現(xiàn)場總線技術(shù)在樓宇自動化領(lǐng)域的應(yīng)用與研究

1、引言

現(xiàn)場總線技術(shù)是電子、儀器儀表、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶,是工業(yè)自動化事業(yè)發(fā)展的需要。它將專用微處理器置入傳統(tǒng)的測量控制儀表,使它們各自都具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力,采用可簡單連接的雙絞線等作為總線,把多個(gè)測量控制儀表連成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并按公開、規(guī)范的通信協(xié)議,在位于現(xiàn)場的多個(gè)微機(jī)化測量控制設(shè)備之間以及現(xiàn)場儀表與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間,實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化、雙向多變量數(shù)字通信,一改過去長時(shí)間運(yùn)用4-20mA的模擬信號標(biāo)準(zhǔn)。它在電力、冶金、石化、樓宇等方面的自動化系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2、廈門會展電力監(jiān)控系統(tǒng)介紹

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)工程是會展中心智能化工程中的重點(diǎn)工程之一,電力監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對會展中心的高、低壓配電室內(nèi)的各種用電設(shè)備的集中監(jiān)控與計(jì)量,通過先進(jìn)的系統(tǒng)和控制方案給會展中心提供高效、先進(jìn)的系統(tǒng)管理。

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)工程由西安協(xié)同公司承接實(shí)施,西安協(xié)同公司針對該系統(tǒng)各種設(shè)備接口復(fù)雜、技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)等特點(diǎn),精心設(shè)計(jì)、科學(xué)組織、克服困難、不斷創(chuàng)新,最終圓滿完成了工程實(shí)施。該系統(tǒng)優(yōu)良率為92%,居28個(gè)子系統(tǒng)之首,受到建設(shè)單位的一致好評。

2.1　系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)由一臺中央工作站、六臺監(jiān)控分站、一條“DH+”總線組成,采用集散型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。監(jiān)控分站選用美國AB公司的SLC500控制器,控制器配有DI、DO及BASIC通信模塊。DI模塊完成低壓開關(guān)狀態(tài)的采集與脈沖量的計(jì)量,DO模塊實(shí)現(xiàn)開關(guān)的分勵脫扣及模擬屏的驅(qū)動。BASIC通信模塊帶有兩個(gè)獨(dú)立可編程RS-485通信口,可外掛兩條RS-485總線與各種智能設(shè)備構(gòu)成現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)中BASIC通信模塊主要完成如下監(jiān)控功能;

三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、有功電度、變壓器溫度、浮充電壓、環(huán)境溫度；開關(guān)狀態(tài),故障、報(bào)警、跳閘信號;開關(guān)分、合閘控制

本系統(tǒng)雖然是PLC與現(xiàn)場總線并存的系統(tǒng),但可以看出,現(xiàn)場總線是該系統(tǒng)的核心,也是該系統(tǒng)的亮點(diǎn)之一。

本系統(tǒng)使用的智能設(shè)備有瑞士ABB公司的REF-541綜合三相過流保護(hù)繼電器,法國SOCOMEC公司的智能電網(wǎng)電量監(jiān)控器,浙江科宏電氣的智能溫控設(shè)備、福州利得電氣的智能溫控設(shè)備,上海華辰電氣的智能高頻開關(guān)直流屏。

2.2　系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)

●節(jié)省硬件投資與施工費(fèi)用

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)對于模擬量的采集一般選用各種變送器,將模擬量轉(zhuǎn)換為4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號,然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元,最終送往中央工作站。現(xiàn)場總線系統(tǒng)中,所有上述功能全都集成于一體化的智能設(shè)備中,因此采用現(xiàn)場總線系統(tǒng),不需購置大量硬件設(shè)備,節(jié)省空間,節(jié)省投資?！?/p>

現(xiàn)場總線系統(tǒng)接線十分簡單,通過一條電纜便可連接多個(gè)設(shè)備,而傳統(tǒng)控制系統(tǒng),每個(gè)變送器都需單獨(dú)電纜傳送信號。因此,采用現(xiàn)場總線系統(tǒng),電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計(jì)與接頭校核的工作量也大為減少。如需增加現(xiàn)場設(shè)備時(shí),無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,減少了設(shè)計(jì)、安裝的費(fèi)用。

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際I/O點(diǎn)數(shù)為1000點(diǎn),模擬量為370點(diǎn),我公司實(shí)施這一系統(tǒng)用了105萬,如果不使用現(xiàn)場總線系統(tǒng),而是用傳統(tǒng)控制系統(tǒng)模式,經(jīng)我們估算,投資至少需要150萬。

●系統(tǒng)維護(hù)方便

現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,故障環(huán)節(jié)少,施工維護(hù)方便。由于現(xiàn)場智能設(shè)備具有自診斷和簡單處理能力,維護(hù)人員可以查詢設(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)停工周期。

