現場總線技術在樓宇自動化領域的應用與研究

1、引言

現場總線技術是電子、儀器儀表、計算機技術和網絡技術發(fā)展的結晶,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的測量控制儀表,使它們各自都具有數字計算和數字通信能力,采用可簡單連接的雙絞線等作為總線,把多個測量控制儀表連成網絡系統,并按公開、規(guī)范的通信協議,在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監(jiān)控計算機之間,實現全數字化、雙向多變量數字通信,一改過去長時間運用4-20mA的模擬信號標準。它在電力、冶金、石化、樓宇等方面的自動化系統中具有廣泛的應用前景。

2、廈門會展電力監(jiān)控系統介紹

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統工程是會展中心智能化工程中的重點工程之一,電力監(jiān)控系統負責對會展中心的高、低壓配電室內的各種用電設備的集中監(jiān)控與計量,通過先進的系統和控制方案給會展中心提供高效、先進的系統管理。

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統工程由西安協同公司承接實施,西安協同公司針對該系統各種設備接口復雜、技術專業(yè)性強等特點,精心設計、科學組織、克服困難、不斷創(chuàng)新,最終圓滿完成了工程實施。該系統優(yōu)良率為92%,居28個子系統之首,受到建設單位的一致好評。

2.1　系統組成及功能

系統由一臺中央工作站、六臺監(jiān)控分站、一條“DH+”總線組成,采用集散型系統設計。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模塊完成低壓開關狀態(tài)的采集與脈沖量的計量,DO模塊實現開關的分勵脫扣及模擬屏的驅動。BASIC通信模塊帶有兩個獨立可編程RS-485通信口,可外掛兩條RS-485總線與各種智能設備構成現場總線結構。本系統中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、有功電度、變壓器溫度、浮充電壓、環(huán)境溫度；開關狀態(tài),故障、報警、跳閘信號;開關分、合閘控制

本系統雖然是PLC與現場總線并存的系統,但可以看出,現場總線是該系統的核心,也是該系統的亮點之一。

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

2.2　系統特點及優(yōu)點

●節(jié)省硬件投資與施工費用

傳統控制系統對于模擬量的采集一般選用各種變送器,將模擬量轉換為4-20mA標準電流信號,然后經模數轉換單元,最終送往中央工作站?，F場總線系統中,所有上述功能全都集成于一體化的智能設備中,因此采用現場總線系統,不需購置大量硬件設備,節(jié)省空間,節(jié)省投資?！?/p>

現場總線系統接線十分簡單,通過一條電纜便可連接多個設備,而傳統控制系統,每個變送器都需單獨電纜傳送信號。因此,采用現場總線系統,電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設計與接頭校核的工作量也大為減少。如需增加現場設備時,無需增設新的電纜,可就近連接在原有的電纜上,減少了設計、安裝的費用。

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統實際I/O點數為1000點,模擬量為370點,我公司實施這一系統用了105萬,如果不使用現場總線系統,而是用傳統控制系統模式,經我們估算,投資至少需要150萬。

●系統維護方便

現場總線系統結構簡單,故障環(huán)節(jié)少,施工維護方便。由于現場智能設備具有自診斷和簡單處理能力,維護人員可以查詢設備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工周期。

●控制功能分散

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

●系統準確性和可靠性得到提高

由于現場總線設備的智能化、數字化,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,由于系統結構簡化,設備連線減少,現場儀表內部功能加強,減少了信號的往返傳輸,提高了系統的工作可靠性。

2.3　技術難點及經驗總結

一條RS-485總線理論上只允許掛有相同通信協議的智能設備,各個設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議的智能表,那么對于只有兩個通信口的BASIC模塊,不可避免要將兩種不同協議的設備掛在一條總線上。我們針對這一問題作了分析與論證,認為協議不同的智能設備,如果端口配置（包括波特率、數據位、奇偶校驗、停止位、流控制）相同,便可以掛在一條總線上工作。我們對所有設備的端口進行了統一配置,通信軟件編制作了相應調整,分別對不同設備進行讀寫控制,最終系統運行正常,并沒有發(fā)生沖突的情況。

隨著總線上設備的增加,數據刷新的周期會變長,系統實時性會降低,如果要提高實時性,則要增加硬件投資,如增加通信模塊或提高系統配置。對于具體的控制系統,不必一味追求系統實時性,要根據系統的實際情況和客戶的具體要求,使系統各項指標滿足要求即可。例如會展中心高配室,一條RS-485總線同時連接20臺REF-541,要進行讀取數據、采集報警、開關分、合閘控制等多任務,不同任務對實時性的要求是不同的。我們在通信軟件編制中,對不同任務也加以區(qū)分,采用“硬實時任務”優(yōu)先處理的算法,最終使系統各項指標均達到技術協議的要求。

3、現場總線系統模式應用于其它系統的設計構思

廈門國際會展中心電力監(jiān)控系統是現場總線技術在樓宇自控領域的成功應用,那么該控制系統模式能否應用于其它系統呢?下面給出樓宇自動化抄表系統的設計構思。

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

4、現場總線技術將朝著開放系統、統一標準的方向發(fā)展

以微處理器芯片為基礎的各種智能儀表,為現場信號的數字化以及實現復雜的應用功能提供了條件。但不同廠商所提供的設備之間的通信標準不統一,嚴重束縛了工廠底層網絡的發(fā)展。對于廈門會展電力監(jiān)控系統來講,該系統涉及到國內外智能設備共有5種,我們在工程實施中針對5中不同的通信協議分別開發(fā)出5種不同的驅動程序,每種驅動程序的調試方法也各不相同,這無疑增加了系統集成的工作量。

在我國,各種智能設備的生產廠家都提供了自己的通信接口,但這些接口都很不規(guī)范,也沒有做到統一。在國外,現場總線技術統一標準已取得了相當進展,自80年代以來,已形成了幾中有影響的現場總線技術：

1、基金會現場總線；

2、LonWorks；

3、PROFIBUS；

4、CAN；

5、HART。

預計在今后一段時間內,會出現幾種現場總線標準共存、同一生產現場有幾種異構網絡互連通訊的局面。但發(fā)展共同遵循的統一標準,真正形成一種開放互聯系統才是大勢所趨。