通集中控制柜與現場設備通訊

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通訊

通過CP341 通訊模塊將暖通系統的報警信號上傳到輔助控制系統環境監控柜內的HT-500 采集器，以實現全站暖通系統的集控。

（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 網絡和S7-300 通訊，實現人機互動。

2 PROFIBUS DP 冗余系統

PROFIBUS 是面向工廠自動化、流程自動化的一種國際性的現場總線標準，是一種具有廣泛應用范圍的、開放的數字通信系統，適合于快速、時間要求嚴格和可靠性要求高的各種通信任務。

PROFIBUS DP 是用于工業現場級的通信網絡協議，該通信網絡協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網的，數據傳輸速率為9.6kbps至12Mbps。

暖通監控系統是由兩套獨立的S7-300 系列PLC 系統（A 站和B 站）組成冗余設置，兩套S7-300 同時工作，但只有一個在激活狀態。暖通集中控制柜的PROFIBUS冗余系統包括硬件冗余和軟件冗余。

圖1 暖通系統結構圖

2.1 硬件冗余

2.1.1 CPU315-2DP

兩個S7-300 站的CPU 是暖通系統的核心組件，選用的型號為CPU 315-2DP。CPU 315-2DP 作為暖通監控系統的集中式控制器。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 協議通訊來實現的，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。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成。由于ET200M 可與不同模塊構成，適用于高密度、復雜的自動化任務，主要用于冗余系統。

廈門柔直暖通系統的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閉及開啟，火災報警停機及反饋，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 系統采用兩套IM153-2 接口模塊，一套輸入/輸出模塊構成，稱為PROFIBUS DP 接口的單通道雙向分布式I/O 組態，如圖4 所示，冗余CPU 都可以訪問單通道雙向I/O。CPUA/CPUB 訪問的數據通過冗余鏈接使得兩個CPU 使用完全相同的數值。任何時刻，冗余系統都只使用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。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、不同周期時間等導致的不一致。當主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

圖5 軟件冗余原理圖

3 現場設備與暖通集控柜通訊

3.1 S7-200 CN 系統

廈門柔直現場分布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），每個設備都采用S7-200CN 系列PLC 構成一套完整的控制系統。

現場18 套S7-200CN 系統分散分布，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 網絡，不能直接接入PROFIBUS 網絡進行通信。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18 個S7-200 系統分布在不同地點，通訊距離較長，故采用中繼器來實現信號的再生，RS485 中繼器面板示意圖如圖6 所示，RS485 中繼器上下分為網段1/網段2，A1/B1 和A1'/B1'為網段1 的PROFIBUS 接口，A2/B2 和A2'/B2' 為網段2 的PROFIBUS 接口，RS485中繼器除了擴展網段外，還起到網絡隔離作用。

圖6 RS485 中繼器面板示意圖

暖通集中控制柜內的PROFIBUS 總線是冗余設置，而18 套設備的PROFIBUS 接口EM277 為了節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A1/B1、KA38 接入A站（S7-300）或經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 站點信息經閉合的A1'/B1'、KA39 接點將信息上送至B 站（S7-300）。

4 暖通系統與輔助系統通訊

采用Modbus 協議可以使西門子的PLC 與各種類型的儀表以及不同廠家的設備聯系在一起。本系統采用CP341 模塊的Modbus 通訊將暖通系統的報警信息傳到輔助控制系統的HT-500 裝置。

Modbus 作為公開通信協議，具有ASCII 和RTU 兩種串行傳輸模式，定義數據如何打包、解碼的不同方式。本系統采用的是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 內的報警信號傳送到輔助系統，以實現輔助系統對暖通系統的監視。

表1 暖通系統與輔助系統之間報警信號

5 暖通系統與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進行控制和操作的試驗設備。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使用。在主控室有一臺暖通集控主機，用于遠程監視及操作暖通系統。這兩臺設備（PC、HMI）與S7-300 A 站/B 站之間采用MPI 通訊組網。MPI 通訊為多點接口（Multiple Point Interface），專門設計適用于現場級和單元級的小型網絡。本系統PC 主機由于沒有MPI 接口，故安裝內置式CP5611 模塊與S7-300/HMI 進行組網。PC 主機安裝WinCC 操作平臺用于運維人員的控制和監視。

6 結束語

本文重點介紹廈門柔直暖通系統PLC 通訊結構，詳細介紹PROFIBUS DP 冗余總線、現場設備與暖通集控柜通訊、暖通系統與輔助系統通訊、MPI 通訊，對現場運維人員處理暖通故障有一定幫助。