基于PROFIBUSDP總線的雙機(jī)熱冗余控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王乾坤 李志勛 王宏亮

摘 要：軟化水變頻泵供應(yīng)系統(tǒng)是水蒸汽發(fā)生器的重要組成環(huán)節(jié)之一，其供水品質(zhì)直接影響到蒸汽溫度、蒸汽供應(yīng)量及其工作的可靠性。結(jié)合軟化水變頻泵控制任務(wù)需求，從節(jié)省費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)集中測(cè)控、增強(qiáng)可靠性的角度出發(fā)，提出了一種基于PROFIBUS DP總線的雙機(jī)冗余控制方案，重點(diǎn)介紹了PROFIBUS DP總線通信原理、系統(tǒng)方案、關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)及試驗(yàn)考核情況。實(shí)際應(yīng)用表明：雙機(jī)冗余控制方式穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，不僅提高了軟化水供應(yīng)系統(tǒng)的可靠性，還為基于PROFIBUS DP總線的冗余控制設(shè)計(jì)提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：水蒸汽發(fā)生器；軟化水；變頻泵；恒壓供水；PROFIBUS DP；冗余控制；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

水蒸汽發(fā)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(jī)械設(shè)備[1]。以液氧、酒精及軟化水為工質(zhì)的三組元水蒸汽發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)工作原理，通過(guò)液氧和酒精的混合燃燒將軟化水蒸發(fā)氣化形成符合使用壓力、溫度品質(zhì)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(diǎn)[4]。

此類蒸汽發(fā)生器對(duì)軟化水供應(yīng)要求較高，軟化水供應(yīng)量直接影響到蒸汽溫度、蒸汽供應(yīng)量及工作可靠性，水量過(guò)大可能使蒸汽溫度降低影響抽真空效果，甚至使發(fā)生器無(wú)法正常點(diǎn)火起動(dòng)，水量過(guò)小可能使蒸汽供應(yīng)量過(guò)低影響抽真空效果，使蒸汽溫度過(guò)高給蒸汽引射系統(tǒng)帶來(lái)傷害，如何實(shí)現(xiàn)軟化水量的可靠供應(yīng)是本文所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

某高空模擬試驗(yàn)系統(tǒng)建立了三組蒸汽發(fā)生器組合引射的試驗(yàn)條件，采用變頻泵方式對(duì)其恒壓供水，其水量大小通過(guò)調(diào)節(jié)變頻泵轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)[5]。三組變頻泵僅局限于本地操作模式，不具備遠(yuǎn)程控制條件。在試驗(yàn)過(guò)程中，軟化水供應(yīng)量受蒸汽發(fā)生器自身特性、管路雜質(zhì)等因素的影響，時(shí)常出現(xiàn)軟化水流量下降的現(xiàn)象，致使蒸汽溫度不斷爬升，甚至帶來(lái)災(zāi)難性后果。這就需要派專人值守于變泵控制設(shè)備間，必要時(shí)根據(jù)軟化水量下降情況快速增加變頻泵轉(zhuǎn)速。由于變頻泵控制設(shè)備間的環(huán)境惡劣，存在易燃、易爆等安全隱患，加之試驗(yàn)前端的噪音過(guò)大，給指揮通信帶來(lái)了一定的困難，使得軟化水流量無(wú)法及時(shí)調(diào)節(jié)，極端情況下可能使蒸汽發(fā)生器出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)三組變頻泵的遠(yuǎn)程集中化控制是本文所要解決的又一關(guān)鍵問(wèn)題。

