Profibus-DP冗余電動執(zhí)行機構通信系統(tǒng)
基于安全可靠，電力行業(yè)對現場總線有冗余的要求。針對此類要求，Profibus國際組織提出了《Specifi-cationSlaveRedundancyV1.2》從站冗余規(guī)范。現場總線控制系統(tǒng)中，可以冗余方式，將故障單元或串行鏈路自動切換到備用單元或者串行鏈路，實現系統(tǒng)不停機的無擾動切換。
電動執(zhí)行機構作為過程控制系統(tǒng)基本驅動裝置，通過驅動閥門、擋板等機械設備對介質流量、溫度、壓力等調節(jié)和控制，在火力發(fā)電過程中扮演著重要角色。因此研究和開發(fā)符合《SlaveRedundancyV1.2》的Profibus-DP電動執(zhí)行機構，并應用于火力發(fā)電行業(yè)，提高Profibus-DP電動執(zhí)行機構與控制系統(tǒng)之間通信的可靠性。
1、系統(tǒng)總體結構
Profibus-DP冗余電動執(zhí)行機構通信系統(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據并控制整個DP通信網絡。一旦一類主站出現故障，則會使其控制的所有從
二類主站是指操作員工作站(如PC機加圖形監(jiān)控軟件)、編程器、操作員接口等，完成各類站點數據讀寫、系統(tǒng)配置、故障診斷等。該項目采用裝有西門子WinCC組態(tài)軟件的PC機作為二類主站。
(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(guī)范。項目中以揚修2SA8冗余現場總線電動執(zhí)行機構作為從站。
Profibus-DP冗余電動執(zhí)行機構通信系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結構圖
2、冗余從站
冗余從站是指帶有兩個Profibus-DP通信接口的從站，而且兩個接口之間具有特殊的冗余通信通道實現二者信息交互，工作時其中一個作為主從站通信接口，另一個作為備用從站通信接口。因此，冗余從站必須具有：至少2個連接;2個獨立的通信接口;1個冗余通信信道(RedCom);獨立的線路冗余連接。
冗余從站具有2個獨立的Profibus-DP協(xié)議通信棧，對應于2個Profibus-DP總線接口。2個互為冗余的通信接口在系統(tǒng)組態(tài)和參數化過程中都需要被正確組態(tài)和參數化，需要給它們分配站點地址，2個接口的站點地址可以相同也可以不同，這依賴于冗余系統(tǒng)的構成方式。
冗余通道專門用來在冗余從站內部交換2個協(xié)議棧之間的組態(tài)信息、總線參數信息以及輸入輸出過程數據，同時完成冗余從站的主、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，從站一般只能被動地等待主站的請求，然后才能執(zhí)行數據交換，而進入此狀態(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、冗余從站故障自動切換
當執(zhí)行機構使用了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電動執(zhí)行機構具有雙通道(冗余)的Profibus總線通信板，由執(zhí)行機構決定哪個通道為工作通道(第一通道)，控制電動執(zhí)行機構運行操作。第二通道為被動通道(備用通道)，只能將數據從電動執(zhí)行機構傳送到總線系統(tǒng)，因此，總線系統(tǒng)只能通過備用通道查看電動執(zhí)行機構運行狀態(tài)，而不能操作電動執(zhí)行機構。
當工作通道發(fā)生故障，且備用通道可以進行用戶數據通信，則自動切換到該備用通道。
報文和總線地址：2個通道可以被配置成使用不同的用戶數據報文，2個通道的站地址可以自由選擇。
切換準則：當不再能通過工作通道進行數據交換時，就必須切換到另一個通，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Profibus-DP通信網絡進行通信時，啟動看門狗定時器TWD對通信過程進行監(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，同時啟動從站冗余切換操作。首先啟動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時間(TWD十TOH)。
3、Profibus-DP電動執(zhí)行機構實現
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，可連接電動執(zhí)行機構的主處理器，SPI接口可擴展E2PROM，掉電時存儲用戶參數;冗余通道采用FPGA實現，可以針對冗余從站的冗余信息交換需要隨時定制接口，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(jié)省電路板空間。
電動執(zhí)行機構本體是公司目前正常生產的執(zhí)行機構，與Profibus-DP冗余通信板之間通過串行通信方式交換數據。由于Profibus-DP物理層是RS-485接口，因此在驅動電路部分按照Profibus規(guī)范進行設計，采用光電隔離芯片實現底層信號傳輸，通過設置終端電阻，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)議棧實現。數據鏈路層控制器在上電復位后即進行初始化，配置各個寄存器。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、看門狗溢出等。Profibus-DP從站狀態(tài)機嚴格按照Profibus-DP協(xié)議要求實現。
冗余協(xié)議棧軟件實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系緊密，在系統(tǒng)設計時采用單CPU方案，用軟件實現冗余通道，可以保證冗余數據交換的實時性。試驗證明，冗余數據交換的實時性及冗余狀態(tài)機的及時切換是冗余電動執(zhí)行機構可靠運行的前提。
3.3、GSD文件設計要點
GSD用來描述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)議實現符合冗余從站規(guī)范要求，在GSD中需要增加一些關鍵字：
這樣冗余DP主站才能配合從站的切換，及時發(fā)出切換報文PRM—CMD。
4、PLC組態(tài)
采用西門子STEP7V5.4組態(tài)軟件對PLC編程，首先，要對軟件進行硬件組態(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中才能實現，需增加一些關鍵命令：
PrmCmd_supp=1
//支持PrmCmd
Slave_Max_Switch_Over_Time=3
//模塊最大切換時間
Slave_Redundancy_supp=8
//支持冗余規(guī)范
4.2 PLC軟件編程
程序中幾個重要信號定義：
M2.0//讀非周期數據
M2.1//寫非周期數據
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)電動執(zhí)行機構控制程序。
電動執(zhí)行機構開向運行邏輯(關向同理)：
A(
O M 0.0 //開按鈕
O Q 0.5 //開自鎖
)
AN Q 0.4//關互鎖
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//電動執(zhí)行機構開
(2)非周期性數據讀寫。
非周期數據的讀寫需調用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)一起下載進入PLC組件中，如果PLC組件沒有報故障，說明系統(tǒng)正常，已經建立PLC和從站的通信。
5、結語
介紹了一種基于Profibus-DPV1協(xié)議的電動執(zhí)行通信模塊的設計與實現，給出一種基于數據對象映射的現場總線協(xié)議轉換方法。PI-china測試認證及實際運行結果表明該通信模塊工作穩(wěn)定，可靠性高，符合智能斷路器實時監(jiān)控與聯網通信的要求。
