現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電力自動(dòng)化中的應用

電力系統歷來(lái)是自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén),基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統必將分系統、分階段地逐步取代現有的分散式控制系統 ,在未來(lái)定將成為我國電力系統自動(dòng)化的主導設備。


1、概述

　　現場(chǎng)總線(xiàn)（Fieldbus）是當前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱門(mén)話(huà)題，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計算機局域網(wǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)化系統結構的變革，隨著(zhù)工業(yè)電網(wǎng)的日益復雜，人們對電網(wǎng)的安全要求也越來(lái)越高，現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)作為一門(mén)新興的控制技術(shù)必將取代過(guò)去的控制方式而應用在電力自動(dòng)化中。

2、現場(chǎng)總線(xiàn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產(chǎn)現場(chǎng)、在微機化測量控制設備之間的實(shí)現雙向串行多節點(diǎn)數字通信的系統，也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)系統FCS稱(chēng)為第五代控制系統，人們一般把50年代前的氣動(dòng)信號控制系統PCS稱(chēng)作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號控制系統稱(chēng)為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱(chēng)為第三代，而把70年代中期以來(lái)的集散式分布控制系統DCS稱(chēng)作第四代?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DSC系統采用通信專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )的局限，采用了基于公開(kāi)化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場(chǎng)?？梢哉f(shuō)，開(kāi)放性、分散性與數字通訊是現場(chǎng)總線(xiàn)系統最顯著(zhù)的特征。

2.1 特點(diǎn)

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是計算機，網(wǎng)絡(luò )通訊、超大規模集成電路、儀表和測試、過(guò)程控制和生產(chǎn)管理等現代高科技迅猛發(fā)展的綜合產(chǎn)物，因此現場(chǎng)總線(xiàn)的內涵現在已遠遠不是指這一根通訊線(xiàn)或一種通訊標準?，F場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統在精度、可靠性、經(jīng)濟性等許多方面都要比傳統的控制系統要優(yōu)越得多，其主要特點(diǎn)如下。

A 系統的開(kāi)放性。

　　傳統的控制系統是個(gè)自我封閉的系統，一般只能通過(guò)工作站的串口或并口對外通訊。在ＦＣＳ中, 工作站同時(shí)靠掛于現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)后者可以與其它計算機系 統或網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行高速信息交換，以實(shí)現資源共享。另外，現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)標準是對所有制造商和用戶(hù)公開(kāi)的，沒(méi)有專(zhuān)利許可要求，實(shí)行技術(shù)共享。它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。用戶(hù)可按自己的需要和對象把來(lái)自不同供應商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統。

B 可操作性與互用性

　　不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品不能互換，要想更新技術(shù)和設備，只能全部更換。FCS可實(shí)現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實(shí)行點(diǎn)對點(diǎn)，一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信。不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)似的設備可進(jìn)行互換而實(shí)現互用。

C 現場(chǎng)設備的智能化與功能自治性

　　傳統的DCS至少要有操作站、控制站和現場(chǎng)設備三層結構，它的信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的誤差較大，另外系統難以迅速判斷故障而帶故障運行。在FCS中采用雙向數字通訊，它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場(chǎng)設備中完成，僅靠現場(chǎng)設備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)診斷設備的運行狀態(tài)。

D 系統結構的高度分散性

　　由于FCS現場(chǎng)設備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現場(chǎng)總線(xiàn)已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了原有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡(jiǎn)化了系統結構，提高了可靠性。

E 對現場(chǎng)環(huán)境的適應性

　　現場(chǎng)總線(xiàn)作為工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )工作在現場(chǎng)設備前端, 是專(zhuān)為在現場(chǎng)環(huán)境工作而設計的，它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線(xiàn)制實(shí)現送電與通信，并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。

2.2　LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　LonWorks是一具有強勁實(shí)力的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，它是由美國Echelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向對象的設計方法，這是以往的現場(chǎng)總線(xiàn)所不支持的，具體就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信設計簡(jiǎn)化為參數設置，其通訊速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達到2700m(78kbps，雙絞線(xiàn))，支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線(xiàn)、電源線(xiàn)等多種通信介質(zhì)，并開(kāi)發(fā)相應的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò )。

　　LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱(chēng)之為神經(jīng)元（Neuron）的芯片中并得以實(shí)現。集成芯片中有3個(gè)8位CPU；一個(gè)用于完成開(kāi)放互連模型中第1～2層的功能，稱(chēng)為媒體訪(fǎng)問(wèn)控制處理器，實(shí)現介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)的控制與處理；第二個(gè)用于完成第3～6層的功能，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時(shí)、網(wǎng)絡(luò )管理，并負責網(wǎng)絡(luò )通信控制、收發(fā)數據包等；第三個(gè)是應用處理器，執行操作系統服務(wù)與用戶(hù)代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實(shí)現CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò )緩沖區和應用緩沖區。

　　LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開(kāi)發(fā)商運用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開(kāi)發(fā)自己的應用產(chǎn)品，據稱(chēng)目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù)：1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品。它被廣泛應用在樓宇自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統、辦公設備、運輸設備、工業(yè)過(guò)程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò )之間的互連與互操作，該公司正在開(kāi)發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Profibus等互連為系統。