本文基于上述需求開(kāi)展方案設(shè)計(jì)，以三組變頻泵為控制對(duì)象，從節(jié)省成本、可靠控制的角度出發(fā)，提出一套基于PROFIBUS DP雙總線的冗余控制方案，重點(diǎn)解決人機(jī)隔離、遠(yuǎn)程集中控制、水量快速調(diào)節(jié)等問(wèn)題，提高軟化水供應(yīng)過(guò)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(yè)現(xiàn)場(chǎng)中被廣泛應(yīng)用，用于完成自動(dòng)控制系統(tǒng)（如PLC，PC等）與分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（I/O、驅(qū)動(dòng)器、閥門、變頻泵等）之間的通信任務(wù)。PROFIBUS DP總線通過(guò)雙絞屏蔽線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，支持單主站或多主站系統(tǒng)，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(gè)子站，數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá)數(shù)千米[6]。結(jié)合某試驗(yàn)系統(tǒng)軟化水變頻泵遠(yuǎn)程控制任務(wù)需求，采用基于PROFIBUS DP總線的通信技術(shù)，將軟化水供應(yīng)系統(tǒng)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(jìn)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(yùn)行控制程序，若DP主站出現(xiàn)故障，則DP總線冗余控制器自動(dòng)將DP總線控制權(quán)由DP主站切換給DP備用主站，從而實(shí)現(xiàn)DP總線的冗余控制功能。

2 系統(tǒng)方案

2.1 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)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(shí)間≤10 ms；

（4）變頻泵轉(zhuǎn)速調(diào)整時(shí)間≤100 ms；

（5）變頻泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)檔位：10轉(zhuǎn)/檔；

（6）變頻泵狀態(tài)參數(shù)測(cè)試周期：100 ms。

2.2 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、DP主站、DP備用主站、DP總線冗余控制器、DP網(wǎng)絡(luò)適配器、變頻泵等組成，如圖1所示。

人機(jī)界面基于工控機(jī)平臺(tái)，DP主站基于PLC架構(gòu)，人機(jī)界面與DP主站之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連接，DP主站與A，B，C三套變頻器通過(guò)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(jīng)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(guò)人機(jī)界面調(diào)節(jié)變頻泵的轉(zhuǎn)速，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻泵的轉(zhuǎn)速、頻率、控制狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟化水流量的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)。人機(jī)界面采用密碼方式登錄，僅限崗位人員操作。關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置提示信息，以聲光方式報(bào)警。

2.3 系統(tǒng)軟件

2.3.1 人機(jī)界面軟件

人機(jī)界面軟件[7]作為上位機(jī)軟件使用，采用WinCC組態(tài)軟件對(duì)其開(kāi)發(fā)。人機(jī)界面軟件主要完成變頻泵參數(shù)的設(shè)定及變頻泵狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，其設(shè)計(jì)功能如下：

（1）實(shí)現(xiàn)兩套DP主站的相互通信；

（2）實(shí)現(xiàn)兩套DP主站的時(shí)間同步；

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)三組變頻泵參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)及設(shè)定；

（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻泵的頻率給定值、反饋值、電流反饋值等參數(shù)；

（5）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻泵的本地或遠(yuǎn)程工作模式；

（6）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻泵的運(yùn)行、停止及報(bào)警狀態(tài)。

2.3.2 DP主站軟件

DP主站（S7-315-2DP）軟件作為下位機(jī)軟件使用，采用STEP7 V5.5軟件對(duì)其開(kāi)發(fā)。首先，需要對(duì)ASC-800變頻器進(jìn)行編程配置，將ASC-800變頻器的GSD（設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)）文件導(dǎo)入STEP7的編程環(huán)境中[8]。然后，配置DP網(wǎng)絡(luò)地址，兩套控制器作為DP主站使用，地址設(shè)置為1，2，三組變頻器均作為DP從站使用，將其設(shè)置為PPO4類型，地址分別設(shè)置為4，5，6。待變頻器、DP網(wǎng)絡(luò)地址配置完畢后，即可對(duì)PLC控制器進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)。DP主站軟件設(shè)計(jì)功能如下：

（1）PLC控制器硬件初始化配置；

（2）DP網(wǎng)絡(luò)通信初始化配置；

（3）上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信功能；

（4）同步觸發(fā)運(yùn)行控制功能；

（5）變頻泵的實(shí)時(shí)通信功能；

（6）DP網(wǎng)絡(luò)在線管理功能；

（7）變頻泵運(yùn)行參數(shù)的檢測(cè)功能；

（8）聲光報(bào)警功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 DP總線的冗余控制技術(shù)