●控制功能分散

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)控制功能主要由控制室設(shè)備承擔(dān),現(xiàn)場總線系統(tǒng)控制功能基本上由智能化的現(xiàn)場儀表承擔(dān),控制功能分散的比較徹底,真正做到了“分散控制”。比如該系統(tǒng)的智能溫控設(shè)備,通過對變壓器溫度的監(jiān)測,它會發(fā)出命令啟動風(fēng)機(jī)降溫或者高壓跳閘,并不依賴上位機(jī)的功能。

●系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性得到提高

由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號相比,它從根本上提高了測量與控制的精確度,減少了傳送誤差。同時(shí),由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備連線減少,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強(qiáng),減少了信號的往返傳輸,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

2.3　技術(shù)難點(diǎn)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

一條RS-485總線理論上只允許掛有相同通信協(xié)議的智能設(shè)備,各個(gè)設(shè)備以不同地址加以區(qū)分。但會展中心2、4、5號低配室有三種不同協(xié)議的智能表,那么對于只有兩個(gè)通信口的BASIC模塊,不可避免要將兩種不同協(xié)議的設(shè)備掛在一條總線上。我們針對這一問題作了分析與論證,認(rèn)為協(xié)議不同的智能設(shè)備,如果端口配置（包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)、停止位、流控制）相同,便可以掛在一條總線上工作。我們對所有設(shè)備的端口進(jìn)行了統(tǒng)一配置,通信軟件編制作了相應(yīng)調(diào)整,分別對不同設(shè)備進(jìn)行讀寫控制,最終系統(tǒng)運(yùn)行正常,并沒有發(fā)生沖突的情況。

隨著總線上設(shè)備的增加,數(shù)據(jù)刷新的周期會變長,系統(tǒng)實(shí)時(shí)性會降低,如果要提高實(shí)時(shí)性,則要增加硬件投資,如增加通信模塊或提高系統(tǒng)配置。對于具體的控制系統(tǒng),不必一味追求系統(tǒng)實(shí)時(shí)性,要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況和客戶的具體要求,使系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求即可。例如會展中心高配室,一條RS-485總線同時(shí)連接20臺REF-541,要進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)、采集報(bào)警、開關(guān)分、合閘控制等多任務(wù),不同任務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求是不同的。我們在通信軟件編制中,對不同任務(wù)也加以區(qū)分,采用“硬實(shí)時(shí)任務(wù)”優(yōu)先處理的算法,最終使系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)協(xié)議的要求。

3、現(xiàn)場總線系統(tǒng)模式應(yīng)用于其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)場總線技術(shù)在樓宇自控領(lǐng)域的成功應(yīng)用,那么該控制系統(tǒng)模式能否應(yīng)用于其它系統(tǒng)呢?下面給出樓宇自動化抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)思。

小區(qū)用戶水電氣表選用有脈沖輸出功能的產(chǎn)品,多路采集控制器負(fù)責(zé)計(jì)量某一區(qū)域或樓層用戶三表的脈沖數(shù),并計(jì)算出每戶用電量、用水量、用氣量,通過RS-485總線上傳至管理工作站。目前生產(chǎn)這種采集器的廠家較多,價(jià)格也比較便宜。當(dāng)然也可以采用小型PLC來實(shí)現(xiàn),這樣系統(tǒng)性能會大幅度提升,但是投資也會相應(yīng)增加。我公司給某大廈抄表系統(tǒng)的建議方案中便采用這種模式。

4、現(xiàn)場總線技術(shù)將朝著開放系統(tǒng)、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展

以微處理器芯片為基礎(chǔ)的各種智能儀表,為現(xiàn)場信號的數(shù)字化以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設(shè)備之間的通信標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,嚴(yán)重束縛了工廠底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。對于廈門會展電力監(jiān)控系統(tǒng)來講,該系統(tǒng)涉及到國內(nèi)外智能設(shè)備共有5種,我們在工程實(shí)施中針對5中不同的通信協(xié)議分別開發(fā)出5種不同的驅(qū)動程序,每種驅(qū)動程序的調(diào)試方法也各不相同,這無疑增加了系統(tǒng)集成的工作量。

在我國,各種智能設(shè)備的生產(chǎn)廠家都提供了自己的通信接口,但這些接口都很不規(guī)范,也沒有做到統(tǒng)一。在國外,現(xiàn)場總線技術(shù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)已取得了相當(dāng)進(jìn)展,自80年代以來,已形成了幾中有影響的現(xiàn)場總線技術(shù)：

1、基金會現(xiàn)場總線；

2、LonWorks；

3、PROFIBUS；

4、CAN；

5、HART。

預(yù)計(jì)在今后一段時(shí)間內(nèi),會出現(xiàn)幾種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)共存、同一生產(chǎn)現(xiàn)場有幾種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵循的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),真正形成一種開放互聯(lián)系統(tǒng)才是大勢所趨。