現(xiàn)場總線技術(shù)在電力自動化中的應(yīng)用

1、概述 　　現(xiàn)場總線（Fieldbus）是當(dāng)前自動化領(lǐng)域的熱門話題，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，隨著工業(yè)電網(wǎng)的日益復(fù)雜，人們對電網(wǎng)的安全要求也越來越高，現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一門新興的控制技術(shù)必將取代過去的控制方式而應(yīng)用在電力自動化中。 2、現(xiàn)場總線 　　現(xiàn)場總線是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產(chǎn)現(xiàn)場、在微機(jī)化測量控制設(shè)備之間的實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)，也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。 　　現(xiàn)場總線系統(tǒng)FCS稱為第五代控制系統(tǒng)，人們一般把50年代前的氣動信號控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計算機(jī)集中式控制系統(tǒng)稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS作為新一代控制系統(tǒng)，一方面，突破了DSC系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場?？梢哉f，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。 2.1 特點(diǎn) 　　現(xiàn)場總線技術(shù)是計算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)通訊、超大規(guī)模集成電路、儀表和測試、過程控制和生產(chǎn)管理等現(xiàn)代高科技迅猛發(fā)展的綜合產(chǎn)物，因此現(xiàn)場總線的內(nèi)涵現(xiàn)在已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是指這一根通訊線或一種通訊標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)在精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等許多方面都要比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)要優(yōu)越得多，其主要特點(diǎn)如下。 A 系統(tǒng)的開放性。 　　傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)是個自我封閉的系統(tǒng)，一般只能通過工作站的串口或并口對外通訊。在ＦＣＳ中, 工作站同時靠掛于現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)，通過后者可以與其它計算機(jī)系 統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高速信息交換，以實(shí)現(xiàn)資源共享。另外，現(xiàn)場總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對所有制造商和用戶公開的，沒有專利許可要求，實(shí)行技術(shù)共享。它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。 B 可操作性與互用性 　　不同廠家生產(chǎn)的DCS產(chǎn)品不能互換，要想更新技術(shù)和設(shè)備，只能全部更換。FCS可實(shí)現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)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(shù)字通信。不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進(jìn)行互換而實(shí)現(xiàn)互用。 C 現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性 　　傳統(tǒng)的DCS至少要有操作站、控制站和現(xiàn)場設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，它的信號傳遞是模擬信號的單向傳遞，信號在傳遞過程中產(chǎn)生的誤差較大，另外系統(tǒng)難以迅速判斷故障而帶故障運(yùn)行。在FCS中采用雙向數(shù)字通訊，它將傳感測量、補(bǔ)償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。 D 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性 　　由于FCS現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了原有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。 E 對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性 　　現(xiàn)場總線作為工廠底層網(wǎng)絡(luò)工作在現(xiàn)場設(shè)備前端, 是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能采用兩線制實(shí)現(xiàn)送電與通信，并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。 2.2　LonWorks現(xiàn)場總線簡介 　　LonWorks是一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它是由美國Echelon公司推出并由它們與摩托羅拉、東芝公司共同倡導(dǎo)，于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七層通訊協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，這是以往的現(xiàn)場總線所不支持的，具體就是通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為參數(shù)設(shè)置，其通訊速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達(dá)到2700m(78kbps，雙絞線)，支持雙絞線、同軸電纜、光纖、射頻、紅外線、電源線等多種通信介質(zhì)，并開發(fā)相應(yīng)的本安防爆產(chǎn)品，被譽(yù)為通用控制網(wǎng)絡(luò)。 　　LonWorks技術(shù)所采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱之為神經(jīng)元（Neuron）的芯片中并得以實(shí)現(xiàn)。集成芯片中有3個8位CPU；一個用于完成開放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問的控制與處理；第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數(shù)路徑選擇、軟件計量時、網(wǎng)絡(luò)管理，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信控制、收發(fā)數(shù)據(jù)包等；第三個是應(yīng)用處理器，執(zhí)行操作系統(tǒng)服務(wù)與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區(qū)，以實(shí)現(xiàn)CPU之間的信息傳遞，并作為網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)和應(yīng)用緩沖區(qū)。 　　