PLC 通讯在柔直换流站的应用

2021-05-02张锦吉

科技创新与应用 2021年12期

张锦吉

（国网福建电力有限公司检修分公司，福建福州 350000）

PLC 具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强干扰的工业现场[1-2]。基于西门子PLC 的柔直换流站暖通监控系统在数据集中管理、自动控制和故障检测等多方面具有独特优势，PLC 系统还具有改造移植、现场维护和扩容升级等方面优势，为换流站阀厅、桥臂电抗器室、直流场暖通系统的稳定运行提供了技术保证。本文主要介绍厦门柔直PLC 通讯配置应用。

1 暖通系统概述

厦门柔直暖通系统主要由两个阀厅空调系统、两个桥臂电抗器室通风系统、两个直流场通风系统构成。每个阀厅空调系统由2 台风冷螺杆式冷（热）水机组、2 台组合式空气处理机组及一套定压补水装置构成。每个直流场、桥臂电抗器室的通风系统由2 台组合式空气处理机组互为备用构成。每个阀厅、桥臂室、直流场都设有防火阀、风阀、排风机。

如图1 所示为厦门柔直暖通系统结构图，分为4 部分：

（1）暖通集中控制柜内PROFIBUS 冗余系统

暖通系统采用Profibus DP 冗余系统，以保证阀厅、桥臂、直流场的温湿度满足要求。ET200M 系统与带有Profibus DP 接口的两套独立S7-300 PLC 通讯，用于控制阀厅、桥臂室、直流场的防火阀、风阀及排风机等。

（2）暖通集中控制柜与现场设备通讯

厦门柔直共有12 台组合机、4 台水冷机组和2 套定压补水装置（用于水冷机组管道补水），这些设备都采用S7-200CN 系列PLC，分布在不同地方。通过EM277 模块连接到PROFIBUS DP 总线，通过RS485 中继器及通讯切换回路与冗余的PROFIBUS DP 总线A/B 连接。

（3）暖通集中控制柜与辅助控制系统通讯

通过CP341 通讯模块将暖通系统的报警信号上传到辅助控制系统环境监控柜内的HT-500 采集器，以实现全站暖通系统的集控。

（4）暖通集中控制柜与暖通集控主机通讯

暖通集控主机、操作面板HMI 通过MPI 网络和S7-300 通讯，实现人机互动。

2 PROFIBUS DP 冗余系统

PROFIBUS 是面向工厂自动化、流程自动化的一种国际性的现场总线标准，是一种具有广泛应用范围的、开放的数字通信系统，适合于快速、时间要求严格和可靠性要求高的各种通信任务。

PROFIBUS DP 是用于工业现场级的通信网络协议，该通信网络协议采用令牌总线和主站/从站的混合访问，通过双绞线或光缆进行联网的，数据传输速率为9.6kbps至12Mbps。

暖通监控系统是由两套独立的S7-300 系列PLC 系统（A 站和B 站）组成冗余设置，两套S7-300 同时工作，但只有一个在激活状态。暖通集中控制柜的PROFIBUS冗余系统包括硬件冗余和软件冗余。

图1 暖通系统结构图

2.1 硬件冗余

2.1.1 CPU315-2DP

两个S7-300 站的CPU 是暖通系统的核心组件，选用的型号为CPU 315-2DP。CPU 315-2DP 作为暖通监控系统的集中式控制器。如图2 所示为CPU 315-2DP 上操作员控件和指示灯[3]。该CPU 通讯配置：（1）Profibus DP 接口：用于与ET200M 分布式I/O 系统通讯用。（2）MPI 接口：用于与HMI 操作面板及主控室暖通主机通讯。

图2 CPU 315-2DP 面板示意图

由于CPU 315-2DP 的两个通讯DP 接口和MPI 接口已经用于分布式I/O 通讯和人机互动通讯。两个S7-300 站之间同步信号由扩展的CP342-5 模块DP 接口通过PROFIBUS 协议通讯来实现的，以达到两个CPU 之间软件冗余。CP342-5 是通过底板的MPI 总线和CPU 315-2DP 通讯的。

2.1.2 ET200M

每个S7-300 站都带有一个CPU 315-2DP 和一个ET200M DP 从站。ET200M 是一种模块化的分布式I/O系统。ET200M 由两个接口模块IM153 模块以及输入输出模块、功能模块和通讯模块等构成。由于ET200M 可与不同模块构成，适用于高密度、复杂的自动化任务，主要用于冗余系统。

厦门柔直暖通系统的ET200M 选用的接口模块为IM153-2，其面板示意图如图3 所示，IM153-2（DP）接口模块可以接12 块扩展模块数量。该暖通ET200M 从站所接的扩展模块用于控制阀厅、桥臂电抗器室的防火阀关闭及开启，火灾报警停机及反馈，通讯切换继电器控制。

