PROFIBUS在泰國(guó)水利工程中的應(yīng)用

一 項(xiàng)目簡(jiǎn)介：

巴帕南河位于泰國(guó)南部的洛坤府境內(nèi)，共有6條支流，流域面積含蓋了7個(gè)縣，最終在洛坤匯聚成主河道流入泰國(guó)灣。泰國(guó)王室為了減輕該地區(qū)洪水水患，阻止由于海水倒灌造成的土地鹽堿化，確保人畜飲用和農(nóng)田灌溉所需淡水的儲(chǔ)量，決定出資在巴帕南縣修建該水利工程。本工程主要包括：修建一座排水閘和4條排水河道、一座雙向船閘、本區(qū)域內(nèi)的高速公路及橫跨主河道的開啟式高架公路橋。

排水閘有10孔閘門，其中6孔為單扉門（泄洪門），4孔雙扉門（調(diào)節(jié)門）。同時(shí)，還附加了2孔魚梯閘門。船閘為雙向人字閘門，由上閘首、閘室和下閘首組成。每座閘首包括兩套人字門以滿足上游水位高或下游水位高兩種情況下的船只通航。高架公路橋?yàn)殚_啟式，正常情況時(shí)橋關(guān)閉，通行車輛。當(dāng)有大型船只通過船閘時(shí)橋開啟，船只通過，橋再關(guān)閉。區(qū)域內(nèi)有較完善的照明系統(tǒng)，包括5段公路照明和排水閘區(qū)、船閘區(qū)以及辦公區(qū)的區(qū)域照明。

二 控制系統(tǒng)概況

本控制系統(tǒng)包括4部分，即遠(yuǎn)方控制室的控制中心、排水閘門控制子系統(tǒng)、船閘和開啟橋控制子系統(tǒng)和路燈照明控制子系統(tǒng)。

遠(yuǎn)方控制室的控制中心設(shè)有2臺(tái)主PLC，2臺(tái)上位監(jiān)控主機(jī)（SCADA計(jì)算機(jī)）。共同對(duì)排水閘門、路燈照明子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方集中監(jiān)視與控制，同時(shí)對(duì)船閘和開啟橋子系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方集中監(jiān)視。控制中心還通過局域網(wǎng)與水文遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和交換。

排水閘門控制子系統(tǒng)控制的設(shè)備有排水閘14扇，魚梯閘門2扇。保證正常情況下河水的排放，同時(shí)保持充足的淡水；在洪水時(shí)期，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行泄洪；在海水倒灌時(shí)，應(yīng)關(guān)閉排水閘門以阻止海水入侵。在魚的產(chǎn)卵期，要打開魚梯以保證魚道的通暢，讓魚通過水閘到上游產(chǎn)卵及回游入海。

船閘和開啟橋子系統(tǒng)控制的設(shè)備有上下閘首共4套人字門，4套沖放水蝶閥，4套進(jìn)出閘室的通船指揮燈，1套開啟橋橋鎖，2套左右橋開啟驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2套公路橋橋頭護(hù)欄和2套交通指揮燈。船閘和開啟橋?qū)嵤┻B鎖控制。

公路照明子系統(tǒng)有5個(gè)照明控制站組成，完成對(duì)5段公路和排水閘區(qū)、船閘區(qū)和辦公區(qū)的照明控制。

根據(jù)業(yè)主要求，本控制系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)分層分布式的集中監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）。通過現(xiàn)場(chǎng)總線（PROFIBUS）將控制中心與各現(xiàn)場(chǎng)控制單元連接成一個(gè)多主——多從的PROFIBUS控制網(wǎng)絡(luò)。

三 硬件簡(jiǎn)介

由于本控制系統(tǒng)的控制設(shè)備較多，且其對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求并不很嚴(yán)格，所以我們采用了SMART I/O和VME9030 PLC這兩種基于PROFIBUS-FMS的PLC控制器。這兩種控制器均為德國(guó)PEP MODULAR COMPUTER（以下簡(jiǎn)稱PEP）公司的產(chǎn)品。以下對(duì)其作以簡(jiǎn)單的介紹：

SMART I/O：最大I/O點(diǎn)數(shù)為88點(diǎn)的小型PLC，CPU是MOTOROLA的MC68302，自帶1個(gè)PROFIBUS口，1個(gè)RS232口。適用于作智能分布式I/O。

VME9030：最大I/O點(diǎn)數(shù)512點(diǎn)的PLC，支持PROFIBUS。雙CPU芯片，即MC68080和MC68302。自帶1個(gè)PROFIBUS口，1個(gè)RS232口。適用于作主PLC。

四 控制系統(tǒng)組成：

1、控制中心（遠(yuǎn)方控制室）

控制中心包括主PLC兩臺(tái)、SCADA主機(jī)2臺(tái)，通過PROFIBUS網(wǎng)連接。

主PLC和SCADA主機(jī)均為主站，由于采用了PROFIBUS網(wǎng)，SCADA主機(jī)直接從現(xiàn)地的從站中讀取數(shù)據(jù)。而并非象傳統(tǒng)的PLC網(wǎng)絡(luò)那樣從站將數(shù)據(jù)傳給主PLC，主PLC再傳給SCADA主機(jī)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，SCADA主機(jī)直接同現(xiàn)地站交換數(shù)據(jù)，一方面減輕了主PLC的負(fù)擔(dān)，另一方面也降低了由于主PLC出錯(cuò)帶來的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

2、排水閘門控制子系統(tǒng)

