CAN總線(xiàn)在變電所綜合自動(dòng)化中的設計及應用
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0前言
城市輕軌與地鐵供電系統是一個(gè)特殊的系統，其安全性、可靠性要求高，為了實(shí)現系統的安全可靠運行，必須實(shí)現電力系統的調度、運營(yíng)和管理的自動(dòng)化。變電所綜合自動(dòng)化是電力系統自動(dòng)化基本組成，也是實(shí)現電力監控系統功能的前提。
在電力監控系統中，現場(chǎng)總線(xiàn)是變電所綜合自動(dòng)化的流通動(dòng)脈，是變電所綜合自動(dòng)化三大構成部分設備管理層、所內通信層和間隔設備層中的一個(gè)主要構成部分即所內通信層。通過(guò)總線(xiàn)通信，從現場(chǎng)采集的大量信息和數據被快速、準確、實(shí)時(shí)地上傳到監控中心，同時(shí)由監控中心下達的控制命令也被準確無(wú)誤地發(fā)送到控制單元，及時(shí)采取措施避免事故發(fā)生。
目前，在既有地鐵運營(yíng)系統中，間隔層供電設備的微機保護測控與其他微機型的自控裝置間的通信大多通過(guò)
RS422/RS485通信接口相聯(lián)接，實(shí)現監控系統與微機保護和自動(dòng)裝置間相互交換數據和狀態(tài)信息?！ ?BR>
采用RS422/RS485通信接口雖然可實(shí)現多個(gè)節點(diǎn)（設備）間的互連，但連接的節點(diǎn)數一般不超過(guò)32個(gè)，在變電所規模稍大時(shí)，滿(mǎn)足不了綜合自動(dòng)化系統的要求；其次，采用RS422/RS485通信接口，其通信方式多為查詢(xún)方式，即由主計算機提問(wèn)，保護單元或自控裝置應答，通信效率低，難以滿(mǎn)足較高的實(shí)時(shí)性要求；再者，使用RS422/RS485通信接口，整個(gè)通信網(wǎng)上只能有一個(gè)主節點(diǎn)進(jìn)行通信管理和控制，其余皆為從節點(diǎn)，這樣主節點(diǎn)便成為系統的瓶頸，一旦出現故障，整個(gè)系統的通信便無(wú)法進(jìn)行。而20世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的現場(chǎng)總線(xiàn)有效地解決了以上問(wèn)題。
CAN（ControllerAreaNetwork）總線(xiàn)以其通信速率高、可靠性高、連接方便和性?xún)r(jià)比優(yōu)等特點(diǎn)成為現場(chǎng)總線(xiàn)的推薦標準之一，在城市輕軌與地鐵電力監控系統（SCADA）中有著(zhù)廣闊的應用前景。
1CAN技術(shù)的特點(diǎn)
變電所綜合自動(dòng)化區別于常規所最明顯的標志之一就是通信功能，變電所內間隔層之間信息可充分共享，并通過(guò)通信接口與外界信息系統交換信息，同時(shí)節省大量電纜，構成一個(gè)快速、穩定、可靠的通信網(wǎng)絡(luò )是變電站自動(dòng)化系統的基本要求，也是電力系統運行管理功能的基本前提。
CAN總線(xiàn)是一種有效支持分布控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，是一種通信速率可達1Mb/s的多主總線(xiàn)，具有優(yōu)先搶占方式進(jìn)行總線(xiàn)仲裁的作用機理，錯誤幀可自動(dòng)重發(fā)，永久故障可自動(dòng)隔離，不影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò )正常工作，可靠性高，而且協(xié)議簡(jiǎn)單，開(kāi)放性強，組網(wǎng)靈活，成本較低，能為電力自動(dòng)化提供開(kāi)放性、全分布及可互操作性的通信平臺。CAN總線(xiàn)具有以下主要特點(diǎn)：
?。?）良好的實(shí)時(shí)性。CAN控制器工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)都可根據總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)優(yōu)先權（取決于報文標識符）采用無(wú)損結構的逐位仲裁的方式競爭向總線(xiàn)發(fā)送數據，且CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而代之以對通信數據進(jìn)行編碼，這可使不同的節點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數據，這些特點(diǎn)使得CAN總線(xiàn)構成的網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)之間的數據通信實(shí)時(shí)性強，并且容易構成冗余結構，提高系統的可靠性和靈活性。
?。?）良好的傳輸防錯能力。CAN采用短幀結構，數據最多8個(gè)字節，數據傳輸時(shí)間短，受干擾幾率低，且每幀信息都具有CRC校驗及其他檢錯措施。
?。?）全數字化的雙向傳輸。用以取代傳統的4～20mA信號，CAN的直接通信距離最遠可達10km（速度在5kb/s以下）；最高通信速率可達1Mb/s（距離在40m以下）。
因此CAN現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有多主、實(shí)時(shí)、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于在條件十分惡劣的工業(yè)現場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數據傳輸。
2變電所綜合自動(dòng)化系統的構成
地鐵車(chē)站牽引降壓混合變電所綜合自動(dòng)化系統的設備組成示意圖如圖1所示。
