現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的應用與研究

1、引言

現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是電子、儀器儀表、計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的結晶,是工業(yè)自動(dòng)化事業(yè)發(fā)展的需要。它將專(zhuān)用微處理器置入傳統的測量控制儀表,使它們各自都具有數字計算和數字通信能力,采用可簡(jiǎn)單連接的雙絞線(xiàn)等作為總線(xiàn),把多個(gè)測量控制儀表連成網(wǎng)絡(luò )系統,并按公開(kāi)、規范的通信協(xié)議,在位于現場(chǎng)的多個(gè)微機化測量控制設備之間以及現場(chǎng)儀表與遠程監控計算機之間,實(shí)現全數字化、雙向多變量數字通信,一改過(guò)去長(cháng)時(shí)間運用4-20mA的模擬信號標準。它在電力、冶金、石化、樓宇等方面的自動(dòng)化系統中具有廣泛的應用前景。

2、廈門(mén)會(huì )展電力監控系統介紹

廈門(mén)國際會(huì )展中心電力監控系統工程是會(huì )展中心智能化工程中的重點(diǎn)工程之一,電力監控系統負責對會(huì )展中心的高、低壓配電室內的各種用電設備的集中監控與計量,通過(guò)先進(jìn)的系統和控制方案給會(huì )展中心提供高效、先進(jìn)的系統管理。

廈門(mén)國際會(huì )展中心電力監控系統工程由西安協(xié)同公司承接實(shí)施,西安協(xié)同公司針對該系統各種設備接口復雜、技術(shù)專(zhuān)業(yè)性強等特點(diǎn),精心設計、科學(xué)組織、克服困難、不斷創(chuàng )新,最終圓滿(mǎn)完成了工程實(shí)施。該系統優(yōu)良率為92%,居28個(gè)子系統之首,受到建設單位的一致好評。

2.1　系統組成及功能

系統由一臺中央工作站、六臺監控分站、一條“DH+”總線(xiàn)組成,采用集散型系統設計。監控分站選用美國AB公司的SLC500控制器,控制器配有DI、DO及BASIC通信模塊。DI模塊完成低壓開(kāi)關(guān)狀態(tài)的采集與脈沖量的計量,DO模塊實(shí)現開(kāi)關(guān)的分勵脫扣及模擬屏的驅動(dòng)。BASIC通信模塊帶有兩個(gè)獨立可編程RS-485通信口,可外掛兩條RS-485總線(xiàn)與各種智能設備構成現場(chǎng)總線(xiàn)結構。本系統中BASIC通信模塊主要完成如下監控功能;

三相電壓、三相電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數、有功電度、變壓器溫度、浮充電壓、環(huán)境溫度；開(kāi)關(guān)狀態(tài),故障、報警、跳閘信號;開(kāi)關(guān)分、合閘控制

本系統雖然是PLC與現場(chǎng)總線(xiàn)并存的系統,但可以看出,現場(chǎng)總線(xiàn)是該系統的核心,也是該系統的亮點(diǎn)之一。

本系統使用的智能設備有瑞士ABB公司的REF-541綜合三相過(guò)流保護繼電器,法國SOCOMEC公司的智能電網(wǎng)電量監控器,浙江科宏電氣的智能溫控設備、福州利得電氣的智能溫控設備,上海華辰電氣的智能高頻開(kāi)關(guān)直流屏。

2.2　系統特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

●節省硬件投資與施工費用

傳統控制系統對于模擬量的采集一般選用各種變送器,將模擬量轉換為4-20mA標準電流信號,然后經(jīng)模數轉換單元,最終送往中央工作站?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統中,所有上述功能全都集成于一體化的智能設備中,因此采用現場(chǎng)總線(xiàn)系統,不需購置大量硬件設備,節省空間,節省投資?！?/p>

現場(chǎng)總線(xiàn)系統接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單,通過(guò)一條電纜便可連接多個(gè)設備,而傳統控制系統,每個(gè)變送器都需單獨電纜傳送信號。因此,采用現場(chǎng)總線(xiàn)系統,電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線(xiàn)設計與接頭校核的工作量也大為減少。如需增加現場(chǎng)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,減少了設計、安裝的費用。

廈門(mén)國際會(huì )展中心電力監控系統實(shí)際I/O點(diǎn)數為1000點(diǎn),模擬量為370點(diǎn),我公司實(shí)施這一系統用了105萬(wàn),如果不使用現場(chǎng)總線(xiàn)系統,而是用傳統控制系統模式,經(jīng)我們估算,投資至少需要150萬(wàn)。

●系統維護方便

現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構簡(jiǎn)單,故障環(huán)節少,施工維護方便。由于現場(chǎng)智能設備具有自診斷和簡(jiǎn)單處理能力,維護人員可以查詢(xún)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,縮短了維護停工周期。