在現(xiàn)場(chǎng)啟閉機(jī)室設(shè)置12個(gè)現(xiàn)地控制單元CU1～CU12，其中單扉門控制單元6套（CU3～CU8），每套1臺(tái)SMART I/O控制器；雙扉門控制單元4套（CU1，CU2，CU9，CU10），每套2臺(tái)SMART I/O控制器。魚梯閘門控制單元2套（CU11，CU12），每套一臺(tái)SMART I/O控制器。所以共16臺(tái)SMART I/O控制器。現(xiàn)地控制單元與控制中心均通過PROFIBUS總線連接成現(xiàn)地控制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行指令傳輸和數(shù)據(jù)傳輸。

本系統(tǒng)中，主PLC1和SCADA1主機(jī)均為主站，各現(xiàn)地控制單元均為從站。

由于SMART I/O是基于PROFIBUS的智能分布式I/O，所以每個(gè)現(xiàn)地控制站的現(xiàn)地控制程序就儲(chǔ)存在SMART I/O里。只有排水閘系統(tǒng)的自動(dòng)控制程序儲(chǔ)存在主PLC1里。這樣，不但減輕了主PLC的運(yùn)算負(fù)荷，同時(shí)避免了由于主PLC1出錯(cuò)造成的系統(tǒng)崩潰。

因?yàn)樵诒綪ROFIBUS網(wǎng)絡(luò)中，即使主動(dòng)脈PLC1出錯(cuò)，存放在SMART I/O中的現(xiàn)地控制程序依然可以運(yùn)行。而在傳統(tǒng)的PLC網(wǎng)絡(luò)中，由于分布式I/O或遠(yuǎn)程I/O只負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，所有控制程序都在主PLC中，一旦PLC出錯(cuò)，則系統(tǒng)崩潰。由此可見，PROFIBUS同以往的PLC網(wǎng)絡(luò)相比，的確具有不少的優(yōu)勢(shì)。

3、船閘和開啟橋控制子系統(tǒng)

在上下閘首控制室設(shè)置兩套現(xiàn)地控制單元（CU13，CU14）。每套配置一臺(tái)PLC（VME9030）。兩套現(xiàn)地控制單元與控制中心主PLC2及SCADA2主機(jī)均通過PROFIBUS總線連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

本系統(tǒng)中，主PLC2、SCADA2主機(jī)和CU13均為主站，CU14設(shè)置為從站。

由于CU13和CU14分別管理了上閘首和下閘首的設(shè)備，所以在本系統(tǒng)中這兩臺(tái)現(xiàn)地站的PLC就必須互相讀取對(duì)方的數(shù)據(jù)。同時(shí)，這兩臺(tái)PLC還必須同主PLC和SCADA主站相通訊。在PROFIBUS網(wǎng)中，通過主站之間的令牌傳遞，兩臺(tái)現(xiàn)地的PLC可以實(shí)現(xiàn)這種多站之間的數(shù)據(jù)交換。

4、路燈照明控制子系統(tǒng)

本系統(tǒng)沿公路設(shè)置了5個(gè)照明控制站（SP1～SP5）。每個(gè)站設(shè)置一套SMART I/O控制器。并通過PROFIBUS與控制中心相連接。本系統(tǒng)中主PLC2和SCADA2為主站，現(xiàn)地控制站為從站。

五 本系統(tǒng)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：

1、本控制系統(tǒng)為2層分布式的SCADA系統(tǒng)，第一層為控制中心級(jí)，第二層為現(xiàn)地控制單元構(gòu)成的現(xiàn)地級(jí)。這兩級(jí)通過PROFIBUS構(gòu)成了一個(gè)完整的控制網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)中主站有5個(gè)，從站有18個(gè)，為多主一多從系統(tǒng)。

2、本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型，通訊介質(zhì)為光纜，各站按地理位置依次連接在網(wǎng)上。5個(gè)主站之間形成邏輯環(huán)，令牌在主站之間傳遞，得到令牌的主站具有總線控制權(quán)。可以通過軟件設(shè)定主站或從站及其通訊關(guān)系，物理的拓樸結(jié)構(gòu)不變。

3、無論主站和從站，均為獨(dú)立的站點(diǎn)，可獨(dú)立完成自己的控制功能。

4、考慮到數(shù)據(jù)吞吐量和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，我們采用了93.75K的波特率進(jìn)行傳輸。

六 工程體會(huì)：

1、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化：

由于PROFIBUS采用的是線型拓樸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多主—多從方式的通訊，所以可以實(shí)現(xiàn)不同層網(wǎng)絡(luò)的互連。用一根總線將三個(gè)分系統(tǒng)所有的SMART I/O、主PLC和上位站相連接。使得控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大地簡(jiǎn)化。如果采用傳統(tǒng)的PLC遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)，通常的作法是將系統(tǒng)分解為幾個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)后，再建立一個(gè)兩到三層的通訊網(wǎng)絡(luò)，將現(xiàn)場(chǎng)信息全部送至主PLC。這樣的PLC系統(tǒng)，其龐大和復(fù)雜的程序是可想而知的。僅電纜敷設(shè)一項(xiàng)，PROFIBUS系統(tǒng)就至少節(jié)約了50%的電纜投資。

2、系統(tǒng)擴(kuò)展和修改十分方便。SMART I/O的增加和拆除十分方便。在本工程設(shè)計(jì)過程中為滿足用戶提出的新要求，經(jīng)常會(huì)需要修改設(shè)計(jì)、增減SMART I/O。每次修改都很順利。

3、分散控制，提高系統(tǒng)可靠性

本控制系統(tǒng)實(shí)際上是由三個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成的，主要控制功能都分散在現(xiàn)地控制系統(tǒng)SMART I/O一級(jí)。主PLC主要起管理作用。隨著控制功能的分散，把系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)也分散了。即使一臺(tái)SMART I/O出了故障，其他SMART I/O的工作并不受影響。不會(huì)出現(xiàn)全系統(tǒng)停止工作的情況。