Profibus-DP技术在地铁供电监控系统中应用

引言

    现场总线技术是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场网络通信技术。因其具有数字化、开放性、分散性以及对现场环境的适应性等特点而获得了广泛的应用。目前。已逐渐成熟并对工业自动化进程形成影响的现场总线主要有Profibus(Processfield bus)、HART、LonWorks、FF等。其中，Profibus总线是最为流行的现场总线技术之一。其产品广泛应用于工业、电力、能源、交通等自动化领域。Pmfibus总线是德国国家标准DIN 19245和欧洲标准EN 50170的现场总线标准。是一种国际化、开放式并与制造商无关的现场总线。从用户角度看，Profibus提供了3种通信协议类型：Profibus—PA(Process Automation)，Profibus-DP(DecentralizedPeriphery)(简称DP)，Profibus—FMS(Fieldbus Message Specification)。

    广州地铁3号线供电监控PSCADA(PowerSuDenrisory Contml And Data Acquisition)系统设计采用的是集中管理、分散布置的模式及分层分布式系统结构。现场I／O设备分散布置必然要求使用现场总线技术或网络技术实现监控系统与I／O设备交换信息。因此，在广州地铁3号线PSCADA系统中的站级管理层与1．5 kV直流开关柜使用DP现场总线实现两者之间的信息交互。

1 广州地铁3号线PSCADA系统结构

    广州地铁3号线供电系统采用2级集中供电方式，设6个供电分区，环网电压为AC 33 kV。电力监控变电所自动化系统在车站主控设备室通过车站级的以太网交换机接入主控系统。电力监控变电所自动化系统采用集中管理、分散布置的模式。分层、分布式系统结构：系统由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。系统以供电设备为对象。通过网络将所内的110 kV／33 kV／0．4 kV交流保护测控单元、1．5 kV直流保护测控单元、交直流电源系统监控单元等间隔层设备连接起来。电力监控变电所PSCADA系统结构如图1所示。

    图1 电力监控变电所PSCADA系统典型结构

    站级管理层设备由通信处理机(总控单元)、液晶显示器组成，在牵引变电主所还包括当地监控计算机。通信处理机采用可靠性高、处理能力强、实时响应速度快的工业级监控计算机。通信处理机的远程网、所内网传输都采用光纤以太网接口。

    网络通信层提供了RS-422、RS-485和CAN、Profibus等现场总线接口，及以太网、光纤以太网接口，可满足自动化系统对变电所供电设备进行监控的要求，同时提供了通信接口的可扩展能力，以满足系统扩容和增加通信手段的需要。

    间隔层设备包括：1．5 kV直流开关柜(包括馈线柜、进线柜和负极柜3种类型)，33 kV GIS(Gas Insulance Switch cabinet)REF542+综合测控保护单元。0．4 kV开关柜智能信息采集单元。110 kV线路保护。

    110kVGIS测控单元。110kV分段保护、主变保护，智能监控单元和时钟系统。每个变电所因其功能的不同可只包含部分间隔层设备，如1．5 kV直流开关柜只存在于牵引所。

    在实际系统中,1.5 kV直流开关柜与站级管理层中的总控单元l直接构成DP总线网，下面详细分析该总线网的设计及实现方案。

2 1．5 kV直流开关柜DP通信方案设计

    主控单元与1．5 kV直流开关柜通过DP总线网交互信息。并构成系统中特殊的2层通信结构。DP总线不仅具有现场总线的共同优点，也具有特殊的优势，即能够很好地满足系统可扩展性、可靠性、实时性等苛刻的要求，为整个地铁系统长期稳定运行提供保障。

    2．1通信方案设计原理及依据

    DP协议的任务只定义了用户数据通过总线在主站和子站之间的传输方式，在用户接口层定义了设备可以使用的功能以及各种类型系统和设备的行为特性，各种具体设备或DP部件的行为特性则由电子设备数据库文件(electronic device data sheets。简称GSD文件)描述。DP协议不对用户数据进行评价和具体的描述，而是定义了不同的行规或者扩展功能，这就使得DP协议具有很大的灵活性，也使其在各个领域都得到广泛应用。

