Profibus-DP冗余電動(dòng)執行機構通信系統
基于安全可靠，電力行業(yè)對現場(chǎng)總線(xiàn)有冗余的要求。針對此類(lèi)要求，Profibus國際組織提出了《Specifi-cationSlaveRedundancyV1.2》從站冗余規范�，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統中，可以冗余方式，將故障單元或串行鏈路自動(dòng)切換到備用單元或者串行鏈路，實(shí)現系統不停機的無(wú)擾動(dòng)切換。
電動(dòng)執行機構作為過(guò)程控制系統基本驅動(dòng)裝置，通過(guò)驅動(dòng)閥門(mén)、擋板等機械設備對介質(zhì)流量、溫度、壓力等調節和控制，在火力發(fā)電過(guò)程中扮演著(zhù)重要角色。因此研究和開(kāi)發(fā)符合《SlaveRedundancyV1.2》的Profibus-DP電動(dòng)執行機構，并應用于火力發(fā)電行業(yè)，提高Profibus-DP電動(dòng)執行機構與控制系統之間通信的可靠性。
1、系統總體結構
Profibus-DP冗余電動(dòng)執行機構通信系統分為主站和從站兩類(lèi)，主站又分為一類(lèi)主站和二類(lèi)主站。
(1)主站冗余。
一類(lèi)主站是指PLC、PC或可做一類(lèi)主站的控制器。一類(lèi)主站與從站交換數據并控制整個(gè)DP通信網(wǎng)絡(luò )。一旦一類(lèi)主站出現故障，則會(huì )使其控制的所有從
二類(lèi)主站是指操作員工作站(如PC機加圖形監控軟件)、編程器、操作員接口等，完成各類(lèi)站點(diǎn)數據讀寫(xiě)、系統配置、故障診斷等。該項目采用裝有西門(mén)子WinCC組態(tài)軟件的PC機作為二類(lèi)主站。
(2)從站冗余。
Profibus國際組織在2004年底提出了《Specifica-tionSlaveRedundancyV1.2》，該標準的制訂確立了Profibus-DP的從站冗余規范。項目中以揚修2SA8冗余現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)執行機構作為從站。
Profibus-DP冗余電動(dòng)執行機構通信系統總體結構圖如圖1所示。
圖1 系統總體結構圖
2、冗余從站
冗余從站是指帶有兩個(gè)Profibus-DP通信接口的從站，而且兩個(gè)接口之間具有特殊的冗余通信通道實(shí)現二者信息交互，工作時(shí)其中一個(gè)作為主從站通信接口，另一個(gè)作為備用從站通信接口。因此，冗余從站必須具有：至少2個(gè)連接;2個(gè)獨立的通信接口;1個(gè)冗余通信信道(RedCom);獨立的線(xiàn)路冗余連接。
冗余從站具有2個(gè)獨立的Profibus-DP協(xié)議通信棧，對應于2個(gè)Profibus-DP總線(xiàn)接口。2個(gè)互為冗余的通信接口在系統組態(tài)和參數化過(guò)程中都需要被正確組態(tài)和參數化，需要給它們分配站點(diǎn)地址，2個(gè)接口的站點(diǎn)地址可以相同也可以不同，這依賴(lài)于冗余系統的構成方式。
冗余通道專(zhuān)門(mén)用來(lái)在冗余從站內部交換2個(gè)協(xié)議棧之間的組態(tài)信息、總線(xiàn)參數信息以及輸入輸出過(guò)程數據，同時(shí)完成冗余從站的主、備用通信接口的切換。冗余從站構架如圖2所示。
圖2 冗余從站構架圖
2.1、冗余從站的初始化
在主從站的通信中，從站一般只能被動(dòng)地等待主站的請求，然后才能執行數據交換，而進(jìn)入此狀態(tài)之前，必須由主站對其賦參數、配置初始化并診斷。
從站在上電后，即處于診斷狀態(tài)，判斷主站發(fā)來(lái)的Set_Slave_Add指令，以改變本身的默認地址，如不需要改變地址，從站將直接接受參數賦值指令。
