杂木寺水电站双冗余水位测量系统设计

杜 岗，吴 峰，孙 振

（1.连云港职业技术学院，江苏省连云港市 222000；2.徐州中矿新远晨自动化系统有限公司，江苏省徐州市 221000）

杂木寺水电站双冗余水位测量系统设计

杜 岗1，吴 峰1，孙 振2

（1.连云港职业技术学院，江苏省连云港市 222000；2.徐州中矿新远晨自动化系统有限公司，江苏省徐州市 221000）

本文根据杂木寺水电站水位测量系统的功能需要，提出了一种双冗余水位测量系统方案。系统分成两个功能单元部分：以PLC处理器为核心的基于PROFINET网络的水位采集单元和以协调器节点、传感器节点为核心的基于ZigBee 无线传感网络的水位采集单元，两个功能单元都从GAX60型号双输出编码器采集数据信号，都与工控机相连接，构成一个功能独立且互为冗余的系统。这种设计大大提高了系统运行的可靠性。

水位测量；冗余；PLC；ZigBee；WSN

0 序言

杂木寺电站位于甘肃省武威市天祝藏族自治县与凉州区境内的杂木河干流上，是杂木河毛藏寺渠首河段规划的第三座梯级电站。电站安装有两台单机容量为9000kW的立轴混流式水轮发电机组和1台单机容量为5000kW的立轴混流式水轮发电机组（简称小机），总装机容量23MW，多年平均发电量7938万kW·h，年利用小时数3451h。上下游水位、毛水头、拦污栅压差等关键水文数据是水电站机组运行和大坝监测需要重点监控的数据对象，因此，保证水位测量系统的稳定可靠运行十分重要。根据工程需要，于2010年1月开始对电站的水位测量系统进行升级改造，升级前，系统采用的是通过PLC读取传感器模拟量信号的模式，由于信号线数量多且敷设路径长，线路损坏情况时有发生，水位测量系统也因此经常出现无法采集数据的现象。改造过程中，笔者结合现有工程基础并在充分研究ZigBee无线传感技术和基于PROFINET网络的西门子远程IO技术的基础上，提出一种双冗余的水位数据采集系统。这一设计大大提高了系统运行的稳定性和可靠性。改造工程于2010年10月完成并通过验收。

1 系统总体结构方案

系统分成两个功能单元部分：以PLC处理器为核心的基于PROFINET网络的水位采集单元（以下简称功能单元1）和以协调器节点、传感器节点为核心的基于无线传感网络的水位采集单元（以下简称功能单元2）。水位传感器经GAX60双输出编码器为两个功能单元同时提供现地水位数据信号来源，其中4～20mA信号输出至功能单元1，485信号输出至功能单元2。这两个功能单元一个是有线式的，一个是无线式的，分别与测量屏工控机的RJ45口和串行通信接口相连接，互为冗余。平时，基于PLC和PROFINET网络的有线式水位采集系统投入使用，当有线传输链路故障时，系统自动切换选择无线网络进行数据采集，这种设计增强了系统的鲁棒性，大大提高了系统运行的可靠性。系统结构如图1所示。

2 基于PLC和PROFINET网络的水位数据采集单元设计（功能单元1）

功能单元1 由集控端和现地端两部分组成，集控端以西门子S7-300（型号为CPU315-2PN/DP）为数据处理中心，带有一个RJ45 网口和一个PROFIBUS DP接口[1]。现地端采用西门子远程IO（IM153-4PN）进行水位数据的采集，IM153-4PN支持以太网连接。现地端包括前端数据采集箱和尾端数据采集箱（可根据需要进行扩展）两个水位采集装置。系统结构如图2所示。

