基于PROFIBUSDP总线的双机热冗余控制系统设计

王乾坤 李志勋 王宏亮

摘 要：软化水变频泵供应系统是水蒸汽发生器的重要组成环节之一，其供水品质直接影响到蒸汽温度、蒸汽供应量及其工作的可靠性。结合软化水变频泵控制任务需求，从节省费用、实现集中测控、增强可靠性的角度出发，提出了一种基于PROFIBUS DP总线的双机冗余控制方案，重点介绍了PROFIBUS DP总线通信原理、系统方案、关键设计技术及试验考核情况。实际应用表明：双机冗余控制方式稳定可靠，各项技术指标达到了预期目标，不仅提高了软化水供应系统的可靠性，还为基于PROFIBUS DP总线的冗余控制设计提供了参考和借鉴。

关键词：水蒸汽发生器；软化水；变频泵；恒压供水；PROFIBUS DP；冗余控制；远程控制

中图分类号：TP271 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

水蒸汽发生器是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的机械设备[1]。以液氧、酒精及软化水为工质的三组元水蒸汽发生器[2-3]悄然兴起，用于提供大量高温高压蒸汽。它基于火箭发动机工作原理，通过液氧和酒精的混合燃烧将软化水蒸发气化形成符合使用压力、温度品质要求的水蒸汽，具有蒸汽流量大、蒸汽温度高、占地面积小等特点[4]。

此类蒸汽发生器对软化水供应要求较高，软化水供应量直接影响到蒸汽温度、蒸汽供应量及工作可靠性，水量过大可能使蒸汽温度降低影响抽真空效果，甚至使发生器无法正常点火起动，水量过小可能使蒸汽供应量过低影响抽真空效果，使蒸汽温度过高给蒸汽引射系统带来伤害，如何实现软化水量的可靠供应是本文所要解决的关键问题之一。

某高空模拟试验系统建立了三组蒸汽发生器组合引射的试验条件，采用变频泵方式对其恒压供水，其水量大小通过调节变频泵转速来实现[5]。三组变频泵仅局限于本地操作模式，不具备远程控制条件。在试验过程中，软化水供应量受蒸汽发生器自身特性、管路杂质等因素的影响，时常出现软化水流量下降的现象，致使蒸汽温度不断爬升，甚至带来灾难性后果。这就需要派专人值守于变泵控制设备间，必要时根据软化水量下降情况快速增加变频泵转速。由于变频泵控制设备间的环境恶劣，存在易燃、易爆等安全隐患，加之试验前端的噪音过大，给指挥通信带来了一定的困难，使得软化水流量无法及时调节，极端情况下可能使蒸汽发生器出现烧蚀现象。因此，实现对三组变频泵的远程集中化控制是本文所要解决的又一关键问题。

本文基于上述需求开展方案设计，以三组变频泵为控制对象，从节省成本、可靠控制的角度出发，提出一套基于PROFIBUS DP双总线的冗余控制方案，重点解决人机隔离、远程集中控制、水量快速调节等问题，提高软化水供应过程的可靠性及安全性。

1 PROFIBUS DP总线通信原理

PROFIBUS DP总线在工业现场中被广泛应用，用于完成自动控制系统（如PLC，PC等）与分散的现场设备（I/O、驱动器、阀门、变频泵等）之间的通信任务。PROFIBUS DP总线通过双绞屏蔽线进行数据传输及网络拓扑，支持单主站或多主站系统，各主站之间采用令牌传递方式轮流与从站交换信息，最多支持127个子站，数据传输距离可达数千米[6]。结合某试验系统软化水变频泵远程控制任务需求，采用基于PROFIBUS DP总线的通信技术，将软化水供应系统中的A，B，C三組变频泵作为DP子站接入PROFIBUS DP总线中，DP主站采用两套硬件配置相同的PLC控制器进行冗余控制，一套为DP主站，另一套为DP备用主站。两者同步运行控制程序，若DP主站出现故障，则DP总线冗余控制器自动将DP总线控制权由DP主站切换给DP备用主站，从而实现DP总线的冗余控制功能。

