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寧康紅，鄭凌蔚，舒乃秋

1  引言
隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，集計算機(jī)、通信、超大規(guī)模集成電路、儀表和測試、過程控制技術(shù)于一體的現(xiàn)場總線技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展。加之現(xiàn)場總線適應(yīng)了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來更大的實惠和方便。自其出現(xiàn)之日起，就受到廣泛關(guān)注，迅速成為世界范圍內(nèi)控制技術(shù)的熱點，并成為多學(xué)科交叉領(lǐng)域的一個熱門研究課題。
現(xiàn)場總線技術(shù)給儀表和自動化領(lǐng)域帶來了深刻的影響，特別是用數(shù)字信號取代4～20mA的模擬信號和控制功能向現(xiàn)場的下移，使得傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變革。現(xiàn)場總線技術(shù)也為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的分散式、開放式、智能式的自動化系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)提供了新的途徑和方法，也必將在電力系統(tǒng)的各個方面獲得廣泛的應(yīng)用。
2  現(xiàn)場總線的概述
2.1  現(xiàn)場總線的定義
按照國際電工委員會IEC/ SC65C的定義，現(xiàn)場總線是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備/儀表與控制室內(nèi)的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通訊網(wǎng)絡(luò)”[1]。或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)信息互換，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，是計算機(jī)控制與通訊技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是新一代全數(shù)字、全分散和全開放的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。它的本質(zhì)含義表現(xiàn)在以下六個方面：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)、互操作性、分散功能塊、通信線供電和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
2.2  現(xiàn)場總線的特點
簡單地概括現(xiàn)場總線技術(shù)的特點就是信號傳輸全數(shù)字、控制功能全分散、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一全開放、互操作性強(qiáng)、費用低等[2]。具體概述為：
(1)  數(shù)字化的信號傳輸：使用數(shù)字化通信完成對現(xiàn)場設(shè)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)，實現(xiàn)了高速及雙向多點之間的可靠通信。
(2)  功能轉(zhuǎn)移：廉價的智能化現(xiàn)場設(shè)備的普及與基于現(xiàn)場的微處理器及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通訊鏈路的發(fā)展相互促進(jìn)，促使簡單的控制任務(wù)遷移到控制現(xiàn)場，能夠處理PID算法和控制邏輯的現(xiàn)場微處理器接管了大部分簡單的控制任務(wù)。
(3)  方便的互操作性：現(xiàn)場總線技術(shù)強(qiáng)調(diào)“互聯(lián)”和“互操作性”。實現(xiàn)真正的“即接即用”，即所謂互操作性。這樣，用戶也能自由地集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，從而極大的方便了用戶。
(4)  開放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)：現(xiàn)場總線為開放式互連網(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)互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣。
(5)  多種傳輸媒介和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：現(xiàn)場總線技術(shù)由于采用數(shù)字通信方式，因此可采用多種傳輸介質(zhì)進(jìn)行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便。
(6)  簡化結(jié)構(gòu)降低費用：現(xiàn)場總線技術(shù)由于采用智能儀表和總線傳輸方式，可以減少大量的隔離器，端子框及電纜等，從而降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，節(jié)省施工費用。
2.3  現(xiàn)場總線的種類
由于現(xiàn)場總線的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，所以各種總線技術(shù)風(fēng)起云涌，各具特色。盡管IEC經(jīng)過長達(dá)15年的努力，推出了由IEC61158TS(H1)、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE(H2)、SwiftNet、WorldFIP和Interbus八個部分組成的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，但離一個標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)有很大差距，并沒有真正解決統(tǒng)一成單一現(xiàn)場總線的問題。與此同時，出于生產(chǎn)和商業(yè)的需要，諸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些實力雄厚的總線產(chǎn)品也獲得了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)主要介紹一下在電力系統(tǒng)中用的較多的幾種總線技術(shù)。