图1 系统结构图

图2 功能单元1系统结构、硬件组成图

2.1 功能单元1硬件配置

如图2所示，前端数据采集箱中配置西门子远程IO模块IM153-4PN，同时在IM153-4PN 上配置有2 块16位的模拟量输入模块[2]。尾端数据采集箱与前端数据采集箱硬件配置相同。根据数据采集点的数量或位置变化要求，数据采集箱数量或箱内模拟量输入模块的数量可以十分方便地进行扩展。水位传感器采用的是重锤浮子式水位传感器，传感器与GAX60编码器相连接，编码器将水位数据转换为4～20mA信号输出至IM153-4PN上AI模块。在集控端的水位测量集控屏中配置有S7-300PLC（CPU315-2PN/DP）、赫斯曼以太网交换机及一体化工控机。

2.2 功能单元1网络构建

西门子远程IO模块IM153-4PN和CPU315-2PN/DP自身都带有PROFINET以太网接口，可方便地接入到PROFINET网络中。前端水位采集箱和尾端水位采集箱中IM153-4PN作为远程IO设备，与位于水位测量集控屏的CPU315-2PN/DP通过以太网线与赫斯曼交换机相连接，构建了一个支持以太网通信的PROFINET网络[2]。一体化工控机通过以太网卡也连接赫斯曼交换机，接入到PROFINET网络中，实现对PLC的以太网数据读写功能。

借助Step 7编程软件可方便地对网络设备进行地址配置，其中，将现地端的两个远程IO设备IM153-4PN IP地址分别设置为192.168.0.1和192.168.0.2，CPU315中RJ45 PROFINET接口IP地址设置为192.168.0.3，工控机以太网卡IP地址设置为192.168.0.4。

3 基于ZigBee无线传感网络的水位采集功能单元设计（功能单元2）

ZigBee是一种新兴的短距离无线通信技术，在网络层面上定义了3种不同的节点结构，分别是协调器节点（也称汇聚节点），负责建立网络，是整个ZigBee无线网络的核心；路由节点，负责其他节点的消息转发功能；传感器节点（也称终端节点），是具体执行数据采集传输的设备[3]。ZigBee网络支持的网络拓扑结构有星型、树型、网型等3种。功能单元2中节点主要由协调器节点和传感器节点构成，并以协调器节点为核心，构成星形网络拓扑结构。协调器节点硬件放置于水位测量集控屏中，传感器节点硬件设置在现地端数据采集箱（前端数据采集箱和尾端数据采集箱）中，根据需要可增加传感器节点的数量。传感器节点与协调器节点之间进行基于无线传感网络的无线数据通信。

传感器节点、协调器节点硬件组成及由其组建的无线传感网络系统结构如图3所示。

3.1 节点功能设计

系统中网络节点主要包括传感器节点和协调器节点。其中，传感器节点主要由数据采集模块、数据处理模块、ZigBee 通信模块、电源管理模块等组成[4]，协调器节点主要由数据处理模块、ZigBee 通信模块、电源管理模块构成。图3详细地给出了节点的硬件组成。

数据采集模块，主要由传感器和编码器构成。水位传感器采用重锤浮子式水位传感器，编码器采用的是GAX60 型号双输出编码器，输出485信号至数据处理模块。

数据处理模块，作为传感器节点和协调器节点的核心元件，负责节点的数据处理、协议包装及通信控制等工作，处理器采用的是LPC2210微处理器，借助其丰富的接口功能和强大的数据计算能力，一方面通过485串口采集传感器数据并经SPI口将数据传输至射频模块，同时，经过数据处理、协议封装后通过串口以RS-485通信方式将数据发送至水位测量屏工控机。

图3 功能单元2系统结构、硬件组成图

ZigBee 通信模块，是整个无线传感网络的数据传输通道，传感器节点与协调器节点之间的数据通信必须要经过通信模块无线射频信号进行。

电源模块，统一为网络节点提供电源支持。

3.2 节点软件设计

由图3可知，系统软件功能主要由传感器节点功能、协调器节点功能两大模块功能组成。传感器节点和协调器节点中涉及的端口通信过程主要有：MC13192与LPC2210之间的SPI通信；LPC2210与传感器（工控机）之间的异步串口通信。异步串口通信过程已经非常成熟，在此不做赘述，这里只介绍LPC2210与MC13192之间的SPI通信过程。