2 系统方案

2.1 技术指标

系统技术指标如下：

（1）控制距离：不小于500 m；

（2）控制方式：双总线冗余控制；

（3）总线切换时间≤10 ms；

（4）变频泵转速调整时间≤100 ms；

（5）变频泵转速调节档位：10转/档；

（6）变频泵状态参数测试周期：100 ms。

2.2 系统组成及原理

系统主要由人机界面、网络交换机、DP主站、DP备用主站、DP总线冗余控制器、DP网络适配器、变频泵等组成，如图1所示。

人机界面基于工控机平台，DP主站基于PLC架构，人机界面与DP主站之间通过网络交换机相连接，DP主站与A，B，C三套变频器通过PROFIBUS DP总线方式通信。PROFIBUS DP主电缆采用双总线方式，均汇集于DP总线冗余控制器中，经冗余输出后与A，B，C三套变频器的DP通信接口相连接。操作员通过人机界面调节变频泵的转速，并实时监测变频泵的转速、频率、控制状态、运行状态等参数，实现对软化水流量的远程调节。人机界面采用密码方式登录，仅限岗位人员操作。关键参数设置提示信息，以声光方式报警。

2.3 系统软件

2.3.1 人机界面软件

人机界面软件[7]作为上位机软件使用，采用WinCC组态软件对其开发。人机界面软件主要完成变频泵参数的设定及变频泵状态参数的实时监控，其设计功能如下：

（1）实现两套DP主站的相互通信；

（2）实现两套DP主站的时间同步；

（3）实现对三组变频泵参数的远程调节及设定；

（4）实时监测变频泵的频率给定值、反馈值、电流反馈值等参数；

（5）实时监测变频泵的本地或远程工作模式；

（6）实时监测变频泵的运行、停止及报警状态。

2.3.2 DP主站软件

DP主站（S7-315-2DP）软件作为下位机软件使用，采用STEP7 V5.5软件对其开发。首先，需要对ASC-800变频器进行编程配置，将ASC-800变频器的GSD（设备数据库）文件导入STEP7的编程环境中[8]。然后，配置DP网络地址，两套控制器作为DP主站使用，地址设置为1，2，三组变频器均作为DP从站使用，将其设置为PPO4类型，地址分别设置为4，5，6。待变频器、DP网络地址配置完毕后，即可对PLC控制器进行编程开发。DP主站软件设计功能如下：

（1）PLC控制器硬件初始化配置；

（2）DP网络通信初始化配置；

（3）上位机的实时通信功能；

（4）同步触发运行控制功能；

（5）变频泵的实时通信功能；

（6）DP网络在线管理功能；

（7）变频泵运行参数的检测功能；

（8）声光报警功能。

3 关键技术

3.1 DP总线的冗余控制技术

常规的DP总线冗余控制方案主要包括软冗余方案和硬冗余方案[9]，其中软冗余方案对PLC控制器硬件要求不高，如西门子300系列PLC，但需要配置两套完全相同的硬件设备，包括DP主站、DP总线、中继器及DP从站等，分别作为主、备系统使用，正常模式下主系统运行，备用系统监测主系统状态，当主系统DP网络出现通信故障时，备用系统替换主系统运行，因此存在数秒的切换时间。另外软件开发较为复杂、可能存在误切换的问题。硬冗余方案对PLC控制器硬件要求较高，如西门子400系列PLC，需要配置两套完全相同的硬件设备，包括DP主站、DP总线、中继器及DP从站等，两套系统同步运行，支持硬件快速切换，但存在硬件成本高以及DP从站自带双DP通信接口的问题。

由于A，B，C三组变频泵的DP通信接口均为单一接口，不支持常规的硬件冗余方案。为此，本文提出了一种新的硬件冗余控制方案，控制原理如图2所示，并采取了如下技术措施：

（1）双DP主站同步运行技术

两套DP主站（S7-315-2DP）硬件配置一致，均运行相同的PLC程序，以不同的IP地址与人机界面通信，采用硬件按钮同步触发方式实现两套PLC控制器的同步运行，并设计了如图3所示的同步触发电路。

由图3知，两套DP主站共用一路同步触发启动按钮。为消除按钮抖动所带来的提前触发或重复触发等不利影响，采用积分消抖电路、缓冲器及光耦隔离电路对其进行信号处理，将同步触发信号的外部干扰降至最低，确保两套DP主站能够同步启动运行，同步触发启动运行时差不超过2 ms。除此之外，要求DP主站软件系统对同步触发信号进行实时监测，待判断同步触发信号有效后，立即执行主控程序，否则将处于循环等待状态。