2.2、冗余從站故障自動(dòng)切換
當執行機構使用了Profibus總線(xiàn)接口之后，為了提高可靠性，可以采用雙通道(冗余型)的Profibus總線(xiàn)通信板。2SA8電動(dòng)執行機構具有雙通道(冗余)的Profibus總線(xiàn)通信板，由執行機構決定哪個(gè)通道為工作通道(第一通道)，控制電動(dòng)執行機構運行操作。第二通道為被動(dòng)通道(備用通道)，只能將數據從電動(dòng)執行機構傳送到總線(xiàn)系統，因此，總線(xiàn)系統只能通過(guò)備用通道查看電動(dòng)執行機構運行狀態(tài)，而不能操作電動(dòng)執行機構。
當工作通道發(fā)生故障，且備用通道可以進(jìn)行用戶(hù)數據通信，則自動(dòng)切換到該備用通道。
報文和總線(xiàn)地址：2個(gè)通道可以被配置成使用不同的用戶(hù)數據報文，2個(gè)通道的站地址可以自由選擇。
切換準則：當不再能通過(guò)工作通道進(jìn)行數據交換時(shí)，就必須切換到另一個(gè)通，如主站發(fā)生故障、DP連接發(fā)生中斷(電纜斷線(xiàn))、ASIC損壞、RedCom故障。
從站在通過(guò)Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信時(shí)，啟動(dòng)看門(mén)狗定時(shí)器TWD對通信過(guò)程進(jìn)行監視。TWD溢出，表示主從站通信接口發(fā)生故障，將故障通信接口模塊輸出至失效安全模式下，同時(shí)啟動(dòng)從站冗余切換操作。首先啟動(dòng)TOH，如果在TOH溢出前收到主站的傳遞數據請求則停止TOH，否則TOH溢出從站進(jìn)入失效安全模式。因此，在發(fā)生故障后，將故障發(fā)生前從站的最后一次輸出值作為從站有效輸出的最長(cháng)時(shí)間(TWD十TOH)。
3、Profibus-DP電動(dòng)執行機構實(shí)現
3.1、硬件方案
選用一款高度集成的Profibus從站芯片，它可以用于Profibus-DPV1，可連接電動(dòng)執行機構的主處理器，SPI接口可擴展E2PROM，掉電時(shí)存儲用戶(hù)參數;冗余通道采用FPGA實(shí)現，可以針對冗余從站的冗余信息交換需要隨時(shí)定制接口，提高交換效率，避免使用雙口RAM等昂貴器件，并可以大集成冗余從站中其他數字邏輯，節省電路板空間。
電動(dòng)執行機構本體是公司目前正常生產(chǎn)的執行機構，與Profibus-DP冗余通信板之間通過(guò)串行通信方式交換數據。由于Profibus-DP物理層是RS-485接口，因此在驅動(dòng)電路部分按照Profibus規范進(jìn)行設計，采用光電隔離芯片實(shí)現底層信號傳輸，通過(guò)設置終端電阻，保證信號阻抗匹配。
3.2、軟件設計
軟件主要分為3個(gè)部分：數據鏈路層控制器的初始化及中斷處理、Profibus-DP站狀態(tài)機、冗余協(xié)議棧實(shí)現。數據鏈路層控制器在上電復位后即進(jìn)行初始化，配置各個(gè)寄存器。中斷處理程序處理發(fā)生的各種事件，包括參數化、全局控制命令、進(jìn)入/退出數據交換狀態(tài)事件、配置下載、設置從站地址、檢測到波特率、看門(mén)狗溢出等。Profibus-DP從站狀態(tài)機嚴格按照Profibus-DP協(xié)議要求實(shí)現。
冗余協(xié)議棧軟件實(shí)現主要考慮冗余狀態(tài)機跳轉及冗余通道設計。冗余狀態(tài)跳轉同Profibus-DPJ、X站狀態(tài)機及冗余通道數據交換聯(lián)系緊密，在系統設計時(shí)采用單CPU方案，用軟件實(shí)現冗余通道，可以保證冗余數據交換的實(shí)時(shí)性。試驗證明，冗余數據交換的實(shí)時(shí)性及冗余狀態(tài)機的及時(shí)切換是冗余電動(dòng)執行機構可靠運行的前提。
