寧康紅，鄭凌蔚，舒乃秋

1  引言
隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，集計算機、通信、超大規模集成電路、儀表和測試、過(guò)程控制技術(shù)于一體的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。加之現場(chǎng)總線(xiàn)適應了控制系統向分散化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化發(fā)展的方向，給自動(dòng)化系統的最終用戶(hù)帶來(lái)更大的實(shí)惠和方便。自其出現之日起，就受到廣泛關(guān)注，迅速成為世界范圍內控制技術(shù)的熱點(diǎn)，并成為多學(xué)科交叉領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)研究課題。
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)給儀表和自動(dòng)化領(lǐng)域帶來(lái)了深刻的影響，特別是用數字信號取代4～20mA的模擬信號和控制功能向現場(chǎng)的下移，使得傳統的控制系統結構發(fā)生了根本性的變革?，F場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)也為電力系統領(lǐng)域的分散式、開(kāi)放式、智能式的自動(dòng)化系統的設計和實(shí)現提供了新的途徑和方法，也必將在電力系統的各個(gè)方面獲得廣泛的應用。
2  現場(chǎng)總線(xiàn)的概述
2.1  現場(chǎng)總線(xiàn)的定義
按照國際電工委員會(huì )IEC/ SC65C的定義，現場(chǎng)總線(xiàn)是“安裝在生產(chǎn)過(guò)程區域的現場(chǎng)設備/儀表與控制室內的自動(dòng)控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡(luò )”[1]?；蛘哒f(shuō)，現場(chǎng)總線(xiàn)是以單個(gè)分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，用總線(xiàn)連接，實(shí)現信息互換，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò )系統與控制系統，是計算機控制與通訊技術(shù)結合的產(chǎn)物，是新一代全數字、全分散和全開(kāi)放的現場(chǎng)控制系統。它的本質(zhì)含義表現在以下六個(gè)方面：現場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)設備互聯(lián)、互操作性、分散功能塊、通信線(xiàn)供電和開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )。
因此，現場(chǎng)總線(xiàn)是面向工廠(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成的數字化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。
2.2  現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)
簡(jiǎn)單地概括現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)就是信號傳輸全數字、控制功能全分散、標準統一全開(kāi)放、互操作性強、費用低等[2]。具體概述為：
(1)  數字化的信號傳輸：使用數字化通信完成對現場(chǎng)設備的聯(lián)絡(luò )和控制，在網(wǎng)絡(luò )通信中采用信息防撞與糾錯技術(shù)，實(shí)現了高速及雙向多點(diǎn)之間的可靠通信。
(2)  功能轉移：廉價(jià)的智能化現場(chǎng)設備的普及與基于現場(chǎng)的微處理器及標準數字通訊鏈路的發(fā)展相互促進(jìn)，促使簡(jiǎn)單的控制任務(wù)遷移到控制現場(chǎng)，能夠處理PID算法和控制邏輯的現場(chǎng)微處理器接管了大部分簡(jiǎn)單的控制任務(wù)。
(3)  方便的互操作性：現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)強調“互聯(lián)”和“互操作性”。實(shí)現真正的“即接即用”，即所謂互操作性。這樣，用戶(hù)也能自由地集成現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統，從而極大的方便了用戶(hù)。
(4)  開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )：現場(chǎng)總線(xiàn)為開(kāi)放式互連網(wǎng)絡(luò )，既可與同層網(wǎng)絡(luò )互連，也可與不同層網(wǎng)絡(luò )互連，不同制造商的網(wǎng)絡(luò )互連十分簡(jiǎn)便，用戶(hù)不必在硬件或軟件上花多大力氣。
(5)  多種傳輸媒介和拓撲結構：現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)由于采用數字通信方式，因此可采用多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行通信。根據控制系統中節點(diǎn)的空間分布情況，可采用多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。這種多樣性給自動(dòng)化系統的施工帶來(lái)了極大的方便。