●控制功能分散

傳統控制系統控制功能主要由控制室設備承擔,現場(chǎng)總線(xiàn)系統控制功能基本上由智能化的現場(chǎng)儀表承擔,控制功能分散的比較徹底,真正做到了“分散控制”。比如該系統的智能溫控設備,通過(guò)對變壓器溫度的監測,它會(huì )發(fā)出命令啟動(dòng)風(fēng)機降溫或者高壓跳閘,并不依賴(lài)上位機的功能。

●系統準確性和可靠性得到提高

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精確度,減少了傳送誤差。同時(shí),由于系統結構簡(jiǎn)化,設備連線(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。

2.3　技術(shù)難點(diǎn)及經(jīng)驗總結

一條RS-485總線(xiàn)理論上只允許掛有相同通信協(xié)議的智能設備,各個(gè)設備以不同地址加以區分。但會(huì )展中心2、4、5號低配室有三種不同協(xié)議的智能表,那么對于只有兩個(gè)通信口的BASIC模塊,不可避免要將兩種不同協(xié)議的設備掛在一條總線(xiàn)上。我們針對這一問(wèn)題作了分析與論證,認為協(xié)議不同的智能設備,如果端口配置（包括波特率、數據位、奇偶校驗、停止位、流控制）相同,便可以?huà)煸谝粭l總線(xiàn)上工作。我們對所有設備的端口進(jìn)行了統一配置,通信軟件編制作了相應調整,分別對不同設備進(jìn)行讀寫(xiě)控制,最終系統運行正常,并沒(méi)有發(fā)生沖突的情況。

隨著(zhù)總線(xiàn)上設備的增加,數據刷新的周期會(huì )變長(cháng),系統實(shí)時(shí)性會(huì )降低,如果要提高實(shí)時(shí)性,則要增加硬件投資,如增加通信模塊或提高系統配置。對于具體的控制系統,不必一味追求系統實(shí)時(shí)性,要根據系統的實(shí)際情況和客戶(hù)的具體要求,使系統各項指標滿(mǎn)足要求即可。例如會(huì )展中心高配室,一條RS-485總線(xiàn)同時(shí)連接20臺REF-541,要進(jìn)行讀取數據、采集報警、開(kāi)關(guān)分、合閘控制等多任務(wù),不同任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求是不同的。我們在通信軟件編制中,對不同任務(wù)也加以區分,采用“硬實(shí)時(shí)任務(wù)”優(yōu)先處理的算法,最終使系統各項指標均達到技術(shù)協(xié)議的要求。

3、現場(chǎng)總線(xiàn)系統模式應用于其它系統的設計構思

廈門(mén)國際會(huì )展中心電力監控系統是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在樓宇自控領(lǐng)域的成功應用,那么該控制系統模式能否應用于其它系統呢?下面給出樓宇自動(dòng)化抄表系統的設計構思。

小區用戶(hù)水電氣表選用有脈沖輸出功能的產(chǎn)品,多路采集控制器負責計量某一區域或樓層用戶(hù)三表的脈沖數,并計算出每戶(hù)用電量、用水量、用氣量,通過(guò)RS-485總線(xiàn)上傳至管理工作站。目前生產(chǎn)這種采集器的廠(chǎng)家較多,價(jià)格也比較便宜。當然也可以采用小型PLC來(lái)實(shí)現,這樣系統性能會(huì )大幅度提升,但是投資也會(huì )相應增加。我公司給某大廈抄表系統的建議方案中便采用這種模式。

4、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)將朝著(zhù)開(kāi)放系統、統一標準的方向發(fā)展

以微處理器芯片為基礎的各種智能儀表,為現場(chǎng)信號的數字化以及實(shí)現復雜的應用功能提供了條件。但不同廠(chǎng)商所提供的設備之間的通信標準不統一,嚴重束縛了工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。對于廈門(mén)會(huì )展電力監控系統來(lái)講,該系統涉及到國內外智能設備共有5種,我們在工程實(shí)施中針對5中不同的通信協(xié)議分別開(kāi)發(fā)出5種不同的驅動(dòng)程序,每種驅動(dòng)程序的調試方法也各不相同,這無(wú)疑增加了系統集成的工作量。

在我國,各種智能設備的生產(chǎn)廠(chǎng)家都提供了自己的通信接口,但這些接口都很不規范,也沒(méi)有做到統一。在國外,現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)統一標準已取得了相當進(jìn)展,自80年代以來(lái),已形成了幾中有影響的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)：

1、基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)；

2、LonWorks；

3、PROFIBUS；

4、CAN；

5、HART。

預計在今后一段時(shí)間內,會(huì )出現幾種現場(chǎng)總線(xiàn)標準共存、同一生產(chǎn)現場(chǎng)有幾種異構網(wǎng)絡(luò )互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵循的統一標準,真正形成一種開(kāi)放互聯(lián)系統才是大勢所趨。