現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)歷來(lái)是自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門,基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)必將分系統(tǒng)、分階段地逐步取代現(xiàn)有的分散式控制系統(tǒng) ,在未來(lái)定將成為我國(guó)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的主導(dǎo)設(shè)備。


1、概述

　　現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域的熱門話題，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，引起了自動(dòng)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(duì)電網(wǎng)的安全要求也越來(lái)越高，現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)作為一門新興的控制技術(shù)必將取代過(guò)去的控制方式而應(yīng)用在電力自動(dòng)化中。

2、現(xiàn)場(chǎng)總線

　　現(xiàn)場(chǎng)總線是80年代末、90年代初國(guó)際上形成的，用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)、在微機(jī)化測(cè)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(chǎng)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(dòng)信號(hào)控制系統(tǒng)PCS稱作第一代，把4～20mA等電動(dòng)模擬信號(hào)控制系統(tǒng)稱為第二代，把數(shù)字計(jì)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(lái)的集散式分布控制系統(tǒng)DCS稱作第四代。現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。可以說(shuō)，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。

2.1 特點(diǎn)

　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)通訊、超大規(guī)模集成電路、儀表和測(cè)試、過(guò)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(chǎng)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)。現(xiàn)場(chǎng)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(gè)自我封閉的系統(tǒng)，一般只能通過(guò)工作站的串口或并口對(duì)外通訊。在ＦＣＳ中, 工作站同時(shí)靠掛于現(xiàn)場(chǎng)總線和局域網(wǎng)兩層網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)后者可以與其它計(jì)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(chǎng)總線的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)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(duì)象把來(lái)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(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)設(shè)備三層結(jié)構(gòu)，它的信號(hào)傳遞是模擬信號(hào)的單向傳遞，信號(hào)在傳遞過(guò)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(cè)量、補(bǔ)償計(jì)算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中完成，僅靠現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備即可完成自動(dòng)控制的基本功能，并可隨時(shí)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(chǎng)設(shè)備本身已可完成自動(dòng)控制的基本功能，使得現(xiàn)場(chǎng)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(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了可靠性。

E 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性

　　現(xiàn)場(chǎng)總線作為工廠底層網(wǎng)絡(luò)工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端, 是專為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)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(chǎng)總線簡(jiǎn)介

　　LonWorks是一具有強(qiáng)勁實(shí)力的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，它是由美國(guó)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(jì)方法，這是以往的現(xiàn)場(chǎng)總線所不支持的，具體就是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(gè)8位CPU；一個(gè)用于完成開放互連模型中第1～2層的功能，稱為媒體訪問(wèn)控制處理器，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)訪問(wèn)的控制與處理；第二個(gè)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(jì)量時(shí)、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(gè)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(chǔ)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(lì)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(dòng)化、家庭自動(dòng)化、保安系統(tǒng)、辦公設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、工業(yè)過(guò)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(shì)。

　　LonWorks技術(shù)已經(jīng)被美國(guó)暖通工程師協(xié)會(huì)ASHRE定為建筑自動(dòng)化協(xié)議BACnet的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)消費(fèi)電子制造商協(xié)會(huì)也已通過(guò)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(jì)、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(wàn)家企業(yè)參與到這項(xiàng)工作中來(lái)，這對(duì)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(chǎng)總線在電力自動(dòng)化中的應(yīng)用

　　近年來(lái)隨著我集團(tuán)公司生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大發(fā)展，35KV級(jí)輸電網(wǎng)已成為主要的輸配電網(wǎng)架，各級(jí)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(zhǎng)，自動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)電力自動(dòng)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(chǎng)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(dòng)化系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)率先采用LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線的系統(tǒng)。四方公司在國(guó)際上率先將LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用于變電站綜合自動(dòng)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(chǎng)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(shí)經(jīng)常產(chǎn)生的瓶頸現(xiàn)象。LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的抗干擾、抗震動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)總線，信息通過(guò)間隔層的測(cè)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(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合，可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。




　　1、后臺(tái)機(jī)　2、工程師站　3、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)　4、測(cè)控單元　5、測(cè)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(cè)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(jì)，利用實(shí)時(shí)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(bào)警和計(jì)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(jì)算單元等，也不再需要DCS系統(tǒng)的信號(hào)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。現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的接線十分簡(jiǎn)單，由于一對(duì)雙絞線或一條電纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)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(jì)與接頭校對(duì)的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備時(shí)，無(wú)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(jì)、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗(yàn)工程的測(cè)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(chǎng)控制設(shè)備具有自診斷與簡(jiǎn)單故障處理的能力，并通過(guò)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?？s短了維護(hù)停工時(shí)間，同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，連線簡(jiǎn)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(dòng)權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來(lái)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(huì)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(guò)程中的主動(dòng)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(chǎng)總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號(hào)相比，它從根本上提高了測(cè)量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，設(shè)備與連線減少，現(xiàn)場(chǎng)儀表內(nèi)部功能加強(qiáng)：減少了信號(hào)的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　在變電站中采用現(xiàn)場(chǎng)總線后可實(shí)現(xiàn)真正的分層、分布式結(jié)構(gòu)，這種完全分層分布式系統(tǒng)，進(jìn)一步提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性，符合國(guó)際上變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

　　現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠、變電站和電力系統(tǒng)中有非常廣闊的應(yīng)用前景 ,特別是在新建項(xiàng)目中能在可靠性、高精度、經(jīng)濟(jì)性等諸多方面獲得最大的效益。電力系統(tǒng)歷來(lái)是自動(dòng)化程度最高的生產(chǎn)部門 ,在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)總線廠家和設(shè)計(jì)研究部門的共同努力下 ,基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)必將分系統(tǒng)、分階段地逐步取代現(xiàn)有的分散式控制系統(tǒng) ,在未來(lái)定將成為我國(guó)電力系統(tǒng)自動(dòng)化的主導(dǎo)設(shè)備。