唐　輝，李　俊，呂曉東（雅礱江水電開發(fā)有限公司官地水電站，四川 西昌 615000）

MB+通信編程實(shí)現(xiàn)水電站監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制

唐輝，李俊，呂曉東
（雅礱江水電開發(fā)有限公司官地水電站，四川 西昌 615000）

摘要：通過(guò)介紹MB+網(wǎng)的應(yīng)用對(duì)象、特點(diǎn)、工作方式、幀格式等，簡(jiǎn)要說(shuō)明了壩區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱壩區(qū)LCU)的MB+組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以表孔閘門控制系統(tǒng)為例，重點(diǎn)闡述施耐德PLCUnityPro如何以MB+通信編程方式實(shí)現(xiàn)壩區(qū)LCU對(duì)輔助控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，總結(jié)官地水電站MB+組網(wǎng)應(yīng)用特點(diǎn)、不足及處理措施，指出MB+網(wǎng)對(duì)水電站輔助機(jī)電設(shè)備在檢修、運(yùn)行方面的作用及實(shí)現(xiàn)官地水電站現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展上所表現(xiàn)出的意義。

關(guān)鍵詞：MB+；LCU；PLC；MBP_MSTR；UnityPro

0　引言

官地水電站坐落在四川省涼山州，裝機(jī)4臺(tái)，共2400MW，2012年全部投產(chǎn)后由設(shè)在成都的總部集控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，電能主要輸往華東地區(qū)，作為剛投產(chǎn)的新型電站，在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)上大量采用了通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電站的數(shù)據(jù)采集與控制，其中利用MB+通信方式實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU對(duì)全廠輔助控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制。

1　MB+簡(jiǎn)介

MB+是ModBusPlus的簡(jiǎn)稱,是Schneider公司推出的一種專為工廠級(jí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)局域網(wǎng)，主要為其PLC產(chǎn)品提供一種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，是一種高速現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，也是一種典型的令牌總線網(wǎng)。它允許計(jì)算機(jī)、PLC和其他數(shù)據(jù)源以對(duì)等方式進(jìn)行通信,設(shè)備通過(guò)獲得“令牌”的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,嚴(yán)格定義了令牌的傳遞方式、數(shù)據(jù)校驗(yàn)及通信接口等方面的參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)MB＋網(wǎng)最多可支持32個(gè)對(duì)等節(jié)點(diǎn)，通信距離為457.2m，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)均分配有唯一的地址，一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有令牌就可以與所選的目標(biāo)進(jìn)行信息傳遞。數(shù)據(jù)傳送速率達(dá)1Mb/s,MB+網(wǎng)的構(gòu)成部件主要包括可編程控制器（PLC）、RR85中繼器、BP85網(wǎng)橋、BM85網(wǎng)橋多路器等，PLC是MB+網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)部件；網(wǎng)絡(luò)為模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)實(shí)際要求配置成樹形、星形、環(huán)形，傳輸介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或光纖，MB＋網(wǎng)具有高速、對(duì)等通信結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝費(fèi)用低等特點(diǎn)。典型應(yīng)用主要包括網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)監(jiān)測(cè)、程序上裝/下傳、遠(yuǎn)程測(cè)試編程等。

MB+網(wǎng)工作過(guò)程：

（1）從低地址向高地址順序傳遞令牌。

（2）其他未獲令牌節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，并記錄獲令牌節(jié)點(diǎn)的要求。

（3）原處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)獲得令牌后，便按上次擁有令牌節(jié)點(diǎn)對(duì)自己的要求收/發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)向網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)發(fā)布自己的要求，并自動(dòng)傳遞令牌。

MB+報(bào)文幀格式如表1所示。

表1

2　MB+組網(wǎng)應(yīng)用

以計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)壩區(qū)LCU接入表孔閘門控制系統(tǒng)（共5套）中的1號(hào)表孔閘門PLC為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1壩區(qū)LCUMB+網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

