現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統中的典型應用
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2 現場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)
a、系統的開(kāi)放性。開(kāi)放系統是指通信協(xié)議公開(kāi),各不同廠(chǎng)家的設備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現信息交換,現場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)放系統。這里的開(kāi)放是指對相關(guān)標準的一致、公開(kāi)性,強調對標準的共識與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統,它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統必須是開(kāi)放的,開(kāi)放系統把系統集成的權利交給了用戶(hù)。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、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實(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。而互用性則意味著(zhù)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。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。從根本上改變了現有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。工作在現場(chǎng)設備前端,作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )底層的現場(chǎng)總線(xiàn),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。
3現場(chǎng)總線(xiàn)在變電站自動(dòng)化系統中的優(yōu)越性
由于現場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn),特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化,使變電站自動(dòng)化系統的設計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護,都體現出優(yōu)越性。
a、節省硬件數量與投資。由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中分散在間隔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機作為站控操作工作站,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)、一對光纖或一條電纜上通?？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)IED設備時(shí),無(wú)需增設新的電纜,可就近連接在原有的總線(xiàn)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,運行維護人員可以查詢(xún)所有間隔層設備的運行,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)集成變電站自動(dòng)化系統。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,使變電站自動(dòng)化系統集成過(guò)程中的主動(dòng)權完全掌握在用戶(hù)手中。
e、提高了變電站自動(dòng)化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,提高了變電站自動(dòng)化系統的工作可靠性。
f、易于實(shí)現設備擴充和產(chǎn)品改型。以現場(chǎng)總線(xiàn)為基礎的變電站自動(dòng)化系統,可以很方便地進(jìn)行擴充和更改。擴充系統時(shí),可將新IED設備連接在已有的現場(chǎng)總線(xiàn)上,不需要增加任何組件,也不需要考慮現場(chǎng)總線(xiàn)接口是否匹配的問(wèn)題。對于功能和參數所進(jìn)行的修改,可以直接通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)登錄與查詢(xún)來(lái)實(shí)現。因此,降低了實(shí)現新的控制策略或產(chǎn)品改型所需要的費用。
4幾種典型的現場(chǎng)總線(xiàn)
a、HART
HART是 Highway Addressable RemoteTransducer(可尋址遠程傳感器高速公路 )的縮寫(xiě)。1986年由美國 ROSEMOUNT公司開(kāi)發(fā)的一套過(guò)渡性臨時(shí)通訊協(xié)議。但目前受到了廣泛承認 ,已成為事實(shí)上的國際標準。
●HART協(xié)議以國際標準化組織 (ISO)開(kāi)放性系統互連模型 (OSI)為參照 ,使用 OSI的 1、2、7三層 ,即物理層、數據鏈路層、應用層。物理層采用基于Be11202通信標準的 FSK技術(shù) ,所以可以通過(guò)租用電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通信。
●HART協(xié)議使用 FSK技術(shù)在 4~ 2mA過(guò)程測量模擬信號上疊加一個(gè)頻率信號。邏輯1為1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數字雙向信號能同時(shí)進(jìn)行而且互不干擾。因此在與智能化儀表通信時(shí) ,還可使用模擬儀表、記錄儀及模擬控制。在不對現場(chǎng)儀表進(jìn)行改造的情況下 ,逐步實(shí)現數字性能 (包括數字過(guò)程變量 ),是一種理想的方案。這是一個(gè)由模擬系統向數字系統過(guò)渡的協(xié)議。
●在應用層規定了3類(lèi)使命 ,第一類(lèi)是通用命令 ,這是所有設備都能理解、執行的命令; 第二類(lèi)是一般行為命令 ,它所提供的功能可以在許多現場(chǎng)設備中實(shí)現; 第三類(lèi)為特殊設備命令,以便在某些設備中實(shí)現特殊功能,這類(lèi)命令可以允許開(kāi)發(fā)此類(lèi)設備的公司所獨有。此外它還為用戶(hù)提供統一的設備描述語(yǔ)言DDL。
●HART支持點(diǎn)對點(diǎn)、主從應答方式和多點(diǎn)廣播方式。
●直接通信距離: 有屏蔽雙絞線(xiàn)單臺設備3000m,而多臺設備互相距離1500m。只使用一個(gè)電源時(shí),能連結15個(gè)智能化設備。
b、CAN
CAN是 Controller Area Network(控制器局域網(wǎng)絡(luò ) )的縮寫(xiě)。這是由德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)的控制局域網(wǎng)絡(luò ),是一種具有很高可靠性、支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。它最初是用于汽車(chē)內部大量控制測量?jì)x器、執行機構之間數據交換的一種串行數據通信協(xié)議?，F在已逐步發(fā)展到其他工業(yè)部門(mén)的控制,其中包括機械制造、數控機床、醫療器械、建筑管理監控、變電站自動(dòng)化設備的監控等。國際標準化組織ISO/TC22技術(shù)委員會(huì )已制訂了CAN協(xié)議的國際標準ISO/DIS1 1 898(通信速率= 1Mbps),ISO/DIS11519(通信速率=125Kbps)。在現場(chǎng)總線(xiàn)中,目前是唯一被批準為國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。Intel、Philips、Motorola等芯片廠(chǎng)商均生產(chǎn)CAN總線(xiàn)芯片產(chǎn)品。在我國也有 HAPCAN等系列產(chǎn)品推出，國內電力系統廠(chǎng)商自行研制的全分散型變電站綜合自動(dòng)化系統DISA2，DISA3即采用CAN總線(xiàn)。長(cháng)沙電業(yè)局天頂220kV變電站自動(dòng)化系統中的ABB RTU560的內部總線(xiàn)亦是采用的CAN總線(xiàn)。
●CAN協(xié)議實(shí)現 ISO/ OSI模型的 1、2兩層。物理層定義了傳送過(guò)程中的所有電氣特性; 目標層和傳輸層包括了ISO/OSI定義的數據鏈路層的所有功能。目標層的功能包括確認哪個(gè)信息是要發(fā)送的 ,確認傳送層接收到的信息并為之提供接口。傳送層的功能包括幀組織、總線(xiàn)仲裁、檢錯、錯誤報告、錯誤處理等。
●CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn) (成組)及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據,可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò )上任意一個(gè)節點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )其他節點(diǎn)發(fā)送信息,可以方便地構成多機備份系統。
●網(wǎng)絡(luò )上各節點(diǎn)可以定義不同的優(yōu)先級以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求,CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù) ,當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上傳送信息時(shí) ,優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據傳送 ,而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳
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