CN101515173A

CN101515173A - 传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备

Info

Publication number: CN101515173A
Application number: CNA2009100245686A
Authority: CN
Inventors: 李臣明; 石爱业; 樊棠怀; 徐立中; 马贞立; 李建霓; 施建强; 李敏; 郑胜男; 彭立军
Original assignee: Nanjing Rui Rui Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Current assignee: Nanjing Rui Rui Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2009-08-26

Abstract

本发明公布了一种传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备，包括工业计算机、可编程控制器、水位码盘传感器、显示器、报警继电器、电源、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器，其中可编程控制器、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器分别与电源电连接，水位码盘传感器的输出端接可编程控制器的输入端，可编程控制器的输出端分别接工业计算机的输入端、显示器的输入端和报警续电器的输入端。本发明功能可重新配置，系统根据需要重新进行工作组态，系统在工作体制上具有高可靠性，精确性及经济性。

Description

传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备

技术领域

本发明涉及一种传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备，属于水电站的水库上下游水位、拦污栅后水位、水温、辅机通用压力信号参数等的测量和控制领域。

背景技术

目前，面向水电站的水库上下游水位、拦污栅后水位、水温、辅机管道压力脉动信号参数等的测量和控制设备，存在以下问题：

①现有的测量系统不具备功能可重新配置，在被测量对象发生重大变化或系统需要升级改造时，或者某些被测量传感器及相关设备检修维护，而其他的被测量传感器及相关设备仍然需要正常工作，但是，现有的设备设计方法和制造形式不能够适应。

②水库的上下游水位、拦污栅后水位、水温等水文数据，以及机组锥管压力参数等的测量设备都是分散式设计，水位、水温、辅机压力信号等参数的测量不能够集中在一面测量屏上，造成维护和检修不方便。

③现有的测量系统在工作体制上存在不可靠性的隐患。

④若采用一般的技术实现，并不能够很好地解决上述的三个问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备。

本发明传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备，其特征在于包括工业计算机、可编程控制器、水位码盘传感器、显示器、报警继电器、电源、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器，其中可编程控制器、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器分别与电源电连接，水位码盘传感器的输出端接可编程控制器的输入端，可编程控制器的输出端分别接工业计算机的输入端、显示器的输入端和报警继电器的输入端。

本发明针对上述的问题，本发明采用了三种主要技术和措施进行设计：①引进采用国际上近年来在传感器领域出现的新技术——可重配置传感器(reconfiurable sensors)技术，并加以改造。②采用光机电一体化的传感器总线和设备总线分层结构。③采用系统冗余备份设计。

因此使得本发明具有功能可重新配置性，系统可根据需要重新进行工作组态，以及系统在工作体制上具有高可靠性。

可重配置传感器(reconfigurable sensors)是近年来在传感器领域出现的新技术，在航空航天，工业控制，环境监测等领域越来越受到重视。可重配置传感器是指通过通信链路，对远程或分布的传感器实施参数调整，量程标定，工作组态，通信路由、软件更新等功能；可重配置传感器的目标是实现远程或分布传感器数据采集的可靠性，精确性及经济性。目前一些国外大学和研究机构在该领域已取得了一些成果，如美国Dartmouth College的可重配置传感器网络海洋气象监测系统，美国NASA的火星大气环境参数悬浮探测系统等，这些工作得到了美国NFS，美围空军，DARPA及欧洲政府的资助。可重配置传感器是在智能传感器(Smart Sensors)基础上衍生发展起来的。20世纪80年代兴起的智能传感器是兼有传感与信息处理功能的传感器系统。智能传感器的设计着眼于自补偿、自诊断、自校验以及信号调理与通信等。而可重配置传感器强调远程受控，如远程在线工作组态和参数设定以及可动态通信组网等，可重配置传感器适合环境恶劣、无人值守、被测量动态范围较大等领域的监测。

本发明是在对可重配置传感器技术的引进和加以改造基础上，并综合采用了工业控制网络、光机电一体化、系统冗余可靠性等先进的工业自动化技术而设计的。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是本发明的系统原理方框图；

