CAN總線(xiàn)及其在水電站自動(dòng)化的應用

1. 引言：

　　水電站綜合自動(dòng)化系統（包括電站機組、變壓器、廠(chǎng)變、公共設備等的保護、檢測、控制等）是電站安全、優(yōu)質(zhì)、高效運行的重要保證。隨著(zhù)計算機及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，性能先進(jìn)，運行可靠穩定的電站微機綜合自動(dòng)化系統得到廣泛的應用。逐步替代了傳統的繼電保護與自動(dòng)化設備。微機保護與常規繼電保護的根本區別在于其實(shí)現了數字化，即通過(guò)對主設備運行狀態(tài)參量的實(shí)時(shí)、快速數字處理，完成故障診斷、保護動(dòng)作。根據國家有關(guān)大力發(fā)展中小型水電站建設，西電東送的發(fā)展戰略，本文吸取當今先進(jìn)的電站設計思想，在分析相關(guān)技術(shù)文獻、資料的基礎上提出了一種利用當今先進(jìn)的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和可編程計算機控制器PCC技術(shù)的水電站自動(dòng)化監控系統。確保復雜的機組啟?？刂?，變壓器保護等系統得以可靠的實(shí)現。同時(shí)以模塊化的設計保證系統功能的靈活擴充。該系統適合中小型水電站，系統的功能層次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先對當今的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)之一CAN總線(xiàn)進(jìn)行了概述。其次對利用上述先進(jìn)技術(shù)設計的水電站自動(dòng)化監控系統的功能特性加以分析和說(shuō)明。

2. CAN總線(xiàn)及其特性

　　現場(chǎng)總線(xiàn)作為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，它的出現將對傳統的工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)革命，從而開(kāi)始工業(yè)控制的新紀元。但眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)往往使生產(chǎn)者和用戶(hù)無(wú)所適從。是否已納入IEC標準，系統的開(kāi)放性，技術(shù)能否得到有力的支持，價(jià)格是否有競爭力等已成為人們選用何種總線(xiàn)的主要依據。由于CAN總線(xiàn)具有通信速率高，可靠性高，連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，推動(dòng)其應用開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，其推廣應用反過(guò)來(lái)又促使器件生產(chǎn)商不斷推出新的CAN總線(xiàn)產(chǎn)品。使其逐步形成系列。鑒于CAN總線(xiàn)的普及性，選擇CAN作為總線(xiàn)控制網(wǎng)。

　　從物理結構上看，CAN屬于總線(xiàn)式通訊網(wǎng)絡(luò )，與BITBUS，RS485相似，又有本質(zhì)區別。它是一種專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò )，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò )。其物理特性及網(wǎng)絡(luò )協(xié)議特性更強調工業(yè)自動(dòng)化的底層監測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨特的設計，其可靠性和性能超過(guò)了已陳舊的現場(chǎng)通訊技術(shù)，如RS485，BITBUS等。CAN具有下列主要特性：

　　. CAN插卡可任意插在PC，XT，AT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。

　　. CAN可以多主方式工作，這一方式與大型網(wǎng)絡(luò )的peer to peer方式相類(lèi)似，從而與開(kāi)放結構相吻合。網(wǎng)絡(luò )上任意一個(gè)節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )其它節點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點(diǎn)也可以方便地構成（容錯）多機備份系統。

　　. CAN無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權的仲裁，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，有效避免了總線(xiàn)沖突。

　　. 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。

　　. CAN直接通信距離最遠可達10km/5kbps,通訊速率最高可達1Mbps/40m。

　　. CAN上節點(diǎn)數理論值為2000個(gè)，實(shí)際上以110個(gè)以下為宜。

　　. CAN采用短幀結構，第一幀有效字節為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，重新發(fā)送時(shí)間短。

　　. CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據的出錯率極低。

　　. CAN可以實(shí)現非破壞性總線(xiàn)仲裁和錯誤鑒定?？偩€(xiàn)沖突和錯誤鑒定均由CAN控制器自分解塊，而且這一過(guò)程對用戶(hù)完全透明并能區分暫時(shí)性和永久性故障，自動(dòng)關(guān)閉故障點(diǎn) 這一點(diǎn)在多傳輸情況下，通過(guò)數據融合技術(shù)可以彌補由于傳輸或設備故障造成的信息缺損。

　　.通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，無(wú)特殊要求。

3. 系統設計方案比較

　　水電站自動(dòng)化監控系統是提高電站綜合自動(dòng)化水平的重要因素，是根據無(wú)值班、少人值守的原則設計的。系統綜合運用先進(jìn)的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、PLC技術(shù)、及軟件工程設計方法，使系統配置靈活，簡(jiǎn)單，用戶(hù)操作方便。與傳統的水電站自動(dòng)化監控系統相比，我們改傳統方法中將現場(chǎng)綜合電量裝置、保護裝置及溫度巡檢裝置通過(guò)RS485總線(xiàn)接到工控機上為將這些裝置與PCC相連，通過(guò)PCC聯(lián)到上位監控系統，使得整個(gè)現地單元自成一個(gè)獨立的系統層次。增加了系統的穩定性和可靠性。避免了系統數據的丟失，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統的結構，節約了系統硬件成本，更加利于資金不足的地區自建小型水電站。下面我們給出兩種結構的框圖。

4.電站自動(dòng)化監控系統的實(shí)現

　　4.1系統構成

　　硬件系統采用快速交換式以太網(wǎng)組成局域網(wǎng)，系統的實(shí)時(shí)監控功能分布于縱向的三個(gè)層次上，現地層實(shí)現數據的采集及控制功能，監控層則通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現全站的監視和控制功能，系統的這種分層、分布式硬件體系保證了其系統性能的穩定可靠。