（2）DP总线冗余控制技术

两套DP主站采用两根独立的DP总线与DP总线冗余控制器相连接[10]。通过采用comsoft公司生产的PRS型总线冗余交换机来降低系统复杂度、减少成本及缩短开发周期。它具有自动切换逻辑和智能双DP从站接口，可将两个DP主站并接到DP网络中，可实时监测DP主站通信状态。若某个DP主站出现故障，则该交换机便将DP总线控制权自动切换到另一个DP主站，切换时间小于10 ms，切换过程不影响DP从站工作过程。若总线冗余控制器出现断电故障时，DP总线控制权仍由默认的DP主站管理，不会对DP从站带来影响，但失去了冗余切换的功能。

3.2 基于WinCC组态软件技术

人机界面软件用于完成对频泵参数的设定及变频泵运行状态的实时监测。

3.2.1 基于C语言的Script編程技术

两套DP主站均与人机界面进行通信交互，在默认情况下，人机界面显示DP主站发送的状态参数，若DP主站出现通信故障，则人机界面显示DP备用主站发送的状态参数。人机界面通过对DP主站的输入频率、输出频率及报警状态的综合判断，决策该DP主站是否存在故障，决策过程如图4所示。此类决策判断通常采用WinCC组态软件与C语言Script[11]方法相结合的编程技术，可实现灵活、快捷的编程效果，为基于WinCC的复杂功能编程提供一个好的解决方案。

3.2.2 人机界面自启动技术

人机界面基于工控机+Windows XP平台，需要对其进行自动加载配置才能实现设备加电后的自启动效果。本项目采用WinCC AutoStart工具进行配置，首先启动AutoStartRT.exe软件，打开WinCC AutoStart组态工具，选择需要开机自动运行的人机界面软件，并选择“启动时激活项目”及“激活自动启动”，即可完成人机界面的自动启动配置。

3.2.3 系统热键封锁技术

在人机界面软件运行过程中，如果启动其他软件，可能会对系统带来不良影响，因此有必要封锁Windows的系统热键，避免此类现象发生。Windows系统热键封锁方法：在WinCC的Computer设置窗口点击Parameters菜单选项，在Disable Keys选项中将Ctrl+Alt+Del，Alt+Tab，Ctrl+Esc，Alt+Esc快捷组合键选中，以确保计算机仅运行人机界面软件。

4 试验验证

4.1 同步触发运行测试

为考核两套DP主站的同步触发特性，将每套DP主站设置一路I/O输出信号，供数字示波器监测使用，其初始状态为低电平。当按下同步触发按钮后，两套DP主站开始同步运行，使I/O状态监测信号由低电平变为高电平，采用示波器对其进行采集记录。多次测试数据表明：两套DP主站的同步运行时间差不超过2 ms，满足设计要求。

4.2 双机冗余控制切换

采用一套DP从站对DP网络通信状态进行侦听监测，实时记录DP主站的通信状态。按下同步触发按钮，使两套DP主站同步运行，然后断开DP主站与DP总线网络的通信连接，检查DP备用主站是否有效，同时对DP从站的监测数据进行分析处理，判断两套DP主站的切换时间。同理，断开DP备用主站的网络通信连接，检测DP主站的通信是否有效。多次测试数据表明：两套DP主站的冗余切换时间不超过10 ms。

4.3 系统联合调试

系统研制完成后，对其进行了软化水供应调试，测试数据如图5所示，其安全可靠、操作方便的优越性得到了体现，为蒸汽发生器系统软化水的可靠供应提供了有力保障。

5 结 语

通过对软化水变频泵控制系统现状的分析，梳理出了影响软化可靠供应的风险因素，从节省费用、实现集中测控、增强可靠性的角度出发，建立了一套基于PROFIBUS DP总线的冗余控制系统，解决了对三组软化水变频泵远程可靠控制的问题。经多次试验考核，系统各项技术指标达到了预期目标，提高了软化水供应过程的安全性及可靠性。通过对本文关键技术的研究及应用，为基于PROFIBUS DP总线冗余控制领域提供了一个可靠性高、冗余切换快、开发成本低、开发周期短的解决方案，具有一定的参考和借鉴意义。

参考文献

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