    DP的总线存取控制方式是典型的纯主一从控制方式，即在单主总线网络中只允许有1个1类DP主站(主动节点)和若干个从站(被动节点)，逻辑令牌环只含有1个主动节点；在多主总线网络中。即使有多个1类DP主站．但1个从站只能被其中的1个DP主站配置，而不允许1个从站同时被多个DP主站配置或访问，这样，只有主动节点有权主动发送、存取由它所配置的从站设备，而从站只是被动地响应或应答主站的存取控制访问要求。在DP总线网络中，主站通过循环地与它所配置的从站交换数据，从而达到收集分散的间隔层设备信息和控制设备的目的。

    2．2硬件组网方案及实现

    在广州地铁3号线PSCADA中，站级管理层主设备选用研华工业一体化机。操作系统采用加拿大QSSL(QNX Software Svstems Ltd)公司的QNX实时操作系统，版本为6．2，其不仅能满足用户对数据实时处理的要求，且能安装在一般的基于X 86平台的工业控制机器上，同时其提供的Photon图形库和新动力开发工具能实现丰富的图形显示，是实时性和可视化要求的完美统一。DP总线主站采用了WoodHead公司的apDlicomIO系列板卡，其型号为DRL—DPM．PCI／PCI—DPIO—B，硬件版本为V4．2．O．软件版本为V 2．2．插在研华工业一体化机PCI插槽上完成DP总线的1类DP主站组网功能，板卡通过总线连接器连接到西门子公司带双光纤口的光链路模块OLM(Optical Link Module)上，与同样连接到光链路模块OLM的1．5 kV直流开关柜设备实现冗余的双光纤环网。如图2所示，在该冗余双光纤环网中，各个OLM通过2个光纤接口和全双工光纤电缆相互连接。形成光纤冗余环，主站(applieomIO板卡)和从站设备通过总线连接器接到对应的OLM的DP总线电接口上。这样，其中任何一条光纤链路出现了故障，OLM能自动切换到另外一条链路，并通过连接指示信号指示总线切换信息和传输线故障信息。以便进行进一步的故障处理而不影响系统的正常数据传输。一旦故障排除，总线链路又返回到正常的冗余状态。从而提高了系统的可靠性。

    图2 DP冗余光纤环网

    主从站设备和光纤冗余环正确安装、连接后。就需要对applieomIO板卡进行配置。由于站级管理层采用的操作系统是QNX实时操作系统，配置appli-comIO板卡可采用2种方法，在本方案中采用的是：根据Profibus-DP环境、运行参数以及从站设备GSD文件生成配置文件GZMetronash．ply，在ONX系统控制台(Console)下运行qnxinstall applicomIO．2．2．O—x86．applic．qpr命令安装好板卡的驱动程序，然后运行playerIO／GZMetroflash．ply即可实现板卡的配置。这种方法操作简单。适合于地铁变电所环境和运行参数一致的实际情况，且便于工程安装。

    DP总线网的从站设备由上海西门子公司提供，包括6个馈线柜(DPU96)、2个进线柜(S7)和1个负极柜(S7)。

 

    2．3站级管理层软件

    站级管理层软件的作用是实现整个变电所自动化系统中信息的收集并将信息传送至主控室，同时接收主控室的命令并转发给对应的间隔层设备。[page]