LonWorks公司的技術(shù)策略是鼓勵各OEM開發(fā)商運(yùn)用LonWorks技術(shù)和神經(jīng)元芯片，開發(fā)自己的應(yīng)用產(chǎn)品，據(jù)稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術(shù)：1000多家公司已經(jīng)推出了LonWorks產(chǎn)品。它被廣泛應(yīng)用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過程控制等行業(yè)。為了支持LonWorks與其它協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)之間的互連與互操作，該公司正在開發(fā)各種網(wǎng)關(guān)，以便將LonWorks與以太網(wǎng)、FF、Profibus等互連為系統(tǒng)。 　　另外，在開發(fā)智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經(jīng)元芯片也具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 　　LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國暖通工程師協(xié)會ASHRE定為建筑自動化協(xié)議BACnet的一個標(biāo)準(zhǔn)。美國消費(fèi)電子制造商協(xié)會也已通過決議，以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)制定了EIA-709標(biāo)準(zhǔn)。 　　這樣，LonWorks已經(jīng)建立了一套從協(xié)議開發(fā)、芯片設(shè)計、芯片制造、控制模塊開發(fā)制造、OEM控制產(chǎn)品、最終控制產(chǎn)品、分銷、系統(tǒng)集成等一系列完整的開發(fā)、制造、推廣、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，吸引了數(shù)萬家企業(yè)參與到這項工作中來，這對于一種技術(shù)的推廣、應(yīng)用有很大的促進(jìn)作用。 3、現(xiàn)場總線在電力自動化中的應(yīng)用 　　近年來隨著我集團(tuán)公司生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大發(fā)展，35KV級輸電網(wǎng)已成為主要的輸配電網(wǎng)架，各級35KV變電站也成為各礦井生產(chǎn)供配電的樞紐環(huán)節(jié)。由于35KV變電站的建設(shè)跨年代較長，自動化裝備已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足技術(shù)管理的需求，裝備落后，信息通道不完整，將嚴(yán)重地影響到電力網(wǎng)的安全運(yùn)行和對突發(fā)事件的快速反應(yīng)與決策。且我集團(tuán)公司新增礦井為高瓦斯礦井，對電網(wǎng)的安全有更高的要求。為了電網(wǎng)的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，我公司決定對電力自動化進(jìn)行一次性改造，其中35KV變電站的間隔層通訊網(wǎng)絡(luò)全部采用現(xiàn)場總線技術(shù)。 　　四方華能電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司的CSC2000綜合變電站自動化系統(tǒng)是國內(nèi)率先采用LonWorks現(xiàn)場總線的系統(tǒng)。四方公司在國際上率先將LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用于變電站綜合自動化系統(tǒng)，并將基于微處理器的間隔層設(shè)備直接并入LonWorks現(xiàn)場總線，以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力，大大提高了通信系統(tǒng)的信息吞吐和數(shù)據(jù)處理能力，從而解決了應(yīng)用低速串口通信采樣數(shù)據(jù)時經(jīng)常產(chǎn)生的瓶頸現(xiàn)象。LonWorks現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗干擾、抗震動性，適用于較大的溫度范圍，適合于變電站較惡劣的工業(yè)環(huán)境。其傳輸速率已遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足變電站綜合自動化系統(tǒng)對信息傳輸速度的要求。 　　站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)通訊采用以太網(wǎng)與LonWorks現(xiàn)場總線相結(jié)合的形式，如圖1所示站控層采用以太網(wǎng)，間隔層采用LonWorks現(xiàn)場總線，信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網(wǎng)上。這種方案實(shí)際上將嵌入式以太網(wǎng)與LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢。 　　1、后臺機(jī)　2、工程師站　3、遠(yuǎn)動機(jī)　4、測控單元　5、測控裝置 6.1、10M以太監(jiān)控網(wǎng)　6.2、10M以太監(jiān)控網(wǎng)　6.3、10M以太錄波網(wǎng) 　　該系統(tǒng)中測控單元是核心與關(guān)鍵所在，它的原理如圖2所示，CPU選用了32位單片機(jī)，CPU部分采用了嵌入式軟件設(shè)計，利用實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)及TCP/IP模塊，完成以太網(wǎng)的通訊與測控任務(wù)，其中Neuron芯片作為CPU的通訊處理器完成LonWorks絡(luò)的通訊任務(wù)，利用它就可與保護(hù)裝置通訊。測控單元以LonWorks網(wǎng)與四方公司制造的保護(hù)裝置相連，可用RS485、RS232與其他廠家制造的保護(hù)裝置相連。 　　采用現(xiàn)場總線方式后與傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)相比有以下明顯的好處： A 節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨(dú)的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線，還可以用工控PC機(jī)作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資，由于控制設(shè)備的減少，還可減少控制室的占地面積。 　　B 節(jié)省安裝費(fèi)用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料，可節(jié)約安裝費(fèi)用60％以上。 　　C 節(jié)省維護(hù)開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護(hù)信息送往控制室，用戶可以查詢所有設(shè)備的運(yùn)行，診斷維護(hù)信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護(hù)停工時間，同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，連線簡單而減少了維護(hù)工作量。 　　D 用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍，不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展，使系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。 　　E 提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，