图3是本发明的综合测量屏外形示意图；

图4是本发明的工控机应用软件系统方框图；

图5是本发明的通讯处理器(CP 342-5)与码盘式传感器连接电原理图；

图6是本发明的SM332模拟量输出电原理图I；

图7是本发明的SM332模拟量输出电原理图II；

图8是本发明的SM332模拟量输出电原理图III；

图9是本发明的SM322开关量输出电原理图；

图10是本发明的SM331模拟量输入电原理图。

具体实施方式

如图1所示。本发明传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备，其特征在于包括工业计算机、可编程控制器、水位码盘传感器、显示器、报警继电器、电源、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器，其中可编程控制器、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器分别与电源电连接，水位码盘传感器的输出端接可编程控制器的输入端，可编程控制器的输出端分别接工业计算机的输入端、显示器的输入端和报警继电器的输入端。

如图2所示。“测量传感器部分”包括：2个水位码盘式传感器、5个水位投入式传感器、2个水温传感器、6个真空压力变送器(传感器)。

“测量传感器部分”上述15台传感器(变送器)与PLC的各功能模块相连，其中上游水位码盘传感器、下游水位码盘传感器以PROFIBUS-DP从站的形式与PLC的PROFIBUS CP342-5通讯模块组成PROFIBUS-DP网络型的传感器网络，以数字量的形式传送数据。码盘传感器响应速度快、误码率低、精度高。上游水位投入式传感器、下游水位投入式传感器、1-3#机组的拦污栅栅后水位投入式传感器、水库水温传感器、尾水水温传感器、1-3#辅机的(尾水管道压力脉动)真空压力变送器以4-20mA标准模拟量信号接入PLC的模拟量输入模块SM331，各传感器/变送器安装在预定的设计位置，物理量测量的不同会以电流的大小反映给PLC的模拟量输入模块，水温度传感器、真空压力变送器的工作原理与投入式传感器相同。投入式传感器的误差为±3CM，水温度变送器的±1℃。

“PLC(可编程控制器)部分”配置有：电源模块、CPU模块、通讯处理器模块(PROFIBUS-DP通讯模块)、3个模拟量输出模块、1个开关量输出模块、2个模拟量输入模块。PLC为SEMENS300系列。

CPU模块是核心部分，负责处理各功能模块的数据及与工控机应用软件的通讯，并且为PLC背板总线提供+5V电源，通讯处理器模块(PROFIBUS-DP通讯模块)负责与上游水位码盘传感器、下游水位码盘传感器的通信以采集实时数据采集；模拟量输入模块负责把采集到的模拟量信号传送给CPU模块并转换成对应的数字量；模拟量输出模块负责把CPU模块传送的上游水位、下游水位、毛水头等水文数据从不同通道以4-20mA标准模拟量信号传送给现场的其它设备；开关量输出模块负责把CPU模块输出的拦污栅压差偏高过高、上下游水位的偏高偏低以及码盘传感器故障等信号输出到相应的开关量输出点，从而触发继电器动作，并继而点亮指示灯等。当电源模块的开关打在“ON”时，CPU模块和PROFIBUS-DP通讯模块的运行模式开关为“RUN”时，码盘传感器电源模块的开关打在“ON”，模拟量变送器电源模块的开关打在“ON”PLC就进入运行和自动测量状态。

“报警继电器部分”有16个继电器组成。

“LED显示器部分”有3个LED显示器组成。

工控机采用一体化工控机型，研华AWS8248。研华AWS8248采用19″机架式机箱，此机箱可容纳一个14槽PCI/ISA总线无源底板或者标准ATX主板，并支持各种电源。能够在冲击、振动和灰尘较多的恶劣环境下工作。它带有可视化的电源以及硬盘指示灯，可增强系统实用性，兼容Dialogic CT板卡，设计有先进的冷却系统，将一个冷却风扇放在最佳放置，能对系统的重要部件进行降温，灵活的机械设计支持300W ATX PFC PS/2电源和300W ATX PFC冗余电源。具体配置为：内存：512M，15英寸的液晶LCD显示屏，显示分辨率为1024*768。软件环境：Windows2000操作环境，硬盘容量80G。