壩區(qū)LCU及輔助控制系統(tǒng)均采用施耐德昆騰PLC，網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)為雙絞線，與分支纜連接的專用插頭可插進(jìn)每個(gè)PLC的9針D型ModbusPlus口上，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的兩端節(jié)點(diǎn)，使用專用的終端插頭，在其余中間節(jié)點(diǎn)使用專用的TAP在線插頭，MB+網(wǎng)絡(luò)電纜總長(zhǎng)度400m，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量8個(gè)。

壩區(qū)LCU與1號(hào)表孔閘門PLC的通信是通過(guò)圖形化工程塊語(yǔ)言（FBD）的MBP_MSTR功能塊來(lái)進(jìn)行的，該功能塊是施耐德PLCUnityPro軟件專用于網(wǎng)絡(luò)通信（MB+、TCP/IP、SY/MAX以太網(wǎng)）的功能塊，使用該功能塊可以讀取或?qū)懭?號(hào)表孔閘門PLC的內(nèi)部字（%MW）。以報(bào)文中地址碼來(lái)區(qū)分5套表孔閘門，以報(bào)文中功能碼實(shí)現(xiàn)讀寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求。

3　壩區(qū)LCUMB+通信編程

壩區(qū)LCU中與1號(hào)表孔閘門PLC通信的數(shù)據(jù)讀取的初始化結(jié)構(gòu)化文本（ST）程序定義如下：

IFBKZM1_PLC=1THEN//1號(hào)表孔閘門PLC有效MBP_BKZM1:=11;//1號(hào)表孔閘門站地址11 MBPLUS_R[MBP_BKZM1].CONTROL[1]：=2；//CONTROL[1]=2：讀取1號(hào)表孔閘門PLC數(shù)據(jù)

MBPLUS_R[MBP_BKZM1].CONTROL[3]: =DINT_TO_INT(IN:=(BKZM1_DI_NO/16))+DINT_TO_INT(IN:=BKZM1_AI_NO)+1；//CONTROL [3]=DINT_TO_INT(IN:=(BKZM1_DI_NO/16)) +DINT_TO_INT(IN:=BKZM1_AI_NO)+1:數(shù)據(jù)區(qū)，讀取1號(hào)表孔閘門PLC狀態(tài)量、模擬量數(shù)據(jù)的數(shù)量；

MBPLUS_R[MBP_BKZM1].CONTROL[4]:=601; //讀取 1號(hào)表孔閘門 PLC寄存器起始地址（% MW601）

MBPLUS_R[MBP_BKZM1].CONTROL[5]:=11; //地址碼：1號(hào)表孔閘門PLC的地址

MBPLUS_R[MBP_BKZM1].CONTROL[6]:=0; //目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址:如CONTROL[5]已設(shè)置，本項(xiàng)為0

MBPLUS_R[MBP_BKZM1].ENABLE:=1；//使能=ON

ENDIF

壩區(qū)LCU中與1號(hào)表孔閘門PLC通信的數(shù)據(jù)寫入初始化程序定義如下：

IFBKZM1_PLC=1THEN

MBP_BKZM1:=11;

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].CONTROL[1]:=1;

//CONTROL[1]=1：向1號(hào)表孔閘門PLC寫入數(shù)據(jù)

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].CONTROL[3]:=1;

//CONTROL[3]=1:數(shù)據(jù)區(qū)，向1號(hào)表孔閘門PLC寫入1個(gè)字（閘門開度數(shù)據(jù)、閘門啟閉令）

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].CONTROL[4]:=800;

//寫入1號(hào)表孔閘門 PLC寄存器地址（% MW800）

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].CONTROL[5]:=11;

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].CONTROL[6]:=0;

MBPLUS_1[MBP_BKZM1].ENABLE:=1;