　　另外，在開(kāi)發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨特的優(yōu)勢。

　　LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會(huì )ASHRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標準。美國消費電子制造商協(xié)會(huì )也已通過(guò)決議，以L(fǎng)onWorks技術(shù)為基礎制定了EIA-709標準。

　　這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開(kāi)發(fā)、芯片設計、芯片制造、控制模塊開(kāi)發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷(xiāo)、系統集成等一系列完整的開(kāi)發(fā)、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數萬(wàn)家企業(yè)參與到這項工作中來(lái)，這對于一種技術(shù)的推廣、應用有很大的促進(jìn)作用。

3、現場(chǎng)總線(xiàn)在電力自動(dòng)化中的應用

　　近年來(lái)隨著(zhù)我集團公司生產(chǎn)規模的擴大發(fā)展，35KV級輸電網(wǎng)已成為主要的輸配電網(wǎng)架，各級35KV變電站也成為各礦井生產(chǎn)供配電的樞紐環(huán)節。由于35KV變電站的建設跨年代較長(cháng)，自動(dòng)化裝備已遠遠不能滿(mǎn)足技術(shù)管理的需求，裝備落后，信息通道不完整，將嚴重地影響到電力網(wǎng)的安全運行和對突發(fā)事件的快速反應與決策。且我集團公司新增礦井為高瓦斯礦井，對電網(wǎng)的安全有更高的要求。為了電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟運行，我公司決定對電力自動(dòng)化進(jìn)行一次性改造，其中35KV變電站的間隔層通訊網(wǎng)絡(luò )全部采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

　　四方華能電網(wǎng)控制系統有限公司的CSC2000綜合變電站自動(dòng)化系統是國內率先采用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)的系統。四方公司在國際上率先將LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用于變電站綜合自動(dòng)化系統，并將基于微處理器的間隔層設備直接并入LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)，以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力，大大提高了通信系統的信息吞吐和數據處理能力，從而解決了應用低速串口通信采樣數據時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生的瓶頸現象。LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有很強的抗干擾、抗震動(dòng)性，適用于較大的溫度范圍，適合于變電站較惡劣的工業(yè)環(huán)境。其傳輸速率已遠遠滿(mǎn)足變電站綜合自動(dòng)化系統對信息傳輸速度的要求。

　　站內網(wǎng)絡(luò )通訊采用以太網(wǎng)與LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)相結合的形式，如圖1所示站控層采用以太網(wǎng)，間隔層采用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)，信息通過(guò)間隔層的測控單元上傳到主干網(wǎng)上。這種方案實(shí)際上將嵌入式以太網(wǎng)與LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。




　　1、后臺機　2、工程師站　3、遠動(dòng)機　4、測控單元　5、測控裝置 6.1、10M以太監控網(wǎng)　6.2、10M以太監控網(wǎng)　6.3、10M以太錄波網(wǎng)

　　該系統中測控單元是核心與關(guān)鍵所在，它的原理如圖2所示，CPU選用了32位單片機，CPU部分采用了嵌入式軟件設計，利用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統及TCP/IP模塊，完成以太網(wǎng)的通訊與測控任務(wù)，其中Neuron芯片作為CPU的通訊處理器完成LonWorks絡(luò )的通訊任務(wù)，利用它就可與保護裝置通訊。測控單元以L(fǎng)onWorks網(wǎng)與四方公司制造的保護裝置相連，可用RS485、RS232與其他廠(chǎng)家制造的保護裝置相連。




　　采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式后與傳統的DCS系統相比有以下明顯的好處：

A 節省硬件數量與投資。由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術(shù)等功能單元及其復雜接線(xiàn)，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。
　　B 節省安裝費用?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙絞線(xiàn)或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，無(wú)需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60％以上。
　　C 節省維護開(kāi)銷(xiāo)。由于現場(chǎng)控制設備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)數字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室，用戶(hù)可以查詢(xún)所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時(shí)間，同時(shí)由于系統結構簡(jiǎn)化，連線(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護工作量。
　　D 用戶(hù)具有高度的系統集成主動(dòng)權。用戶(hù)可以自由選擇不同廠(chǎng)商所提供的設備來(lái)集成系統。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設備的選擇范圍，不會(huì )為系統集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統集成過(guò)程中的主動(dòng)權完全掌握在用戶(hù)手中。
　　E 提高了系統的準確性與可靠性。由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統的結構簡(jiǎn)化，設備與連線(xiàn)減少，現場(chǎng)儀表內部功能加強：減少了信號的往返傳輸，提高了系統的工作可靠性。

4 結束語(yǔ)

　　在變電站中采用現場(chǎng)總線(xiàn)后可實(shí)現真正的分層、分布式結構，這種完全分層分布式系統，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統的可靠性，使系統具有很大的靈活性和可擴展性，符合國際上變電站綜合自動(dòng)化系統的發(fā)展趨勢。

　　現場(chǎng)總線(xiàn)在電廠(chǎng)、變電站和電力系統中有非常廣闊的應用前景 ,特別是在新建項目中能在可靠性、高精度、經(jīng)濟性等諸多方面獲得最大的效益。電力系統歷來(lái)是自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門(mén) ,在國內外現場(chǎng)總線(xiàn)廠(chǎng)家和設計研究部門(mén)的共同努力下 ,基于現場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統必將分系統、分階段地逐步取代現有的分散式控制系統 ,在未來(lái)定將成為我國電力系統自動(dòng)化的主導設備。