常規(guī)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(duì)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(shè)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(tǒng)使用，正常模式下主系統(tǒng)運(yùn)行，備用系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)主系統(tǒng)DP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信故障時(shí)，備用系統(tǒng)替換主系統(tǒng)運(yùn)行，因此存在數(shù)秒的切換時(shí)間。另外軟件開(kāi)發(fā)較為復(fù)雜、可能存在誤切換的問(wèn)題。硬冗余方案對(duì)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(shè)備，包括DP主站、DP總線、中繼器及DP從站等，兩套系統(tǒng)同步運(yùn)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(wèn)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(guī)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(shù)措施：

（1）雙DP主站同步運(yùn)行技術(shù)

兩套DP主站（S7-315-2DP）硬件配置一致，均運(yùn)行相同的PLC程序，以不同的IP地址與人機(jī)界面通信，采用硬件按鈕同步觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)兩套PLC控制器的同步運(yùn)行，并設(shè)計(jì)了如圖3所示的同步觸發(fā)電路。

由圖3知，兩套DP主站共用一路同步觸發(fā)啟動(dòng)按鈕。為消除按鈕抖動(dòng)所帶來(lái)的提前觸發(fā)或重復(fù)觸發(fā)等不利影響，采用積分消抖電路、緩沖器及光耦隔離電路對(duì)其進(jìn)行信號(hào)處理，將同步觸發(fā)信號(hào)的外部干擾降至最低，確保兩套DP主站能夠同步啟動(dòng)運(yùn)行，同步觸發(fā)啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)差不超過(guò)2 ms。除此之外，要求DP主站軟件系統(tǒng)對(duì)同步觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，待判斷同步觸發(fā)信號(hào)有效后，立即執(zhí)行主控程序，否則將處于循環(huán)等待狀態(tài)。

（2）DP總線冗余控制技術(shù)

兩套DP主站采用兩根獨(dú)立的DP總線與DP總線冗余控制器相連接[10]。通過(guò)采用comsoft公司生產(chǎn)的PRS型總線冗余交換機(jī)來(lái)降低系統(tǒng)復(fù)雜度、減少成本及縮短開(kāi)發(fā)周期。它具有自動(dòng)切換邏輯和智能雙DP從站接口，可將兩個(gè)DP主站并接到DP網(wǎng)絡(luò)中，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DP主站通信狀態(tài)。若某個(gè)DP主站出現(xiàn)故障，則該交換機(jī)便將DP總線控制權(quán)自動(dòng)切換到另一個(gè)DP主站，切換時(shí)間小于10 ms，切換過(guò)程不影響DP從站工作過(guò)程。若總線冗余控制器出現(xiàn)斷電故障時(shí)，DP總線控制權(quán)仍由默認(rèn)的DP主站管理，不會(huì)對(duì)DP從站帶來(lái)影響，但失去了冗余切換的功能。

3.2 基于WinCC組態(tài)軟件技術(shù)

人機(jī)界面軟件用于完成對(duì)頻泵參數(shù)的設(shè)定及變頻泵運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2.1 基于C語(yǔ)言的Script編程技術(shù)

兩套DP主站均與人機(jī)界面進(jìn)行通信交互，在默認(rèn)情況下，人機(jī)界面顯示DP主站發(fā)送的狀態(tài)參數(shù)，若DP主站出現(xiàn)通信故障，則人機(jī)界面顯示DP備用主站發(fā)送的狀態(tài)參數(shù)。人機(jī)界面通過(guò)對(duì)DP主站的輸入頻率、輸出頻率及報(bào)警狀態(tài)的綜合判斷，決策該DP主站是否存在故障，決策過(guò)程如圖4所示。此類決策判斷通常采用WinCC組態(tài)軟件與C語(yǔ)言Script[11]方法相結(jié)合的編程技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)靈活、快捷的編程效果，為基于WinCC的復(fù)雜功能編程提供一個(gè)好的解決方案。