图3 IM153-2 模块面板示意图

厦门柔直ET200M 分布式I/O 系统采用两套IM153-2 接口模块，一套输入/输出模块构成，称为PROFIBUS DP 接口的单通道双向分布式I/O 组态，如图4 所示，冗余CPU 都可以访问单通道双向I/O。CPUA/CPUB 访问的数据通过冗余链接使得两个CPU 使用完全相同的数值。任何时刻，冗余系统都只使用DP 接口中的一个。IM153-2 上的ACT LED 代表活动DP 接口。活动DP 接口称为主动通道，另一DP 接口称为被动通道。主动/被动通道上始终处于活动状态。但只有主动通道的I/O 值才会在用户程序中处理。

2.2 软件冗余

两个S7-300 站CPU 的软件冗余采用Siemens 的软件包：软件冗余（SWR），软件冗余原理图如图5 所示：两个CPU 通过PROFIBUS 冗余链接来实时同步程序，当主CPU 处理冗余程序时，备CPU 跳过这些程序。备CPU 跳过程序组件避免两个程序因报警、不同周期时间等导致的不一致。当主CPU 检测到故障后，则立即启动切换，备CPU 接管程序处理。

图4 PROFIBUS DP 接口的单通道双向分布式I/O 组态

图5 软件冗余原理图

3 现场设备与暖通集控柜通讯

3.1 S7-200 CN 系统

厦门柔直现场分布12 台组合机、4 台水冷机组和2套定压补水装置（用于水冷机组管道补水），每个设备都采用S7-200CN 系列PLC 构成一套完整的控制系统。

现场18 套S7-200CN 系统分散分布，需要通过PROFIBUS 总线将其连接到暖通集中控制柜进行集中控制。S7-200 本身并没有Profibus DP 接口，必须通过PROFIBUS-DP 模块EM-277 连接到PROFIBUS 网络，不能直接接入PROFIBUS 网络进行通信。使用Profibus DP线缆将18 个EM277 与集中控制柜的S7-300 站连接起来。

3.2 RS485 中继器

本系统18 个S7-200 系统分布在不同地点，通讯距离较长，故采用中继器来实现信号的再生，RS485 中继器面板示意图如图6 所示，RS485 中继器上下分为网段1/网段2，A1/B1 和A1'/B1'为网段1 的PROFIBUS 接口，A2/B2 和A2'/B2' 为网段2 的PROFIBUS 接口，RS485中继器除了扩展网段外，还起到网络隔离作用。

图6 RS485 中继器面板示意图

暖通集中控制柜内的PROFIBUS 总线是冗余设置，而18 套设备的PROFIBUS 接口EM277 为了节省成本没有采用冗余总线，利用RS485 中继器和切换回路来实现EM277 模块单个PROFIBUS 总线与冗余PROFIBUS 总线连接，其接线如图7 所示。

图7 通讯切换回路图

桥臂、阀厅、直流场组合机S7-200 站点信息上送至RS-485 中继模块A2'/B2'接口后经A1/B1、KA38 接入A站（S7-300）或经A1'/B1'、KA39 接入B 站（S7-300）。A 站通讯正常时，I/O 模块开出为低电平，通讯切换继电器KA40 不励磁，经KA40 常开接点沟通的KA38、KA39 继电器均不励磁，此时S7-200 站点信息经闭合的A1/B1、KA38 常闭接点将信息上送至A 站（S7-300）。A 站通讯异常时，I/O 模块开出为高电平，通讯切换继电器KA40励磁，经KA40 常开接点沟通的KA38、KA39 继电器均励磁，此时S7-200 站点信息经闭合的A1'/B1'、KA39 接点将信息上送至B 站（S7-300）。

4 暖通系统与辅助系统通讯

采用Modbus 协议可以使西门子的PLC 与各种类型的仪表以及不同厂家的设备联系在一起。本系统采用CP341 模块的Modbus 通讯将暖通系统的报警信息传到辅助控制系统的HT-500 装置。

Modbus 作为公开通信协议，具有ASCII 和RTU 两种串行传输模式，定义数据如何打包、解码的不同方式。本系统采用的是Modbus RTU 格式。通过CP341 模块的集成接口与HT500 装置之间RS485 双绞线连接，将表1 内的报警信号传送到辅助系统，以实现辅助系统对暖通系统的监视。

表1 暖通系统与辅助系统之间报警信号

5 暖通系统与HMI、PC 通讯

人机界面（HMI，也称操作面板）为操作人员以本地方式对系统进行控制和操作的试验设备。暖通集中控制柜就地有一个操作界面HMI，以供就地操作暖通系统使用。在主控室有一台暖通集控主机，用于远程监视及操作暖通系统。这两台设备（PC、HMI）与S7-300 A 站/B 站之间采用MPI 通讯组网。MPI 通讯为多点接口（Multiple Point Interface），专门设计适用于现场级和单元级的小型网络。本系统PC 主机由于没有MPI 接口，故安装内置式CP5611 模块与S7-300/HMI 进行组网。PC 主机安装WinCC 操作平台用于运维人员的控制和监视。