ENDIF

壩區(qū)LCU中與1號(hào)表孔閘門PLC通信使用MBP_MSTR功能塊，如圖2：

圖2壩區(qū)LCUMSTR功能塊圖

功能塊參數(shù)釋義：

ENABLE：若MBPLUS[MBP_BKZM1].ENABLE: =1，則功能塊激活。

SUCCESS：BooL值，當(dāng)讀取1號(hào)表孔閘門PLC數(shù)據(jù)成功時(shí)為1（ON）。

CONTROL：數(shù)組，數(shù)據(jù)類型為字，執(zhí)行通信初始化程序中的CONTROL[X]中的內(nèi)容。

DATABUF：數(shù)組，數(shù)據(jù)類型為字，對(duì)于提供數(shù)據(jù)的操作（如上位機(jī)設(shè)定閘門預(yù)置開度數(shù)據(jù)的操作、閘門的啟閉等），該數(shù)據(jù)字段為數(shù)據(jù)源。對(duì)于接收數(shù)據(jù)的操作（如讀取1號(hào)表孔閘門PLC數(shù)據(jù)），該數(shù)據(jù)字段是數(shù)據(jù)目標(biāo)。

TON：接通延時(shí)功能塊，20s內(nèi)MSTR未成功讀取表孔閘門控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)（MBPLUS_1[MBP_BKZM1]. SUCCESS參數(shù)值體現(xiàn)）則判定系統(tǒng)間MB+通信失敗。

壩區(qū)LCU節(jié)點(diǎn)地址為1號(hào)，優(yōu)先獲取令牌，向11號(hào)節(jié)點(diǎn)-1號(hào)表孔閘門PLC發(fā)出讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)要求，1號(hào)表孔閘門PLC收到讀數(shù)據(jù)要求后將數(shù)據(jù)放入起始地址為%MW601寄存器片區(qū)，MBP_MSTR功能塊從寄存器%MW601接收到的數(shù)據(jù)放在MBPLUS_1[MBP_BKZM1].DATABUF，LCU將.DATABUF中的數(shù)據(jù)字通過(guò)循環(huán)程序（定義為狀態(tài)量地址的字提取16個(gè)狀態(tài)量數(shù)據(jù)，定義為模擬量地址則提取一個(gè)模擬量數(shù)據(jù)）讀完所有的寄存器數(shù)據(jù)。

當(dāng)運(yùn)行人員在上位機(jī)經(jīng)壩區(qū)LCU預(yù)置閘門開度數(shù)據(jù)時(shí)，閘門設(shè)定值寫入MSTR功能塊程序語(yǔ)句MBPLUS1[1].DATA_BUF[1]:=DUMMY.AI_VALUE[11]，1號(hào)表孔閘門PLC收到寫數(shù)據(jù)要求后將地址% MW800清空迎接新的數(shù)據(jù)寫入，通過(guò)%MW800讀取到壩區(qū)LCU的.DATA_BUF[1]數(shù)據(jù)，設(shè)定開度值并將值回送到壩區(qū)LCU,壩區(qū)LCU判斷與1號(hào)表孔閘門 PLC的 MB+網(wǎng)通信狀態(tài)（即 MBPLUS_1 [MBP_BKZM1].ERROR=0）是否正常以及閘門設(shè)定開度值與閘門開度MB+通信反饋值（COMMU. AI_VALUE[31]）相一致后方可執(zhí)行下一步流程，否則上位機(jī)發(fā)出報(bào)警提示并拒絕執(zhí)行指令，閘門開度控制程序如下：

732:IF(MBPLUS[MBP_BKZM1].ERROR=0 ANDDUMMY.AI_VALUE[1

1]=COMMU.AI_VALUE [31])THEN

SEQ_INFO[object].CSTEP:=735;//流程下一步號(hào)ELSE

ALARM_CODE:=2501;//告警碼及編號(hào)

FAIL:=1;//流程失敗標(biāo)志

END_IF;

4　表孔閘門控制系統(tǒng)PLCMB+通信程序

以上送壩區(qū)LCU狀態(tài)數(shù)據(jù)為例，1號(hào)表孔閘門PLC通過(guò)在 FBD標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的類型轉(zhuǎn)換功能塊BIT_TO_WORD、WORD_TO_INT功能塊將BooL數(shù)據(jù)類型的輸入值轉(zhuǎn)換為整型字并向LCU上送狀態(tài)量數(shù)據(jù)，功能塊輸入既可以是PLC的DI模件輸入量、DO開出量，也可以是PLC程序中間變量。功能塊輸出則定義為1號(hào)表孔閘門PLC與壩區(qū)LCU協(xié)商一致的起始寄存器地址%MW601。MB+通信功能塊示意圖如圖3：