2.3.1  基金會現(xiàn)場總線(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。FF以ISO/OSI參考模型為基礎(chǔ)，取其物理層、鏈路層、和應(yīng)用層為FF通信模型的相應(yīng)層次，并在此基礎(chǔ)上增加了用戶層。FF分為低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線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總線具有一定的權(quán)威性、廣泛性和公正性，因而在電力實驗系統(tǒng)、化工、廢水處理、油田等過程自動化領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。
2.3.2  PROFIBUS總線
PROFIBUS( Process Field Bus)即過程現(xiàn)場總線技術(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(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS組成PROFIBUS系列。DP用于設(shè)備級控制系統(tǒng)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用于過程自動化，并有本質(zhì)安全區(qū)域，傳輸速率為31.25Kbps；FMS用于生產(chǎn)車間級的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)交換。
PROFIBUS總線技術(shù)應(yīng)用于電力、制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通等自動化領(lǐng)域。
2.3.3  LonWorks總線
LonWorks(Local Operating Network)是美國Echelon公司推出的、具有強(qiáng)勁實力的現(xiàn)場總線技術(shù)，它采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱為Neuron神經(jīng)元芯片而得以實現(xiàn)。它采用ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議及面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，通過網(wǎng)絡(luò)變量把網(wǎng)絡(luò)通信簡化為參數(shù)設(shè)置，其通信速率范圍為3Kbps～1.5Mbps，直接通信距離可達(dá)2.7km。Lon Works網(wǎng)絡(luò)包括現(xiàn)場控制節(jié)點(這些節(jié)點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(jié)點)、通信介質(zhì)和通信協(xié)議。
Lonworks總線應(yīng)用廣泛，主要包括樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、家庭自動化、保安系統(tǒng)等領(lǐng)域。
2.3.4  CAN總線[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(shù)據(jù)交換而開發(fā)出的一種串行數(shù)據(jù)總線。已由ISO/TC22技術(shù)委員會批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO11898和ISO11519。CAN總線的最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制。CAN總線仍遵循ISO/OSI的標(biāo)準(zhǔn)參考模型。分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。通信速率高達(dá)1Mbps/40ｍ，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)5Kbps/10km，可掛接110個設(shè)備。
CAN總線主要應(yīng)用于電力、汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)和分散型I/O，另外，在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床和樓宇自動化等場合也有應(yīng)用。
2.4  現(xiàn)場總線的關(guān)鍵技術(shù)[5]
現(xiàn)場總線技術(shù)有賴于以下技術(shù)的發(fā)展：
(1)  ASIC(專用集成電路) 儀表專用的大規(guī)模集成電路是現(xiàn)場儀表智能化，系統(tǒng)硬件小型化和軟件化的基礎(chǔ)。
(2)  現(xiàn)場設(shè)備智能化 智能化的儀表和閥門除其原有功能之外，還以軟件的形式實現(xiàn)了控制、運算、通訊等功能。
(3)  微型計算機(jī)技術(shù)
(4)  通訊技術(shù) 有賴于建立統(tǒng)一的總線和網(wǎng)絡(luò)的通訊標(biāo)準(zhǔn)。
(5)  OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對象鏈接嵌入技術(shù)) OLE和OPC都是微軟公司開發(fā)的通用軟件，用于實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，使得客戶應(yīng)用程序能夠用一致的方式從現(xiàn)場設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。
3  現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的具體應(yīng)用
現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展至今，其應(yīng)用范圍已涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個領(lǐng)域，顯示了強(qiáng)大的生命力。考慮到電力系統(tǒng)環(huán)境特殊，需要一種可靠、實時性強(qiáng)、容易操作的測控網(wǎng)，并且應(yīng)能把上層的管理網(wǎng)和前端的測控網(wǎng)連接起來。再結(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)的特點和應(yīng)用場合，主要用于低層設(shè)備通信的現(xiàn)場總線在變電站、電廠和配電開關(guān)電器中都獲得了很好的應(yīng)用。這對利用現(xiàn)有設(shè)備，進(jìn)一步提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，都有十分重要的意義。
3.1  基于現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)
變電站自動化系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的多專業(yè)綜合技術(shù)，是電網(wǎng)運行管理中的一次變革[6]，是當(dāng)代電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。