工控机的COM口(JK2)与PLC中CPU模块中的MPI(JK1)通讯接口相连，工控机运行的应用软件系统与PLC的MPI口通讯，使PLC内的水文数据上传给应用软件系统，并且以表格、曲线等多种形式在工控机的LCD屏上相应显示。应用软件支持对数据库的各种操作和对数据的综合处理，对于24小时内的上游水位的最高及发生时刻进行记录，对24小时以内的毛水头、水库水温、尾水水温等水文数据，各自进行平均值计算等，并且定时对各水文数进行记录，方便用户查询。

为了把各水文数据同水电厂监控、大坝测压、水情测报等系统共享，在工控机上留有RS485通讯口。

工控机应用软件管理的通讯方式：以RS485方式把上游水位、下游水位、毛水头、1-3#机组的拦污栅压差、水库水温、尾水水温送给电站监控系统、大坝测压等系统使用，以实现数据共享。

图3是本发明的综合测量屏外形示意图。

如图3所示，综合测量屏的屏柜外形尺寸是2200×800×600毫米(mm)。综合测量屏的上半部分主要安装指示灯、LED显示器仪表、指示灯、工控机等部件。下半部分主要安装PLC、继电器和连接器等。

屏上的指示灯为各拦污栅压差偏高和过高报警，上游水位、下游水位的偏高和偏低报警，以及码盘传感器的故障报警。另外，在测量屏上还有3台LED显示器仪表实时显示上游水位、下游水位、毛水头。

图4是本发明(实用新型)的工控机应用软件系统方框图。

如图4所示，工控机应用软件主要由以下软件模块组成：数据库系统模块、数据采集和控制模块、通信服务模块、图形显示模块、系统管理模块和参数设置模块等。

数据库系统包括实时数据库和历史数据库的管理，以及为各处理程序生成维护系统运行所要求的全部数据文件。数据采集和控制模块能采集从PLC以及水位传感器传来的数据，监视数据通信的差错。接受操作员的命令，并把命令传向PLC。数据采集和控制的功能能够处理所有的输入、输出，根据任务的优先级，操作反映及系统事件表安排所有的控制任务，能提供与PLC的所有通信联系。通信服务模块的功能处理所有的通信接口服务请求，提供在线和离线PLC、水位传感器和远程CPU之间的连接，为操作员提供询问系统和指导系统要执行动作的人机对话能力。系统管理的功能能够对整个系统进行管理。参数设置的功能允许操作员对系统进行参数修改和设置。图形显示的功能能够进行图形和数据显示，记录控制所有的信息送到硬盘上存储，包括系统事件和操作员引起的信息。

如图4所示，本发明的工控机应用软件根据PLC传送的上游水位、下游水位、1-3#机组拦污栅的栅后水位、水库水温、尾水(下游)水温等数据自动计算出毛水头、1-3#机组的拦污栅压差、日毛水头平均值、日上游水位平均值、日最高上游水位，以及最高上游水位产生时间。

各水文数据表格形式显示，并自动记入实时数据库，每15分钟记录一次数据，方便操作用户查询。上下游水位实时曲线显示，直观地反映出了其24小时变化趋势。各种报警信号(拦污栅压偏高、过高；水位偏高、偏低；码盘传感器故障)自动记入事件数据库，操作用户可方便查询各报警事件，报警值以及发生时刻。

表1是本发明的工控机RS485通讯协议。

如表1所示，工控机RS485通信格式：波特率为9600，8位数据位，1位停止位，无校验。无须请求，每5秒钟自动发出一帧数据，每一帧数据共50个字符，其中起始符为“#”，中间8个测量量共48个字符；结束符为“！”。

表1

图5是本发明的通讯处理器(CP 342-5)与码盘式传感器连接电原理图。

对照图5，通讯处理器模块(PROFIBUS-DP通讯模块)型号是CP342-5，其模块上的通讯接口经过RS485防雷器XFQ1与上游码盘式传感器和下游码盘式传感器相连接。