(6)  簡(jiǎn)化結構降低費用：現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)由于采用智能儀表和總線(xiàn)傳輸方式，可以減少大量的隔離器，端子框及電纜等，從而降低系統復雜程度，節省施工費用。
2.3  現場(chǎng)總線(xiàn)的種類(lèi)
由于現場(chǎng)總線(xiàn)的國際標準尚未建立，所以各種總線(xiàn)技術(shù)風(fēng)起云涌，各具特色。盡管IEC經(jīng)過(guò)長(cháng)達15年的努力，推出了由IEC61158TS(H1)、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE(H2)、SwiftNet、WorldFIP和Interbus八個(gè)部分組成的現場(chǎng)總線(xiàn)標準IEC61158，但離一個(gè)標準的目標有很大差距，并沒(méi)有真正解決統一成單一現場(chǎng)總線(xiàn)的問(wèn)題。與此同時(shí)，出于生產(chǎn)和商業(yè)的需要，諸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些實(shí)力雄厚的總線(xiàn)產(chǎn)品也獲得了廣泛的應用?，F主要介紹一下在電力系統中用的較多的幾種總線(xiàn)技術(shù)。
2.3.1  基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)(FF)[3]
FF(Foundation FieldBus)是以美國Fisher-Rosemount公司為首的80多家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的150多家公司制定的World FIP協(xié)議在1994年合并成立的FF基金會(huì )。FF以ISO/OSI參考模型為基礎，取其物理層、鏈路層、和應用層為FF通信模型的相應層次，并在此基礎上增加了用戶(hù)層。FF分為低速現場(chǎng)總線(xiàn)H1和高速現場(chǎng)總線(xiàn)H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離為1.9km，并且支持總線(xiàn)供電和本質(zhì)安全性；H2的傳輸速率可為1M和1.5Mbps兩種，通信距離分別為0.5km和0.75km。
FF總線(xiàn)具有一定的權威性、廣泛性和公正性，因而在電力實(shí)驗系統、化工、廢水處理、油田等過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域獲得廣泛應用。
2.3.2  PROFIBUS總線(xiàn)
PROFIBUS( Process Field Bus)即過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)是以德國SIEMENS為主的10多家公司共同推出，1996年3月被批準為歐洲標準，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS組成PROFIBUS系列。DP用于設備級控制系統與分散式I/O通信，傳輸速率為9.6Ｋbps～12Mbps，傳輸距離12Mbps為0.1km，1.5Mbps為0.4km；PA用于過(guò)程自動(dòng)化，并有本質(zhì)安全區域，傳輸速率為31.25Kbps；FMS用于生產(chǎn)車(chē)間級的監控網(wǎng)絡(luò )，執行數據量較大的數據交換。
PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)應用于電力、制造業(yè)自動(dòng)化、流程工業(yè)自動(dòng)化和樓宇、交通等自動(dòng)化領(lǐng)域。
2.3.3  LonWorks總線(xiàn)
LonWorks(Local Operating Network)是美國Echelon公司推出的、具有強勁實(shí)力的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，它采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱(chēng)為Neuron神經(jīng)元芯片而得以實(shí)現。它采用ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議及面向對象的設計方法，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )變量把網(wǎng)絡(luò )通信簡(jiǎn)化為參數設置，其通信速率范圍為3Kbps～1.5Mbps，直接通信距離可達2.7km。Lon Works網(wǎng)絡(luò )包括現場(chǎng)控制節點(diǎn)(這些節點(diǎn)可以是直接采用神經(jīng)元芯片作為通信的處理器和測控處理器，也可以是基于神經(jīng)元芯片的HostBase節點(diǎn))、通信介質(zhì)和通信協(xié)議。
Lonworks總線(xiàn)應用廣泛，主要包括樓宇自動(dòng)化、數據采集、SCADA系統、變電站自動(dòng)化系統、家庭自動(dòng)化、保安系統等領(lǐng)域。
2.3.4  CAN總線(xiàn)[4]