    在DP主站完成配置并组建完成OLM等硬件设备与各个开关柜的DP总线网络后，applicomIO板卡上的嵌入式DP协议处理器就可以根据配置好的子站参数生成从站轮询表，嵌入式DP协议处理程序由该表循环读写1．5 kV直流开关柜设备，并根据开关柜响应的数据信息刷新板卡双口RAM(DPRAM)上的内容，以便上层应用程序对信息数据的读取。由于DP协议不对用户数据进行评价，因此。板卡此时在DPRAM中的数据是透明的，不能在地铁PSCADA系统中直接进行分析和利用，必须将其转换成项目中使用的IEC 60870—5—104远动规约信息格式的数据。主控中心才能进行识别和利用。同样，来自主控中心的控制和设置命令也必须将IEC 60870—5—104远动规约信息格式转换成符合DP协议的透明传输数据，才能最终实现对间隔层设备的信息收集和控制。这个转换过程也就是不同应用协议信息格式的数据转换过程。

    站级管理层软件包括了3个进程，图3是软件JACKSON示意图，进程1负责图形界面显示及与主控中心的通信管理：进程2负责与各通信管理单元(即图1中的网络通信层)的通信及信息采集：进程3负责将Profibus．DP从站的信息和来自主控中心的控制命令进行协议转换，使用applicomIOQNX动态或者静态API函数库对板卡DPRAM上的数据进行读写。进程1与进程3通过QNX系统下提供的命名管道(name pipe)进行双向数据交换。

    图3 站级管理层软件JACKSON图

    2．4系统实时性分析

    地铁供电监控系统对实时性要求很高。系统通信方案能否满足实时性要求决定了该方案能否得到应用。根据广州地铁3号线的实际通信参数及软硬件环境对上述方案进行实时性分析。在本系统中，DP总线传输波特率为187．5 Kbit／s，即传输1个位的时间为5．333μs。在DP总线上，包含了1个主站，9个从站；输入数据块长度最大值为48 Byte，输出数据块长度最大值为28 Byte。1个DP报文循环所需要的时间如图4所示，tbit妇为传输1个位需要的时间。

图4 DP循环时间计算

    即1个总线循环时间为10 998×5．333μs=58．65 ms。根据EN 50170 V2标准中的规定，现场计算时考虑10％～20％的余量，则实际1个信息循环传输时间为70．38 ms(最大值)。

    供电监控系统信息延时包括信息产生、信息处理、信息传输和信息显示等，其中信息处理和信息传输时间占70％。例如，当馈线柜上一个断路器产生变位。其在DPU96上I／O滤波消耗时间为3ms，内部总线运行需1 ms。程序循环时间20 ms：总控单元程序处理(接收和显示)时间300 ms。加上信息在DP总线上循环时间70．38 ms，1个变位信号从产生到传输至总控单元的时间小于500 ms：再经光纤以太网上送到主控室小于1 s。若是对断路器或者隔离开关的遥控输出，还应加上遥控执行回路校验时间60。100 ms和机构动作时间，最大遥控输出并执行成功(无故障情况)时间小于2 s。符合电力系统国家标准。

    从以上分析得出，在PSCADA系统中采用DP总线能对现场设备信息作出实时响应，也能对断路器或者隔离开关进行实时遥控，DP总线方案能够满足用户对实时性的要求。

3结论

    本方案针对广州地铁3号线设计，引进了加拿大OSSL公司的ONX实时操作系统，在软硬件设计时利用了QNX实时操作系统的实时性和可靠性等特性，充分发挥了DP总线网的实时性优点。在DP总线网络中使用了0LM模块。组成光纤环网，加上良好的接地设计，使系统不受恶劣环境下通信线路上的电磁干扰影响，满足系统可靠性要求。

    光纤环网采用总线结构。通过通信链路的冗余，使得增加新的间隔层设备而不影响其他设备的正常工作。通过DP现场总线在PSCADA系统中的应用。极大增强了间隔层设备的信息集成能力，同时降低了系统的工程成本，提高了整个系统的可靠性和可维护性及扩展能力。

    该方案顺利通过了广州地铁3号线PSCADA系统首通段的调试并于2005年12月正式投入运行。运行效果表明，系统能够满足用户对可靠性、实时性和可扩展性等的要求，有良好的推广价值及应用前景。系统运行至今。稳定可靠，得到了用户的一致好评。