智能化配電系統中的多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

一、概述

現場(chǎng)總線(xiàn)是近年來(lái)自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò )，具有協(xié)議簡(jiǎn)單開(kāi)放、容錯能力強、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國際上各種各樣的現場(chǎng)總線(xiàn)有幾百種之多，統一的國際標準尚未建立。較著(zhù)名的有基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)（FF）、HART現場(chǎng)總線(xiàn)、CAN現場(chǎng)總線(xiàn)、LONWORKS現場(chǎng)總線(xiàn)、PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線(xiàn)等。

智能化配電系統就是通信網(wǎng)絡(luò )把眾多的帶有通信接口的中、低壓開(kāi)關(guān)和控制設備與主計算機連接起來(lái)，由計算機進(jìn)行智能化管理，實(shí)現集中數據處理、集中監控、集中分析和集中調度的新型配電系統。智能化配電系統一般由主計算機、通信網(wǎng)絡(luò )、智能化開(kāi)關(guān)和控制設備三部分組成。

從目前國內外智能化配電系統所應用的現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)看，主要有PROFIBUS－DP、MODBUS、LONWORKS等，而FF、HART、CAN等現場(chǎng)總線(xiàn)在智能化配電系統中應用則較少。以上系統基本上都是采用單一的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，即整個(gè)智能化配電系統中只采用一種現場(chǎng)總線(xiàn)，整個(gè)系統構造比較單一。

隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應用量越來(lái)越大，而且隨著(zhù)用戶(hù)對配電系統可靠性和靈活性的更高要求，加上各現場(chǎng)總線(xiàn)本身的特點(diǎn)以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在一些工程的智能化配電系統中，采用一種現場(chǎng)總線(xiàn)總線(xiàn)的智能化產(chǎn)品往往不能滿(mǎn)足應用的全面要求，多現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品共存于一個(gè)智能化配電系統已成為一個(gè)現實(shí)的問(wèn)題。

由于多現場(chǎng)總線(xiàn)系統中不同類(lèi)型的產(chǎn)品均配專(zhuān)用的通信協(xié)議，有的廠(chǎng)家還專(zhuān)門(mén)為自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的通信卡、通信控制器等專(zhuān)用設備，因此，整個(gè)系統中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無(wú)法直接和主控單元進(jìn)行通信，這嚴重防礙了用戶(hù)的選擇。對用戶(hù)而言,如果在一個(gè)智能化配電系統中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專(zhuān)用的通信卡或通信控制器，一個(gè)智能化系統將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，而且在系統進(jìn)行改造或升級時(shí)，將要花費用戶(hù)更多的時(shí)間和費用。因此，多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在一個(gè)智能化配電系統中的應用已成為一個(gè)重要的研究課題。

二、多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)

目前，在一些工程中通常的做法是在某種現場(chǎng)總線(xiàn)的基礎上開(kāi)發(fā)能連接其他公司現場(chǎng)總線(xiàn)的接口產(chǎn)品。由于現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準尚未建立，多種類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)枚不勝數，需要開(kāi)發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿(mǎn)足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著(zhù)名現場(chǎng)總線(xiàn)為例，要使它們中任意兩種不同現場(chǎng)總線(xiàn)能統一于一個(gè)智能化配電系統中，僅是協(xié)議轉換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統中有三種或三種以上不同現場(chǎng)總線(xiàn)產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來(lái)自不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品兼容性問(wèn)題，都投入了巨大的精力和財力，但成效甚微。

針對上述在智能化配電系統開(kāi)發(fā)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，我們提出了通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過(guò)硬件和軟件的方法共同對現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行處理，解決智能化配電系統中多現場(chǎng)總線(xiàn)的兼容性問(wèn)題，其目的是為了能將不同現場(chǎng)總線(xiàn)的產(chǎn)品和諧地融入一個(gè)系統中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長(cháng)處，為那些希望使用不同廠(chǎng)家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶(hù)提供更大的靈活性。

通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器是現場(chǎng)級的通用通信管理設備，由它把各個(gè)現場(chǎng)設備連成網(wǎng)絡(luò )，并負責現場(chǎng)設備上位機之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過(guò)相應的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的轉換，實(shí)現與不同廠(chǎng)家的現場(chǎng)設備進(jìn)行通信。

三、現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器

通過(guò)多種方案的比較，采用模塊化結構和多CPU工作方式來(lái)設計通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器。因為模塊化的結構可以使系統有較強的擴展能力，為系統將來(lái)的升級換代帶來(lái)便利。

通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴展槽和固定支架等，并且系統總線(xiàn)也是在底板,擴展槽和底板上的信號線(xiàn)構成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負責管理整個(gè)系統以及與上位機的通信，通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器通過(guò)RS232接口與上位機連接，主控板通過(guò)它與上位機進(jìn)行信息交換，主要包括：管理系統總線(xiàn)，給協(xié)議板和接口板分配系統資源，與協(xié)議板進(jìn)行信息交換，對來(lái)自協(xié)議板的數據進(jìn)行處理，等待上位機提取。協(xié)議板是通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現場(chǎng)設備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進(jìn)行一種現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶(hù)可以根據實(shí)際情況進(jìn)行選擇，接口種類(lèi)有RS232、RS422、RS485等。通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器與上位機以及與現場(chǎng)設備的通信都采用串行方式，而通信控制器內部各插卡之間通過(guò)系統總線(xiàn)來(lái)完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過(guò)系統總線(xiàn)分別與協(xié)議板進(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)行通信。

通信過(guò)程如下：主控板在系統總線(xiàn)上，通過(guò)廣播方式發(fā)送協(xié)議板號來(lái)呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應主控板，從而實(shí)現主控板與協(xié)議板的通信。當用戶(hù)增加新的協(xié)議設備時(shí)，不必改動(dòng)硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應的系統信息存入計算機即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過(guò)系統中的局部總線(xiàn)來(lái)完成。

四、應用實(shí)例

通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器已經(jīng)在我們最新開(kāi)發(fā)的CE2000電站綜合自動(dòng)化系統中完成，并與多種產(chǎn)品進(jìn)行了通信聯(lián)網(wǎng)試驗。系統中的主要產(chǎn)品有：美國西屋公司采用INCOM（MODBUS）通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、德國西門(mén)子公司和德國默勒公司采用PROFIBUS－DP通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、南京因泰來(lái)公司采用其內部通信協(xié)議INTBUS的綜合數字保護繼電器產(chǎn)品。

整個(gè)系統由配各種智能化開(kāi)關(guān)柜的硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件包括各種智能化開(kāi)關(guān)柜、通用型現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議控制器、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。根據以上硬件設備的配置情況，在上位機上輸入系統配置信息，通過(guò)串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統配置信息分類(lèi)傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統信息后與所屬硬件設備進(jìn)行通信，將采集到的數據經(jīng)主控板傳送到上位機，并通過(guò)主控板接受上位機命令。

五、結束語(yǔ)

現場(chǎng)總線(xiàn)作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一次革命，它的意義和產(chǎn)生的效益是非常巨大的。積極開(kāi)展各種現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的研究和應用，特別是加強對于一些已有成功經(jīng)驗的現場(chǎng)總線(xiàn)在智能化配電系統中的開(kāi)發(fā)與應用，對于開(kāi)關(guān)柜制造廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個(gè)實(shí)用的發(fā)展途徑。

CE2000電站綜合自動(dòng)化系統采用多現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高的應用價(jià)值，可以使用戶(hù)方便、靈活地構成一個(gè)實(shí)用可靠的智能化配電系統，其優(yōu)良的可擴展性使其能夠適應通信技術(shù)發(fā)展的潮流，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需要。