3.3、GSD文件設計要點(diǎn)
GSD用來(lái)描述DP設備的特性數據文件。GSD文件包含了設備所有的參數定義，包括設備所支持的波特率及DP功能、參數說(shuō)明、診斷數據的含義、模塊定義等。數據對象的指定由GSD文件中的模塊預先定義。協(xié)議實(shí)現符合冗余從站規范要求，在GSD中需要增加一些關(guān)鍵字：
這樣冗余DP主站才能配合從站的切換，及時(shí)發(fā)出切換報文PRM—CMD。
4、PLC組態(tài)
采用西門(mén)子STEP7V5.4組態(tài)軟件對PLC編程，首先，要對軟件進(jìn)行硬件組態(tài)。在硬件組態(tài)之前，還需建立PLC和STEP7的通信，因為PLC組件具有2個(gè)CPU，所以，需使用路由器，并在CP443-1和路由器中設置正確的IP地址以保證通信的正常。
4.1、PLC硬件組態(tài)
根據客戶(hù)要求的不同，PLC的硬件組態(tài)分為2種：模塊不同地址(見(jiàn)圖3)和模塊相同地址(見(jiàn)圖4)。如果客戶(hù)要求相同的地址，則采用2種方式都可以，如果要求2個(gè)模塊具有不同的地址，則必須采用第一種組態(tài)方式。
第2種組態(tài)方式，必須在GSD版本5中才能實(shí)現，需增加一些關(guān)鍵命令：
PrmCmd_supp=1
//支持PrmCmd
Slave_Max_Switch_Over_Time=3
//模塊最大切換時(shí)間
Slave_Redundancy_supp=8
//支持冗余規范
4.2 PLC軟件編程
程序中幾個(gè)重要信號定義：
M2.0//讀非周期數據
M2.1//寫(xiě)非周期數據
MW3//槽號
MB5//索引
MW6//故障記錄
圖3 模塊不同地址的硬件組態(tài)
圖4 模塊相同地址的硬件組態(tài)
(1)電動(dòng)執行機構控制程序。
電動(dòng)執行機構開(kāi)向運行邏輯(關(guān)向同理)：
A(
O M 0.0 //開(kāi)按鈕
O Q 0.5 //開(kāi)自鎖
)
AN Q 0.4//關(guān)互鎖
AN Q 0.6//停止
AN Q 0.7//緊急
AN I 4.2//行程限位
AN I 4.0//力矩限位
= Q 0.5//電動(dòng)執行機構開(kāi)
(2)非周期性數據讀寫(xiě)。
非周期數據的讀寫(xiě)需調用SFC59和SFC58數據塊。
讀程序：
CALL "RD_REC"
REQ ：=M2.0
IOID ：=B#16#54
LADDR：=MW3
RECNUM：=MB5
RET_VAL：=MW6
BUSY ：=M1.2
RECORD：=P#M100.0BYTE39
//非周期數據存放在MB100以后的39個(gè)字節里面
寫(xiě)程序：
CALL "WR_REC"
REQ ：=M2.1
IOID ：=B#16#54
LADDR：=MW3
RECNUM：=MB5
RECORD：=P#M100.0BYTE27
RET_VAL：=MW6
BUSY ：=M1.2
(3)讀取診斷數據：
CALL "DPNRM_DG"
REQ ：=M40.0
LADDR：=W#16#0
RET_VAL：=MW24
RECORD：=P#M200.0BYTE20
BUSY ：=M40.1
PLC編程完后，和硬件組態(tài)一起下載進(jìn)入PLC組件中，如果PLC組件沒(méi)有報故障，說(shuō)明系統正常，已經(jīng)建立PLC和從站的通信。
5、結語(yǔ)
介紹了一種基于Profibus-DPV1協(xié)議的電動(dòng)執行通信模塊的設計與實(shí)現，給出一種基于數據對象映射的現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉換方法。PI-china測試認證及實(shí)際運行結果表明該通信模塊工作穩定，可靠性高，符合智能斷路器實(shí)時(shí)監控與聯(lián)網(wǎng)通信的要求。