上游水位码盘传感器MP1的“1”和“2”和下游水位码盘传感器MP2的“1”和“2”，经过RS485防雷器XFQ1与通讯处理器模块的通讯接口“3”和“8”对应连接。上下游水位码盘传感器以PROFIBUS-DP从站的形式与通讯模块组成PROFIBUS-DP网络型的传感器网络。

上游水位码盘传感器MP1的“3”和“4”和下游水位码盘传感器MP2的“3”和“4”与码盘电源PS2的M-(电源负)和L+(电源正)对应相连。

图6是本发明的SM332模拟量输出电原理图I。

对照图6，模拟量输出模块(型号是6SES7332-5HD01-0AB0)的“1”端接24V电源正端，“20”端接24V电源负端。“3”和“6”端经接线端子X4:1及X4:2输出上游水位模拟量信号，“7”和“10”端经接线端子X4:3及X4:4输出下游水位模拟量信号，“11”和“14”端经接线端子X4:5及X4:6输出毛水头模拟量信号，“15”和“18”端经接线端子X4:7及X4:8输出备用模拟量信号。

图7是本发明的SM332模拟量输出电原理图II。

对照图7，模拟量输出模块(型号是6SES7332-5HD01-0AB0)的“1”端接24V电源正端，“20”端接24V电源负端。“3”和“6”端经接线端子X4:9及X4:10输出1#拦污栅压差模拟量信号，“7”和“10”端经接线端子X4:11及X4:12输出2#拦污栅压差模拟量信号，“11”和“14”端经接线端子X4:13及X4:14输出3#拦污栅压差模拟量信号，“15”和“18”端经接线端子X4:15及X4:16输出水库水温模拟量信号。

图8是本发明的SM332模拟量输出电原理图III。

对照图8，模拟量输出模块(型号是6SES7332-5HD01-0AB0)的“1”端接24V电源正端，“20”端接24V电源负端。“3”和“6”端经接线端子X4:17及X4:18输出毛水头模拟量信号，“7”和“10”端经接线端子X4:19及X4:20输出毛水头模拟量信号，“11”和“14”端经接线端子X4:21及X4:22输出毛水头模拟量信号，“15”和“18”端经接线端子X4:23及X4:24输出尾水水温模拟量信号。

图9是本发明的SM322开关量输出电原理图。

对照图9，开关量输出模块(型号是6SES7322-1B01-0AA0)的“1”端、“11”端接24V电源正端，“20”端接24V电源负端。“2”～“9”端依次对应接继电器K1线包～K8线包，“12”～“19”端依次对应接继电器K9线包～K16线包。继电器K1～继电器K11触点的一端依次对应接指示灯HL1～HL12。继电器K1～继电器K11触点的另外一端连接24V电源正端。指示灯HL1～HL12的另外一端连接24V电源负端。

图10是本发明的SM331模拟量输入电原理图。

对照图10，模拟量输入模块(型号是6SES7331-7NF00-0AB0)的“22”端、“24”端、“26”端、28”端经接线端子X3:9～X3:12，通过信号防雷器FL1～FL4依次接上游水位投入式传感器LT1、1#～3#拦污栅后投入式传感器LT2～LT4。

对照图10，模拟量输入模块的“32”端经接线端子X3:13通过信号防雷器FL5接下游水位投入式传感器LT5，“34”端经接线端子X3:14通过信号防雷器FL6接水库水温传感器TT1，“36”端经接线端子X3:15通过信号防雷器FL7接尾水水温传感器TT2。电源+24V通过信号防雷器FL8～FL14向投入式传感器LT1～LT5和水温传感器TT1、TT2供电。

Claims

1.一种传感器总线和设备总线网络分层结构的光机电测控设备，其特征在于包括工业计算机、可编程控制器、水位码盘传感器、显示器、报警继电器、电源、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器，其中可编程控制器、压力型投入式水位传感器、水温测量传感器和真空压力变送器分别与电源电连接，水位码盘传感器的输出端接可编程控制器的输入端，可编程控制器的输出端分别接工业计算机的输入端、显示器的输入端和报警继电器的输入端。