3.2.2 人機(jī)界面自啟動(dòng)技術(shù)

人機(jī)界面基于工控機(jī)+Windows XP平臺(tái)，需要對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)加載配置才能實(shí)現(xiàn)設(shè)備加電后的自啟動(dòng)效果。本項(xiàng)目采用WinCC AutoStart工具進(jìn)行配置，首先啟動(dòng)AutoStartRT.exe軟件，打開(kāi)WinCC AutoStart組態(tài)工具，選擇需要開(kāi)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的人機(jī)界面軟件，并選擇“啟動(dòng)時(shí)激活項(xiàng)目”及“激活自動(dòng)啟動(dòng)”，即可完成人機(jī)界面的自動(dòng)啟動(dòng)配置。

3.2.3 系統(tǒng)熱鍵封鎖技術(shù)

在人機(jī)界面軟件運(yùn)行過(guò)程中，如果啟動(dòng)其他軟件，可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)不良影響，因此有必要封鎖Windows的系統(tǒng)熱鍵，避免此類現(xiàn)象發(fā)生。Windows系統(tǒng)熱鍵封鎖方法：在WinCC的Computer設(shè)置窗口點(diǎn)擊Parameters菜單選項(xiàng)，在Disable Keys選項(xiàng)中將Ctrl+Alt+Del，Alt+Tab，Ctrl+Esc，Alt+Esc快捷組合鍵選中，以確保計(jì)算機(jī)僅運(yùn)行人機(jī)界面軟件。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 同步觸發(fā)運(yùn)行測(cè)試

為考核兩套DP主站的同步觸發(fā)特性，將每套DP主站設(shè)置一路I/O輸出信號(hào)，供數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)使用，其初始狀態(tài)為低電平。當(dāng)按下同步觸發(fā)按鈕后，兩套DP主站開(kāi)始同步運(yùn)行，使I/O狀態(tài)監(jiān)測(cè)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖?，采用示波器?duì)其進(jìn)行采集記錄。多次測(cè)試數(shù)據(jù)表明：兩套DP主站的同步運(yùn)行時(shí)間差不超過(guò)2 ms，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 雙機(jī)冗余控制切換

采用一套DP從站對(duì)DP網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)進(jìn)行偵聽(tīng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)記錄DP主站的通信狀態(tài)。按下同步觸發(fā)按鈕，使兩套DP主站同步運(yùn)行，然后斷開(kāi)DP主站與DP總線網(wǎng)絡(luò)的通信連接，檢查DP備用主站是否有效，同時(shí)對(duì)DP從站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，判斷兩套DP主站的切換時(shí)間。同理，斷開(kāi)DP備用主站的網(wǎng)絡(luò)通信連接，檢測(cè)DP主站的通信是否有效。多次測(cè)試數(shù)據(jù)表明：兩套DP主站的冗余切換時(shí)間不超過(guò)10 ms。

4.3 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

系統(tǒng)研制完成后，對(duì)其進(jìn)行了軟化水供應(yīng)調(diào)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示，其安全可靠、操作方便的優(yōu)越性得到了體現(xiàn)，為蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)軟化水的可靠供應(yīng)提供了有力保障。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)軟化水變頻泵控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的分析，梳理出了影響軟化可靠供應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素，從節(jié)省費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)集中測(cè)控、增強(qiáng)可靠性的角度出發(fā)，建立了一套基于PROFIBUS DP總線的冗余控制系統(tǒng)，解決了對(duì)三組軟化水變頻泵遠(yuǎn)程可靠控制的問(wèn)題。經(jīng)多次試驗(yàn)考核，系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，提高了軟化水供應(yīng)過(guò)程的安全性及可靠性。通過(guò)對(duì)本文關(guān)鍵技術(shù)的研究及應(yīng)用，為基于PROFIBUS DP總線冗余控制領(lǐng)域提供了一個(gè)可靠性高、冗余切換快、開(kāi)發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)周期短的解決方案，具有一定的參考和借鑒意義。

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