現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用
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時(shí)間：2013-12-23
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2 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)
a、系統(tǒng)的開(kāi)放性。開(kāi)放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開(kāi),各不同廠(chǎng)家的設(shè)備之間可進(jìn)行互連并實(shí)現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)開(kāi)發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放系統(tǒng)。這里的開(kāi)放是指對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開(kāi)性,強(qiáng)調(diào)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的共識(shí)與遵從。一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),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。一個(gè)具有總線(xiàn)功能的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開(kāi)放的,開(kāi)放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶(hù)。用戶(hù)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、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實(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。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的性能類(lèi)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。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(xiàn)已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)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。工作在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備前端,作為工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),是專(zhuān)為在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境工作而設(shè)計(jì)的,它可支持雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線(xiàn)、電力線(xiàn)等,具有較強(qiáng)的抗干擾能力,能采用兩線(xiàn)制實(shí)現(xiàn)送電與通信,并可滿(mǎn)足本質(zhì)安全防爆要求等。
3現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的優(yōu)越性
由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的以上特點(diǎn),特別是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化,使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、投運(yùn)到正常生產(chǎn)運(yùn)行及其檢修維護(hù),都體現(xiàn)出優(yōu)越性。
a、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中分散在間隔設(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(xiàn),還可以用工控PC機(jī)作為站控操作工作站,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(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單,由于一對(duì)雙絞線(xiàn)、一對(duì)光纖或一條電纜上通?？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(xiàn)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)IED設(shè)備時(shí),無(wú)需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的總線(xiàn)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(kāi)銷(xiāo)。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,運(yùn)行維護(hù)人員可以查詢(xún)所有間隔層設(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(xiàn)簡(jiǎn)單而減少了維護(hù)工作量。
d、用戶(hù)具有高度的系統(tǒng)集成主動(dòng)權(quán)。用戶(hù)可以自由選擇不同廠(chǎng)商所提供的設(shè)備來(lái)集成變電站自動(dòng)化系統(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,使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)集成過(guò)程中的主動(dòng)權(quán)完全掌握在用戶(hù)手中。
e、提高了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)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,提高了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的工作可靠性。
f、易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備擴(kuò)充和產(chǎn)品改型。以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)為基礎(chǔ)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng),可以很方便地進(jìn)行擴(kuò)充和更改。擴(kuò)充系統(tǒng)時(shí),可將新IED設(shè)備連接在已有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)上,不需要增加任何組件,也不需要考慮現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)接口是否匹配的問(wèn)題。對(duì)于功能和參數(shù)所進(jìn)行的修改,可以直接通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)登錄與查詢(xún)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,降低了實(shí)現(xiàn)新的控制策略或產(chǎn)品改型所需要的費(fèi)用。
4幾種典型的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)
a、HART
HART是 Highway Addressable RemoteTransducer(可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路 )的縮寫(xiě)。1986年由美國(guó) ROSEMOUNT公司開(kāi)發(fā)的一套過(guò)渡性臨時(shí)通訊協(xié)議。但目前受到了廣泛承認(rèn) ,已成為事實(shí)上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
●HART協(xié)議以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)開(kāi)放性系統(tǒng)互連模型 (OSI)為參照 ,使用 OSI的 1、2、7三層 ,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層采用基于Be11202通信標(biāo)準(zhǔn)的 FSK技術(shù) ,所以可以通過(guò)租用電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行通信。
●HART協(xié)議使用 FSK技術(shù)在 4~ 2mA過(guò)程測(cè)量模擬信號(hào)上疊加一個(gè)頻率信號(hào)。邏輯1為1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數(shù)字雙向信號(hào)能同時(shí)進(jìn)行而且互不干擾。因此在與智能化儀表通信時(shí) ,還可使用模擬儀表、記錄儀及模擬控制。在不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行改造的情況下 ,逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字性能 (包括數(shù)字過(guò)程變量 ),是一種理想的方案。這是一個(gè)由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過(guò)渡的協(xié)議。
●在應(yīng)用層規(guī)定了3類(lèi)使命 ,第一類(lèi)是通用命令 ,這是所有設(shè)備都能理解、執(zhí)行的命令; 第二類(lèi)是一般行為命令 ,它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中實(shí)現(xiàn); 第三類(lèi)為特殊設(shè)備命令,以便在某些設(shè)備中實(shí)現(xiàn)特殊功能,這類(lèi)命令可以允許開(kāi)發(fā)此類(lèi)設(shè)備的公司所獨(dú)有。此外它還為用戶(hù)提供統(tǒng)一的設(shè)備描述語(yǔ)言DDL。
●HART支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、主從應(yīng)答方式和多點(diǎn)廣播方式。
●直接通信距離: 有屏蔽雙絞線(xiàn)單臺(tái)設(shè)備3000m,而多臺(tái)設(shè)備互相距離1500m。只使用一個(gè)電源時(shí),能連結(jié)15個(gè)智能化設(shè)備。
b、CAN
CAN是 Controller Area Network(控制器局域網(wǎng)絡(luò) )的縮寫(xiě)。這是由德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)的控制局域網(wǎng)絡(luò),是一種具有很高可靠性、支持分布式實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它最初是用于汽車(chē)內(nèi)部大量控制測(cè)量?jī)x器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間數(shù)據(jù)交換的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。現(xiàn)在已逐步發(fā)展到其他工業(yè)部門(mén)的控制,其中包括機(jī)械制造、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械、建筑管理監(jiān)控、變電站自動(dòng)化設(shè)備的監(jiān)控等。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC22技術(shù)委員會(huì)已制訂了CAN協(xié)議的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS1 1 898(通信速率= 1Mbps),ISO/DIS11519(通信速率=125Kbps)。在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)中,目前是唯一被批準(zhǔn)為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)。Intel、Philips、Motorola等芯片廠(chǎng)商均生產(chǎn)CAN總線(xiàn)芯片產(chǎn)品。在我國(guó)也有 HAPCAN等系列產(chǎn)品推出，國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)廠(chǎng)商自行研制的全分散型變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)DISA2，DISA3即采用CAN總線(xiàn)。長(zhǎng)沙電業(yè)局天頂220kV變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的ABB RTU560的內(nèi)部總線(xiàn)亦是采用的CAN總線(xiàn)。
●CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn) ISO/ OSI模型的 1、2兩層。物理層定義了傳送過(guò)程中的所有電氣特性; 目標(biāo)層和傳輸層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。目標(biāo)層的功能包括確認(rèn)哪個(gè)信息是要發(fā)送的 ,確認(rèn)傳送層接收到的信息并為之提供接口。傳送層的功能包括幀組織、總線(xiàn)仲裁、檢錯(cuò)、錯(cuò)誤報(bào)告、錯(cuò)誤處理等。
●CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) (成組)及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù),可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,可以方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。
●網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點(diǎn)可以定義不同的優(yōu)先級(jí)以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求,CAN采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù) ,當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時(shí) ,優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)傳送 ,而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳
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