現場總線技術在電力自動化中的應用

1、概述 　　現場總線（Fieldbus）是當前自動化領域的熱門話題，被譽為自動化領域的計算機局域網。信息技術的飛速發展，引起了自動化系統結構的變革，隨著工業電網的日益復雜，人們對電網的安全要求也越來越高，現場總線控制技術作為一門新興的控制技術必將取代過去的控制方式而應用在電力自動化中。 2、現場總線 　　現場總線是80年代末、90年代初國際上形成的，用于生產現場、在微機化測量控制設備之間的實現雙向串行多節點數字通信的系統，也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。 　　現場總線系統FCS稱為第五代控制系統，人們一般把50年代前的氣動信號控制系統PCS稱作第一代，把4～20mA等電動模擬信號控制系統稱為第二代，把數字計算機集中式控制系統稱為第三代，而把70年代中期以來的集散式分布控制系統DCS稱作第四代。現場總線控制系統FCS作為新一代控制系統，一方面，突破了DSC系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。 2.1 特點 　　現場總線技術是計算機，網絡通訊、超大規模集成電路、儀表和測試、過程控制和生產管理等現代高科技迅猛發展的綜合產物，因此現場總線的內涵現在已遠遠不是指這一根通訊線或一種通訊標準。現場總線的控制系統在精度、可靠性、經濟性等許多方面都要比傳統的控制系統要優越得多，其主要特點如下。 A 系統的開放性。 　　傳統的控制系統是個自我封閉的系統，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場總線和局域網兩層網絡，通過后者可以與其它計算機系 統或網絡進行高速信息交換，以實現資源共享。另外，現場總線的技術標準是對所有制造商和用戶公開的，沒有專利許可要求，實行技術共享。它可以與任何遵守相同標準的其它設備或系統相連。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應商的產品組成大小隨意的系統。 B 可操作性與互用性 　　不同廠家生產的DCS產品不能互換，要想更新技術和設備，只能全部更換。FCS可實現互連設備間、系統間的信息傳送與溝通，可實行點對點，一點對多點的數字通信。不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換而實現互用。 C 現場設備的智能化與功能自治性 　　傳統的DCS至少要有操作站、控制站和現場設備三層結構，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生的誤差較大，另外系統難以迅速判斷故障而帶故障運行。在FCS中采用雙向數字通訊，它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現場設備中完成，僅靠現場設備即可完成自動控制的基本功能，并可隨時診斷設備的運行狀態。 D 系統結構的高度分散性 　　由于FCS現場設備本身已可完成自動控制的基本功能，使得現場總線已構成一種新的全分布式控制系統的體系結構。從根本上改變了原有DCS集中與分散相結合的集散控制系統體系，簡化了系統結構，提高了可靠性。 E 對現場環境的適應性 　　現場總線作為工廠底層網絡工作在現場設備前端, 是專為在現場環境工作而設計的，它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等，具有較強的抗干擾能力，能采用兩線制實現送電與通信，并可滿足本質安全防爆要求等。 2.2　LonWorks現場總線簡介 　　LonWorks是一具有強勁實力的現場總線技術，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，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議，采用了面向對象的設計方法，這是以往的現場總線所不支持的，具體就是通過網絡變量把網絡通信設計簡化為參數設置，其通訊速率從300bps至1.5Mbps不等，直接通信距離可達到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，并開發相應的本安防爆產品，被譽為通用控制網絡。 　　LonWorks技術所采用的LonTalk協議被封裝在稱之為神經元（Neuron）的芯片中并得以實現。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，實現介質訪問的控制與處理；第二個用于完成第3～6層的功能，稱為網絡處理器，進行網絡變量處理的尋址、處理、背景診斷、函數路徑選擇、軟件計量時、網絡管理，并負責網絡通信控制、收發數據包等；第三個是應用處理器，執行操作系統服務與用戶代碼。芯片中還具有存儲信息緩沖區，以實現CPU之間的信息傳遞，并作為網絡緩沖區和應用緩沖區。 　　LonWorks公司的技術策略是鼓勵各OEM開發商運用LonWorks技術和神經元芯片，開發自己的應用產品，據稱目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技術：1000多家公司已經推出了LonWorks產品。