Profibus-DP冗余電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信系統(tǒng)
基于安全可靠，電力行業(yè)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線有冗余的要求。針對(duì)此類要求，Profibus國(guó)際組織提出了《Specifi-cationSlaveRedundancyV1.2》從站冗余規(guī)范。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)不停機(jī)的無(wú)擾動(dòng)切換。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為過(guò)程控制系統(tǒng)基本驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)驅(qū)動(dòng)閥門、擋板等機(jī)械設(shè)備對(duì)介質(zhì)流量、溫度、壓力等調(diào)節(jié)和控制，在火力發(fā)電過(guò)程中扮演著重要角色。因此研究和開發(fā)符合《SlaveRedundancyV1.2》的Profibus-DP電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并應(yīng)用于火力發(fā)電行業(yè)，提高Profibus-DP電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)之間通信的可靠性。
1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
Profibus-DP冗余電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信系統(tǒng)分為主站和從站兩類，主站又分為一類主站和二類主站。
(1)主站冗余。
一類主站是指PLC、PC或可做一類主站的控制器。一類主站與從站交換數(shù)據(jù)并控制整個(gè)DP通信網(wǎng)絡(luò)。一旦一類主站出現(xiàn)故障，則會(huì)使其控制的所有從
二類主站是指操作員工作站(如PC機(jī)加圖形監(jiān)控軟件)、編程器、操作員接口等，完成各類站點(diǎn)數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。該項(xiàng)目采用裝有西門子WinCC組態(tài)軟件的PC機(jī)作為二類主站。
(2)從站冗余。
Profibus國(guó)際組織在2004年底提出了《Specifica-tionSlaveRedundancyV1.2》，該標(biāo)準(zhǔn)的制訂確立了Profibus-DP的從站冗余規(guī)范。項(xiàng)目中以揚(yáng)修2SA8冗余現(xiàn)場(chǎng)總線電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為從站。
Profibus-DP冗余電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(dú)立的通信接口;1個(gè)冗余通信信道(RedCom);獨(dú)立的線路冗余連接。
冗余從站具有2個(gè)獨(dú)立的Profibus-DP協(xié)議通信棧，對(duì)應(yīng)于2個(gè)Profibus-DP總線接口。2個(gè)互為冗余的通信接口在系統(tǒng)組態(tài)和參數(shù)化過(guò)程中都需要被正確組態(tài)和參數(shù)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，這依賴于冗余系統(tǒng)的構(gòu)成方式。
冗余通道專門用來(lái)在冗余從站內(nèi)部交換2個(gè)協(xié)議棧之間的組態(tài)信息、總線參數(shù)信息以及輸入輸出過(guò)程數(shù)據(jù)，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(gòu)架如圖2所示。
圖2 冗余從站構(gòu)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(qǐng)求，然后才能執(zhí)行數(shù)據(jù)交換，而進(jìn)入此狀態(tài)之前，必須由主站對(duì)其賦參數(shù)、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(rèn)地址，如不需要改變地址，從站將直接接受參數(shù)賦值指令。
2.2、冗余從站故障自動(dòng)切換
當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用了Profibus總線接口之后，為了提高可靠性，可以采用雙通道(冗余型)的Profibus總線通信板。2SA8電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有雙通道(冗余)的Profibus總線通信板，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)決定哪個(gè)通道為工作通道(第一通道)，控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行操作。第二通道為被動(dòng)通道(備用通道)，只能將數(shù)據(jù)從電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳送到總線系統(tǒng)，因此，總線系統(tǒng)只能通過(guò)備用通道查看電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，而不能操作電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
當(dāng)工作通道發(fā)生故障，且備用通道可以進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)通信，則自動(dòng)切換到該備用通道。
報(bào)文和總線地址：2個(gè)通道可以被配置成使用不同的用戶數(shù)據(jù)報(bào)文，2個(gè)通道的站地址可以自由選擇。
切換準(zhǔn)則：當(dāng)不再能通過(guò)工作通道進(jìn)行數(shù)據(jù)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)、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)看門狗定時(shí)器TWD對(duì)通信過(guò)程進(jìn)行監(jiān)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(shù)據(jù)請(qǐng)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(zhǎng)時(shí)間(TWD十TOH)。