圖3表孔閘門PLCMB+通信功能塊圖

1號(hào)表孔閘門PLC接收壩區(qū)LCU下發(fā)的閘門開度值模擬量1個(gè)，閘門啟/停令、關(guān)閉令2個(gè)；向壩區(qū)LCU上送的模擬量信號(hào)6個(gè)，包括閘門開度、閘門行程、閘門偏差、閘門下滑量等，狀態(tài)量信號(hào)37個(gè)，包括油泵、閘門運(yùn)行狀態(tài)和控制方式、控制系統(tǒng)及傳感器狀態(tài)監(jiān)測(cè)、報(bào)警信號(hào)等，囊括了整個(gè)表孔閘門系統(tǒng)機(jī)械、電氣、二次控制系統(tǒng)的全部狀態(tài)信息。部分功能塊輸入點(diǎn)具體定義事例如表2。

表2 狀態(tài)信號(hào)上送監(jiān)控系統(tǒng)點(diǎn)表

5　組網(wǎng)特點(diǎn)、不足及解決措施

（1）組網(wǎng)特點(diǎn)：官地水電站全廠輔助控制系統(tǒng)數(shù)量眾多，分布面大，但沒(méi)有直接接入工控機(jī)，各工區(qū)的輔助系統(tǒng)相互之間也未采用網(wǎng)橋連接而是分別接入8套LCU，每套LCU接入數(shù)量不超過(guò)10個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成一次數(shù)據(jù)采集速度快，實(shí)時(shí)采集、控制性能好，而且網(wǎng)絡(luò)層級(jí)清晰，節(jié)省了大量LCU硬件及信號(hào)電纜投資。

（2）不足：組網(wǎng)傳輸介質(zhì)為雙絞線，在節(jié)點(diǎn)應(yīng)用環(huán)境惡劣的條件下，網(wǎng)絡(luò)電纜可能發(fā)生鼠咬、絕緣下降、強(qiáng)電串入、雷電波侵入，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓，而故障的查找、排查、處理比較困難，且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為鏈型，故障點(diǎn)越靠近接入LCU點(diǎn)，則脫網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)越多。

（3）解決措施

通信電纜與動(dòng)力電纜盡量分開布置，否則MB+網(wǎng)容易受到干擾，出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象。

對(duì)于鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)施技改，形成光纜環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可靠性。

在環(huán)境較差的接入節(jié)點(diǎn)，安裝防雷器，注意每個(gè)防雷器的接入衰減可減少電纜接入距離40m。

MB+網(wǎng)絡(luò)的兩端節(jié)點(diǎn)，除使用專用的終端插頭外，還要把終端插頭中的MB+干纜雙絞線接入終端阻抗匹配端子，以防止造成信號(hào)反射，影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

為保證可靠性、冗余度，輔助控制系統(tǒng)部分重要信號(hào)仍須通過(guò)硬接線方式接入所屬片區(qū)LCU。

6　結(jié)語(yǔ)

MB+網(wǎng)的應(yīng)用是對(duì)水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充與延伸，通過(guò)MB+網(wǎng)數(shù)據(jù)采集，監(jiān)控系統(tǒng)完整、全面采集全廠輔助設(shè)備系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，專業(yè)維護(hù)人員利用數(shù)據(jù)分析工具，對(duì)全廠輔助機(jī)電設(shè)備進(jìn)行故障分析、趨勢(shì)分析，參考傳統(tǒng)的計(jì)劃?rùn)z修模式，因地制宜實(shí)行狀態(tài)檢修，大大節(jié)省了人力、資金成本。同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)傳輸，使設(shè)在成都的集控人員可遠(yuǎn)程監(jiān)控全廠輔助機(jī)電設(shè)備，大大減輕了運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)值守人員的巡視負(fù)擔(dān)，為水電站實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值班、少人值守”打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化電站提供良好的支撐。

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中圖分類號(hào)：TV736

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）01-0021-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.01.007

收稿日期：2014-05-05

作者簡(jiǎn)介：唐輝（1973-），男，工程師，從事水電廠通信自動(dòng)化工作。