它被廣泛應用在樓宇自動化、家庭自動化、保安系統、辦公設備、運輸設備、工業過程控制等行業。為了支持LonWorks與其它協議和網絡之間的互連與互操作，該公司正在開發各種網關，以便將LonWorks與以太網、FF、Profibus等互連為系統。 　　另外，在開發智能通信接口、智能傳感器方面，LonWorks神經元芯片也具有獨特的優勢。 　　LonWorks技術已經被美國暖通工程師協會ASHRE定為建筑自動化協議BACnet的一個標準。美國消費電子制造商協會也已通過決議，以LonWorks技術為基礎制定了EIA-709標準。 　　這樣，LonWorks已經建立了一套從協議開發、芯片設計、芯片制造、控制模塊開發制造、OEM控制產品、最終控制產品、分銷、系統集成等一系列完整的開發、制造、推廣、應用體系結構，吸引了數萬家企業參與到這項工作中來，這對于一種技術的推廣、應用有很大的促進作用。 3、現場總線在電力自動化中的應用 　　近年來隨著我集團公司生產規模的擴大發展，35KV級輸電網已成為主要的輸配電網架，各級35KV變電站也成為各礦井生產供配電的樞紐環節。由于35KV變電站的建設跨年代較長，自動化裝備已遠遠不能滿足技術管理的需求，裝備落后，信息通道不完整，將嚴重地影響到電力網的安全運行和對突發事件的快速反應與決策。且我集團公司新增礦井為高瓦斯礦井，對電網的安全有更高的要求。為了電網的安全與經濟運行，我公司決定對電力自動化進行一次性改造，其中35KV變電站的間隔層通訊網絡全部采用現場總線技術。 　　四方華能電網控制系統有限公司的CSC2000綜合變電站自動化系統是國內率先采用LonWorks現場總線的系統。四方公司在國際上率先將LonWorks現場總線技術應用于變電站綜合自動化系統，并將基于微處理器的間隔層設備直接并入LonWorks現場總線，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的信息吞吐和數據處理能力，從而解決了應用低速串口通信采樣數據時經常產生的瓶頸現象。LonWorks現場總線網絡具有很強的抗干擾、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環境。其傳輸速率已遠遠滿足變電站綜合自動化系統對信息傳輸速度的要求。 　　站內網絡通訊采用以太網與LonWorks現場總線相結合的形式，如圖1所示站控層采用以太網，間隔層采用LonWorks現場總線，信息通過間隔層的測控單元上傳到主干網上。這種方案實際上將嵌入式以太網與LonWorks現場總線技術相結合，可發揮各自的優勢。 　　1、后臺機　2、工程師站　3、遠動機　4、測控單元　5、測控裝置 6.1、10M以太監控網　6.2、10M以太監控網　6.3、10M以太錄波網 　　該系統中測控單元是核心與關鍵所在，它的原理如圖2所示，CPU選用了32位單片機，CPU部分采用了嵌入式軟件設計，利用實時多任務操作系統及TCP/IP模塊，完成以太網的通訊與測控任務，其中Neuron芯片作為CPU的通訊處理器完成LonWorks絡的通訊任務，利用它就可與保護裝置通訊。測控單元以LonWorks網與四方公司制造的保護裝置相連，可用RS485、RS232與其他廠家制造的保護裝置相連。 　　采用現場總線方式后與傳統的DCS系統相比有以下明顯的好處： A 節省硬件數量與投資。由于現場總線系統中分散在設備前端的智能設備能直接執行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS系統的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線，還可以用工控PC機作為操作站，從而節省了一大筆硬件投資，由于控制設備的減少，還可減少控制室的占地面積。 　　B 節省安裝費用。現場總線系統的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現場控制設備時，無需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，也減少了設計、安裝的工作量。據有關典型試驗工程的測算資料，可節約安裝費用60％以上。 　　C 節省維護開銷。由于現場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數字通訊將相關的診斷維護信息送往控制室，用戶可以查詢所有設備的運行，診斷維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。縮短了維護停工時間，同時由于系統結構簡化，連線簡單而減少了維護工作量。 　　D 用戶具有高度的系統集成主動權。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設備來集成系統。避免因選擇了某一品牌的產品被“框死”了設備的選擇范圍，不會為系統集成中不兼容的協議、接口而一籌莫展，使系統集成過程中的主動權完全掌握在用戶手中。 　　E 提高了系統的準確性與可靠性。由于現場總線設備的智能化、數字化，