3、Profibus-DP電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)
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(zhí)行機(jī)構(gòu)的主處理器，SPI接口可擴(kuò)展E2PROM，掉電時(shí)存儲(chǔ)用戶參數(shù);冗余通道采用FPGA實(shí)現(xiàn)，可以針對(duì)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(shù)字邏輯，節(jié)省電路板空間。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)本體是公司目前正常生產(chǎn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與Profibus-DP冗余通信板之間通過(guò)串行通信方式交換數(shù)據(jù)。由于Profibus-DP物理層是RS-485接口，因此在驅(qū)動(dòng)電路部分按照Profibus規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用光電隔離芯片實(shí)現(xiàn)底層信號(hào)傳輸，通過(guò)設(shè)置終端電阻，保證信號(hào)阻抗匹配。
3.2、軟件設(shè)計(jì)
軟件主要分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)鏈路層控制器的初始化及中斷處理、Profibus-DP站狀態(tài)機(jī)、冗余協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)鏈路層控制器在上電復(fù)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(shù)化、全局控制命令、進(jìn)入/退出數(shù)據(jù)交換狀態(tài)事件、配置下載、設(shè)置從站地址、檢測(cè)到波特率、看門狗溢出等。Profibus-DP從站狀態(tài)機(jī)嚴(yán)格按照Profibus-DP協(xié)議要求實(shí)現(xiàn)。
冗余協(xié)議棧軟件實(shí)現(xiàn)主要考慮冗余狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)及冗余通道設(shè)計(jì)。冗余狀態(tài)跳轉(zhuǎn)同Profibus-DPJ、X站狀態(tài)機(jī)及冗余通道數(shù)據(jù)交換聯(lián)系緊密，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用單CPU方案，用軟件實(shí)現(xiàn)冗余通道，可以保證冗余數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性。試驗(yàn)證明，冗余數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性及冗余狀態(tài)機(jī)的及時(shí)切換是冗余電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠運(yùn)行的前提。
3.3、GSD文件設(shè)計(jì)要點(diǎn)
GSD用來(lái)描述DP設(shè)備的特性數(shù)據(jù)文件。GSD文件包含了設(shè)備所有的參數(shù)定義，包括設(shè)備所支持的波特率及DP功能、參數(shù)說(shuō)明、診斷數(shù)據(jù)的含義、模塊定義等。數(shù)據(jù)對(duì)象的指定由GSD文件中的模塊預(yù)先定義。協(xié)議實(shí)現(xiàn)符合冗余從站規(guī)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(bào)文PRM—CMD。
4、PLC組態(tài)
采用西門子STEP7V5.4組態(tài)軟件對(duì)PLC編程，首先，要對(duì)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?yàn)镻LC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(shè)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(jù)客戶要求的不同，PLC的硬件組態(tài)分為2種：模塊不同地址(見圖3)和模塊相同地址(見圖4)。如果客戶要求相同的地址，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(xiàn)，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(guī)范
4.2 PLC軟件編程
程序中幾個(gè)重要信號(hào)定義：
M2.0//讀非周期數(shù)據(jù)
M2.1//寫非周期數(shù)據(jù)
MW3//槽號(hào)
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(zhí)行機(jī)構(gòu)控制程序。
電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開向運(yùn)行邏輯(關(guān)向同理)：
A(
O M 0.0 //開按鈕
O Q 0.5 //開自鎖
)
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(zhí)行機(jī)構(gòu)開
(2)非周期性數(shù)據(jù)讀寫。
非周期數(shù)據(jù)的讀寫需調(diào)用SFC59和SFC58數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)存放在MB100以后的39個(gè)字節(jié)里面
寫程序：
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(shù)據(jù)：
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組件沒有報(bào)故障，說(shuō)明系統(tǒng)正常，已經(jīng)建立PLC和從站的通信。
5、結(jié)語(yǔ)
介紹了一種基于Profibus-DPV1協(xié)議的電動(dòng)執(zhí)行通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，給出一種基于數(shù)據(jù)對(duì)象映射的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。PI-china測(cè)試認(rèn)證及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明該通信模塊工作穩(wěn)定，可靠性高，符合智能斷路器實(shí)時(shí)監(jiān)控與聯(lián)網(wǎng)通信的要求。