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡(luò )。最初是由德國的BOSCH公司為解決1994年6月控制與測試儀器間的數據交換而開(kāi)發(fā)出的一種串行數據總線(xiàn)。已由ISO/TC22技術(shù)委員會(huì )批準為國際標準ISO11898和ISO11519。CAN總線(xiàn)的最大特點(diǎn)是廢除了傳統的站地址編碼，采用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可使網(wǎng)絡(luò )內的節點(diǎn)個(gè)數在理論上不受限制。CAN總線(xiàn)仍遵循ISO/OSI的標準參考模型。分為物理層、數據鏈路層和應用層。通信速率高達1Mbps/40ｍ，直接傳輸距離最遠可達5Kbps/10km，可掛接110個(gè)設備。
CAN總線(xiàn)主要應用于電力、汽車(chē)制造、公共交通車(chē)輛、機器人、液壓系統和分散型I/O，另外，在電梯、醫療器械、工具機床和樓宇自動(dòng)化等場(chǎng)合也有應用。
2.4  現場(chǎng)總線(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)[5]
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)有賴(lài)于以下技術(shù)的發(fā)展：
(1)  ASIC(專(zhuān)用集成電路) 儀表專(zhuān)用的大規模集成電路是現場(chǎng)儀表智能化，系統硬件小型化和軟件化的基礎。
(2)  現場(chǎng)設備智能化 智能化的儀表和閥門(mén)除其原有功能之外，還以軟件的形式實(shí)現了控制、運算、通訊等功能。
(3)  微型計算機技術(shù)
(4)  通訊技術(shù) 有賴(lài)于建立統一的總線(xiàn)和網(wǎng)絡(luò )的通訊標準。
(5)  OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)) OLE和OPC都是微軟公司開(kāi)發(fā)的通用軟件，用于實(shí)現系統間的數據共享，使得客戶(hù)應用程序能夠用一致的方式從現場(chǎng)設備中讀取數據。
3  現場(chǎng)總線(xiàn)在電力系統的具體應用
現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展至今，其應用范圍已涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì )生活的各個(gè)領(lǐng)域，顯示了強大的生命力?？紤]到電力系統環(huán)境特殊，需要一種可靠、實(shí)時(shí)性強、容易操作的測控網(wǎng)，并且應能把上層的管理網(wǎng)和前端的測控網(wǎng)連接起來(lái)。再結合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)和應用場(chǎng)合，主要用于低層設備通信的現場(chǎng)總線(xiàn)在變電站、電廠(chǎng)和配電開(kāi)關(guān)電器中都獲得了很好的應用。這對利用現有設備，進(jìn)一步提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益，都有十分重要的意義。
3.1  基于現場(chǎng)總線(xiàn)的變電站自動(dòng)化系統
變電站自動(dòng)化系統是90年代發(fā)展起來(lái)的多專(zhuān)業(yè)綜合技術(shù)，是電網(wǎng)運行管理中的一次變革[6]，是當代電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。
隨著(zhù)變電站內繼電保護、監測、控制、計量和事故記錄等領(lǐng)域使用基于微處理機的智能電子器件(Intelligent Electronic Device，簡(jiǎn)稱(chēng)IED)越來(lái)越廣泛，傳統的RS485或BITBUS的通信方式已不能滿(mǎn)足提高變電站自動(dòng)化水平的要求?，F場(chǎng)總線(xiàn)以其獨特的優(yōu)勢在變電站自動(dòng)化中進(jìn)行通信聯(lián)系已是必然趨勢。
目前，國內外已有許多廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)出基于CAN和LonWorks總線(xiàn)的變電站自動(dòng)化控制系統，取得了良好的效果。如我國的四方公司在1993年已推出基于LonWorks總線(xiàn)的CSC2000型變電站綜合自動(dòng)化系統，并已在珠海、嘉興和西安等地的220kV及110kV的變電站投入運行。山東工業(yè)大學(xué)與美國 Hathaway公司合作設計的 FJKB-900分散式電力監控保護器就是一個(gè)以L(fǎng)onWorks技術(shù)為基礎的集測量、控制、保護系統為一體的裝置。它作為配電自動(dòng)化系統中的柱上 RTU(遠程終端單元)和變電站自動(dòng)化系統中的前沿控制機，已在美國許多地方的電力公司投入運行，我國山東恒臺電業(yè)局也引入了此裝置。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型變電站控制系統中使用LON總線(xiàn)，更新了原有SPA總線(xiàn)。美國的iIex System Inc公司亦生產(chǎn)采用LonWorks現場(chǎng)總線(xiàn)的變電站自動(dòng)化系統，其集成節點(diǎn)為串口節點(diǎn)，具有豐富的通信規約，可以與不同廠(chǎng)家、不同網(wǎng)絡(luò )的智能電子儀表（IED）相連。也有按實(shí)際情況采用RS485和現場(chǎng)總線(xiàn)等多種通信方式，即對數據量小、實(shí)時(shí)性要求不高的現場(chǎng)設備使用RS485，而對實(shí)時(shí)性要求高的現場(chǎng)設備使用現場(chǎng)總線(xiàn)。例如，南瑞集團開(kāi)發(fā)的 BJ系列變電站綜合自動(dòng)化系統就是采用多種通信方式。