該系統間隔層主要由保護單元和測控單元組成，每個(gè)測控單元監控多路饋進(jìn)饋出，采用先進(jìn)現場(chǎng)總線(xiàn)CAN，現場(chǎng)通信采用屏蔽雙絞線(xiàn)，總線(xiàn)速率達1Mb/s，通信規約支持IEC-60870-5-101格式，網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、方便靈活、成本低，并且CAN總線(xiàn)連接各個(gè)節點(diǎn)形成的多主控制器的局域網(wǎng)克服了RS485/422網(wǎng)絡(luò )上只能有一個(gè)主節點(diǎn)而無(wú)法構成多冗余系統的缺陷，具有很高的性?xún)r(jià)比。
雖然CAN協(xié)議本身具有較強的檢錯、糾錯能力，但在工業(yè)控制現場(chǎng)，插頭連接不牢固、傳輸介質(zhì)損壞或總線(xiàn)驅動(dòng)器損壞等都會(huì )破壞CAN的可靠通信。解決這一問(wèn)題的有效途徑是采用冗余通信控制，采用雙CAN現場(chǎng)總線(xiàn)在內部定期對備用CAN進(jìn)行備用檢測，從而保證通信系統正常運行，提高了內部網(wǎng)絡(luò )的冗余度。
站控層采用雙10/100Mb/s屏蔽雙絞線(xiàn)（或光纖）以太網(wǎng)結構（能保證變電站自動(dòng)化系統內部通信網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)時(shí)性），由雙服務(wù)器組成，站控層工作站為值班人員提供全所系統的監視、控制和管理功能，界面友好，易操作。通過(guò)組件技術(shù)，軟件功能實(shí)現“即插即用”，較好地滿(mǎn)足了電氣監控系統的需要，軟件系統采用模塊化結構，開(kāi)放性較好。
3CAN總線(xiàn)通信系統配置
3.1硬件組成
系統使用2套總線(xiàn)（CAN0、CAN1），每套包含獨立的總線(xiàn)電纜、總線(xiàn)驅動(dòng)器和總線(xiàn)控制器，可以實(shí)現物理介質(zhì)、物理層、數據鏈路層及應用層的全面冗余。符合這一要求的微處理器可以選擇Fujitsu公司推出的帶雙CAN控制器的16位微控制器MB90F543。
系統中2套總線(xiàn)采用熱備份方式運行：一個(gè)CAN控制器作為系統上電后默認的CAN（可稱(chēng)為主CAN）；另一個(gè)為系統的備用CAN（稱(chēng)之為從CAN），作為主CAN的冗余。系統正常工作時(shí)，主CAN總線(xiàn)（CAN0）投入運行。當主CAN總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，從CAN總線(xiàn)（CAN1）投入運行。
如上電檢測到主CAN總線(xiàn)故障，則從CAN總線(xiàn)自動(dòng)投入運行。這樣在一套總線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)，另一套總線(xiàn)自動(dòng)繼續工作，保證整個(gè)系統的通信功能正常運行，大大提高了系統的可靠性，實(shí)現了CAN總線(xiàn)的全面冗余設計。另外，也可以根據需要，由軟件設定采取冗余方式或非冗余方式，對于非冗余方式只采用主CAN總線(xiàn)運行。本系統的結構方案如圖2所示，其中RT為總線(xiàn)終端匹配電阻，用于抑制信號發(fā)射干擾，RT=100Ω或120Ω。網(wǎng)絡(luò )采用屏蔽雙絞線(xiàn)作為通信介質(zhì)。
3.2系統軟件設計
在雙CAN冗余系統中，較之硬件結構而言，軟件設計相對復雜。一般的CAN總線(xiàn)通信程序必須包括CAN初始化程序、CAN發(fā)送程序和CAN接收程序3個(gè)基本部分。在本冗余系統軟件設計中，上面3部分作為3個(gè)最基本的模塊，供系統其他軟件模塊調用。
由于系統采用雙CAN冗余熱備份方式運行，所以2個(gè)CAN控制器必須都處于熱備份狀態(tài)。系統中所有節點(diǎn)的2個(gè)CAN控制器經(jīng)初始化后都隨時(shí)準備接收信息，但有且只有一個(gè)CAN控制器在發(fā)送信息。換言之，在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，系統中有且僅有一路CAN通道在工作，另一路處于監聽(tīng)狀態(tài)（正常工作時(shí)）或故障狀態(tài)（發(fā)生故障時(shí)）。
在本系統的軟件設計中，除了用于數據發(fā)送和接收的實(shí)時(shí)數據通信程序外，還包括用于對各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行管理的通信管理程序?？偩€(xiàn)管理功能程序供通信節點(diǎn)每隔一段時(shí)間調用，以此判斷所有的節點(diǎn)是否都在線(xiàn)：如果所有節點(diǎn)都在線(xiàn)，則認為總線(xiàn)正常；否則識別離線(xiàn)節點(diǎn)，并作相應處理。若總線(xiàn)通信節點(diǎn)發(fā)生故障，由其他節點(diǎn)接管其工作，繼續實(shí)施總線(xiàn)管理。通信程序流程如圖3所示。
4結束語(yǔ)
CAN總線(xiàn)以其獨特的設計思想、優(yōu)良的性能和極高的可靠性，越來(lái)越受到人們的重視。CAN只采用了ISO/OSI參考模型的1層和2層，對應用層需由用戶(hù)自行定義。由于協(xié)議相對簡(jiǎn)單，所以CAN最突出的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉物美，具有較高的抗干擾能力。其多主機工作方式，使分布于不同地點(diǎn)的各個(gè)監控設備之間的數據交換變得更為靈活和直接。因此，CAN總線(xiàn)特別適合于工業(yè)過(guò)程控制中實(shí)現各控制設備之間的互連，在城市軌道交通電力監控領(lǐng)域中的應用也將日益廣泛。
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