图4 数据无线收、发程序流程图

LPC2210 与MC13192两者进行SPI通信操作的基本思路是：首先对SPI端口、MC13192控制端口和LPC2210控制端口进行初始化；然后使能SPI端口；完成以上操作后即可运行数据的无线接收、发送的任务程序[4]。无线接收与发送程序（见图4）的步骤基本一致，区别在于MC13192模块在进行收发模式设置时，前者设置为RX模式，后者需要设置为TX模式。

4 冗余网络特点

这一冗余系统中有两种网络形式，分别是PROFINET网络和ZigBee无线传感网络。PROFINET网络是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准，支持TCP/IP协议的以太网数据通信，通过集成PROFINET接口，分布式现场设备（远程IO）可以直接连接到PROFINET网络上，进行分布式的数据采集且传输速率高，系统运行稳定可靠。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展[5]。对于小范围内分布式数据采集应用，ZigBee无线传感技术无疑是比较好的选择，它可以摆脱对物理线路的依赖，依靠无线信号进行数据传输。

5 结束语

杂木寺水电站是一个小型水电站，水位数据采集点围绕库区和机组大坝分散设置，水位测量系统若单纯采用基于CPU315-2PN/DP和IM153-4PN的远程IO方案，虽然可对分散布置的水位测量点进行稳定、可靠、高速的数据采集，但也有弊端，即这种有线式的网络结构，一旦网线破损，数据通信功能就会彻底丧失，这种情况在改造前也时有发生。因此，改造设计中，提出了这种双冗余方案，将ZigBee无线传感网络技术应用到水位测量系统中，确保一旦PROFINET网络失效，ZigBee无线传感网络可立即投入使用，系统的鲁棒性显著增强。

同时，也对传感器单元进行了设计，选取了重锤浮子式的水位传感器与GAX60绝对值编码器。传感器与编码器之间采用硬连接方式，性能稳定，运行可靠，具有掉电保持功能，同时GAX60编码器能够同时为两种功能单元提供两种信号输出。这样，在系统切换过程中又保证了数据的一致性和稳定性。

[1] 李守军，邱义臻，刘炜，等.班多水电站水力测量及水情测报方案设计 [J].人民黄河，2013，35（7）：103-107.

[2] 李守军，于红，马小平，等.黄河积石峡水电站测量测报系统及加密网络设计[J].水利水电技术，2013，44（6）：109-111.

[3] 彭元松，彭端.基于ZigBee无线通信技术的河流水位监测系统[J].仪表技术与传感器，2012，（7）：68-70.

[4] 吴晓然.基于MC13192的Zigbee系统设计[J].工业控制计算机，2007，20（4）：19-20.

[5] 马福昌，冯道训，张英梅，张建国.Zigbee和GPRS技术在水文监测系统中的应用研究[J].水利水文自动化，2008，（1）：1-4.

杜 岗（1981—），男，硕士，主要研究方向：水电自动化与计算机控制。E-mail: dzg-1981@163.com

Design of the Double Redundancy Water Level Measuring System of the Za Musi Hydropower Station

DU Gang1，WU Feng1，SUN Zhen2
（1.Lianyungang Technical College,Lianyungang 222000,China;2.Xuzhou Zhongkuang Xinyuan Morning Automation System Co.Ltd. Xuzhou 221008,China）

Aimed at the need of the water level measuring system of the Za Musi hydropower station,the double redundancy water level measuring system was proposed in this paper. The system can be divided into two functional unitsthe one based on PROFINET network is centered on PLC processor as well as the one based on ZigBee WSN takes coordinator node and sensor node as the core. Both of the units,which form a functionally independent and mutually redundant system，collect date signals with Model GAX60 double output encoder and connect with IPC. This design can greatly improve the reliability of the system.

water level measuring; redundancy;PLC;ZigBee;WSN