基于网络控制的供电切换控制系统设计

摘 要：该文主要阐述了通讯网络在供电切换控制系统中的应用，以网络通讯方式实现系统控制信号的实时传递和交换。整体系统由5台电源和10台切换柜组成，具备故障自动三级备用切换及停电自启等功能。其中电源之间的故障切换由切换柜控制，而切换柜需要实时监测电源的工作状态，在电源故障或停电时发出切换控制指令，因此15台设备之间需要进行大量的控制信号联络。该文中的通讯采用1主15从的网络拓扑结构，利用PLC主从通讯（MS）和直接数据交换通信（DX）技术，根据供电切换系统的各种切换方式和功能，实现了系统内任意电源与任意切换柜之间复杂的控制信号以全双工方式的通讯功能。通过搭建试验网络平台，模拟供电切换系统的所有设备，开展网络通讯数据量与信号响应速率测试，以及系统切换功能验证。

关键词：Profibus-DP 控制联络信号 直接数据交换通信

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（b）-0016-01

实际工业应用的供电系统由多台电源和与之配套的切换柜组成。这些电源通过切换柜实现故障切换，确保供电系统对负载供电的连续性。

该文通讯设计基于PROFIBUS总线，采用西门子直接数据通讯（DX）技术，并使用西门子PLC（可编程逻辑控制器）作为主控制器，实现多台设备之间控制信号的传递。应用通讯网络替代传统干节点的控制方式实现系统功能，网络通讯设计中可使用布尔量、整数、浮点数等不同类型变量，便于控制程序设计，提高系统切换控制的准确性。

1 供电系统简介及切换控制系统设计要求

供电系统设置5台电源，每台电源通过2台切换柜与负载连接，共计15台设备。在电源发生故障时，切换柜负责工作电源、备用电源和检修电源的切换，保证主机的连续供电，保障主机的长期稳定运行。切换柜除担负切换电源工作外，还负责启停电源以及投切补偿电容和短接（消除反电动势）。

2 网络结构

网络底层为DP从站，由15台设备主控制器PLC CPU模块组成，通过PLC扩展模块采集设备内供电参数信号和部件状态信号，由PLC CPU模块进行转换处理后向主站发送。

网络中间层为DP主站。主站通过1个PLC CPU模块与15个从站CPU模块组成1主15从的网络结构。主站不仅收集所有从站上传的数据，还将这些数据通过网络接口上传至供电监控系统。

网络上层为供电监控系统。利用主站预留的网络Profinet接口，监控系统通过网络交换机以工业以太网形式进行供电参数的采集。

3 硬件选型

根据西门子300系列PLC在工业的应用情况，其稳定性和可靠性较高，通讯及数据处理能力强大，适合复杂的逻辑控制设计，满足本文通讯及切换的控制。从站选用西门子CPU 313C-2DP模块，该CPU自带1个DP接口及32点DI/DO通道。作为DP从站具备直接数据交换功能，可实现从站之间的通讯功能。

系统主站选用西门子314-2PN/DP，该CPU包括1个DP接口和2个Profinet网络接口，主站DP接口与从站DP接口通过DP插头并行连接，形成1主15从通讯网络。通过Profinet网络接口可将主站数据上传至供电监控系统。作为DP主站最大数据输入量为2003个字节，根据从站上传数据量的统计，主站满足主从通讯运行要求。314C-2PN/DP最大数据输出量为2010个字节。

4 直接数据通信硬件设置

从站直接数据通信根据供电系统电源与切换柜连接关系进行硬件组态，发送从站地址实际为该从站主从通讯上传数据所设定的起始地址，组态时只需设定接收从站地址，并根据数据量规定数据长度。直接数据通信只需在接收从站进行硬件组态。

按照供电系统控制方式，电源与切换柜之间联络信号为：启动信号（来自切换柜）、启动完成信号（来自电源）、总故障信号（来自电源）。因此任意1台电源与1台切换柜通讯实际接收和发送联络控制信号分别为1个字节，本次通讯设计1个工作电源从站向1个工作切换柜从站均发送32个字节数据，1个工作切换柜从站向1个工作电源从站发送32个字节数据，1个切换柜从站向1个检修电源从站发送16个字节数据，1个电源从站向1个检修切换柜从站发送40个字节数据。

直接数据通信只需在接收站从站进行硬件组态。

5 直接数据通信的程序设计

因为直接数据通信中发送从站地址实际是主从通讯发送从站通信区的发送起始地址，因此只需在接收从站进行程序的编写。

数据块（DB）：根据不同的发送从站在接收从站建立相应接收数据块，数据块大小为32个字节，存放相应接收的数据。

功能块（FC）：调用系统功能块SFC14，将接收区数据解包到指定数据块中。发送从站除发送控制信号外，还向接收从站发送模拟量信号。

组织块（OB1）：调用功能块（FC）。

6 结语

该项目使用西门子PLC（可编程逻辑控制器）作为电源和切换柜的主控制器，采用直接数据通信（DX）技术，较好地实现了切换柜单元内电源和切换柜之间的数据通讯，达到了最初项目预期设计要求。为保证系统运行的可靠性，在系统设计中加入少量干节点连接，干节点与通讯形成冗余模式，更进一步提高了供电系统的稳定性和可靠性。

参考文献

[1]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]马宁，孔红.S7-300PLC和MM440电源的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.