3.2  基于現場(chǎng)總線(xiàn)的智能化配電與控制系統
帶有總線(xiàn)接口的開(kāi)關(guān)電器的出現，使得進(jìn)行智能化配電成為現實(shí)。智能化配電與控制系統就是用現場(chǎng)總線(xiàn)把許多帶有通信接口的開(kāi)關(guān)電器和控制設備與計算機連接起來(lái)，由計算機實(shí)現遙控、遙測、通信的新型配電與控制系統。智能化配電與控制系統一般由主控制器（PLC、PC機等）、通信網(wǎng)絡(luò )、智能化開(kāi)關(guān)電器和控制設備三大部分組成。
現階段成熟的產(chǎn)品有西屋公司的IMPACC (Integrated Monitoring Protection and Controlled Communication)系統[7]。該系統采用Modbus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，可以連接達1000個(gè)匹配設備，通信距離可達2300m（雙絞線(xiàn)），系統擴容簡(jiǎn)便“即插即用”。IMPACC系統擁有多種可通信智能化控制器及儀表，這些匹配儀表都內置有INCOM芯片，該芯片能直接與IMPACC系統總線(xiàn)相連完成雙向通信功能。IMPACC系統通過(guò)現場(chǎng)或遠離現場(chǎng)的中央控制室來(lái)實(shí)現對設備和元件的檢測、保護和控制通信。通過(guò)現有的各種軟件，操作人員可以得到各種監測數據，并根據自己的安全等級對設備進(jìn)行控制。IMPACC系統主要特點(diǎn)有：完善的監測、控制能力；具有故障預警、關(guān)時(shí)報警、維護報警及故障診斷信息；先進(jìn)的電能管理系統等。
另外，ABB公司基于LonWorks總線(xiàn)的INSUM系統也很成熟，使得智能化配電與控制已經(jīng)在電力系統中發(fā)揮很大的作用。
3.3  基于現場(chǎng)總線(xiàn)的供電和電業(yè)管理系統的展望
隨著(zhù)市場(chǎng)競爭的加劇，企業(yè)為提高經(jīng)濟效益，增強競爭力，需要進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的整體優(yōu)化，把生產(chǎn)過(guò)程、企業(yè)管理、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)等各個(gè)環(huán)節組織為一個(gè)系統，從全局角度制定各功能層次的實(shí)施策略，實(shí)現一體化目標下的綜合自動(dòng)化。
以往主要應用在電廠(chǎng)熱控系統及對其他輔助系統和設施的監控中的DCS由于技術(shù)上的原因，使得現場(chǎng)設備監控的實(shí)時(shí)性及現場(chǎng)測控網(wǎng)絡(luò )的數據傳送和管理難以滿(mǎn)足復雜的電業(yè)管理的需要，從而造成大多數電廠(chǎng)的控制系統和生產(chǎn)管理系統分離的局面?，F場(chǎng)控制系統FCS的出現，真正實(shí)現了分布式控制，使控制系統的結構發(fā)生了根本的變化。由于控制功能的下移，一般的控制功能可在智能變送器和智能執行器間完成。復雜的控制功能和連鎖控制功能可通過(guò)插卡上的CPU或現場(chǎng)控制站上的CPU完成。一些原由上位機完成的高級應用軟件也可由FCS來(lái)完成。加上設備級的現場(chǎng)總線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)性和可靠性得以滿(mǎn)足，這就促進(jìn)了企業(yè)管理功能和過(guò)程控制功能的融合，使得一體化目標下的綜合自動(dòng)化成為可能。不久的將來(lái)，企業(yè)網(wǎng)絡(luò )可能將逐步過(guò)渡到完全的 Internet與現場(chǎng)總線(xiàn)的集成化結構，實(shí)現從現場(chǎng)測控到企業(yè)內部信息系統的集成化以及與企業(yè)外部信息連通的集成化。
4  結語(yǔ)
現場(chǎng)總線(xiàn)采用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、微處理等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現現場(chǎng)設備的智能化、通訊數據化，開(kāi)創(chuàng )了自動(dòng)化系統的新紀元。
本文指出在電力系統的各個(gè)方面不僅采用現場(chǎng)總線(xiàn)通訊技術(shù)，關(guān)鍵是用新一代的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統代替傳統的分散控制系統，實(shí)現通訊網(wǎng)絡(luò )與控制系統的集成，并對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在供電和電業(yè)管理系統中的應用進(jìn)行了展望。其最終的形式就是形成一個(gè)全數字化、全分散式、全開(kāi)放、可互操作和開(kāi)放式的新一代電力自動(dòng)化系統。

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