隨著變電站內(nèi)繼電保護(hù)、監(jiān)測、控制、計量和事故記錄等領(lǐng)域使用基于微處理機(jī)的智能電子器件(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)越來越廣泛，傳統(tǒng)的RS485或BITBUS的通信方式已不能滿足提高變電站自動化水平的要求。現(xiàn)場總線以其獨特的優(yōu)勢在變電站自動化中進(jìn)行通信聯(lián)系已是必然趨勢。
目前，國內(nèi)外已有許多廠家開發(fā)出基于CAN和LonWorks總線的變電站自動化控制系統(tǒng)，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總線的CSC2000型變電站綜合自動化系統(tǒng)，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(shè)計的 FJKB-900分散式電力監(jiān)控保護(hù)器就是一個以LonWorks技術(shù)為基礎(chǔ)的集測量、控制、保護(hù)系統(tǒng)為一體的裝置。它作為配電自動化系統(tǒng)中的柱上 RTU(遠(yuǎn)程終端單元)和變電站自動化系統(tǒng)中的前沿控制機(jī)，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(tǒng)中使用LON總線，更新了原有SPA總線。美國的iIex System Inc公司亦生產(chǎn)采用LonWorks現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)，其集成節(jié)點為串口節(jié)點，具有豐富的通信規(guī)約，可以與不同廠家、不同網(wǎng)絡(luò)的智能電子儀表（IED）相連。也有按實際情況采用RS485和現(xiàn)場總線等多種通信方式，即對數(shù)據(jù)量小、實時性要求不高的現(xiàn)場設(shè)備使用RS485，而對實時性要求高的現(xiàn)場設(shè)備使用現(xiàn)場總線。例如，南瑞集團(tuán)開發(fā)的 BJ系列變電站綜合自動化系統(tǒng)就是采用多種通信方式。
3.2  基于現(xiàn)場總線的智能化配電與控制系統(tǒng)
帶有總線接口的開關(guān)電器的出現(xiàn)，使得進(jìn)行智能化配電成為現(xiàn)實。智能化配電與控制系統(tǒng)就是用現(xiàn)場總線把許多帶有通信接口的開關(guān)電器和控制設(shè)備與計算機(jī)連接起來，由計算機(jī)實現(xiàn)遙控、遙測、通信的新型配電與控制系統(tǒng)。智能化配電與控制系統(tǒng)一般由主控制器（PLC、PC機(jī)等）、通信網(wǎng)絡(luò)、智能化開關(guān)電器和控制設(shè)備三大部分組成。
現(xiàn)階段成熟的產(chǎn)品有西屋公司的IMPACC (Integrated Monitoring Protection and Controlled Communication)系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)采用Modbus現(xiàn)場總線技術(shù)，可以連接達(dá)1000個匹配設(shè)備，通信距離可達(dá)2300m（雙絞線），系統(tǒng)擴(kuò)容簡便“即插即用”。IMPACC系統(tǒng)擁有多種可通信智能化控制器及儀表，這些匹配儀表都內(nèi)置有INCOM芯片，該芯片能直接與IMPACC系統(tǒng)總線相連完成雙向通信功能。IMPACC系統(tǒng)通過現(xiàn)場或遠(yuǎn)離現(xiàn)場的中央控制室來實現(xiàn)對設(shè)備和元件的檢測、保護(hù)和控制通信。通過現(xiàn)有的各種軟件，操作人員可以得到各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)自己的安全等級對設(shè)備進(jìn)行控制。IMPACC系統(tǒng)主要特點有：完善的監(jiān)測、控制能力；具有故障預(yù)警、關(guān)時報警、維護(hù)報警及故障診斷信息；先進(jìn)的電能管理系統(tǒng)等。
另外，ABB公司基于LonWorks總線的INSUM系統(tǒng)也很成熟，使得智能化配電與控制已經(jīng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮很大的作用。
3.3  基于現(xiàn)場總線的供電和電業(yè)管理系統(tǒng)的展望
隨著市場競爭的加劇，企業(yè)為提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)競爭力，需要進(jìn)行生產(chǎn)經(jīng)營的整體優(yōu)化，把生產(chǎn)過程、企業(yè)管理、市場營銷等各個環(huán)節(jié)組織為一個系統(tǒng)，從全局角度制定各功能層次的實施策略，實現(xiàn)一體化目標(biāo)下的綜合自動化。
以往主要應(yīng)用在電廠熱控系統(tǒng)及對其他輔助系統(tǒng)和設(shè)施的監(jiān)控中的DCS由于技術(shù)上的原因，使得現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控的實時性及現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送和管理難以滿足復(fù)雜的電業(yè)管理的需要，從而造成大多數(shù)電廠的控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)分離的局面。現(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了分布式控制，使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(zhí)行器間完成。復(fù)雜的控制功能和連鎖控制功能可通過插卡上的CPU或現(xiàn)場控制站上的CPU完成。一些原由上位機(jī)完成的高級應(yīng)用軟件也可由FCS來完成。加上設(shè)備級的現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡(luò)的實時性和可靠性得以滿足，這就促進(jìn)了企業(yè)管理功能和過程控制功能的融合，使得一體化目標(biāo)下的綜合自動化成為可能。不久的將來，企業(yè)網(wǎng)絡(luò)可能將逐步過渡到完全的 Internet與現(xiàn)場總線的集成化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)從現(xiàn)場測控到企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)的集成化以及與企業(yè)外部信息連通的集成化。
4  結(jié)語
現(xiàn)場總線采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微處理等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的智能化、通訊數(shù)據(jù)化，開創(chuàng)了自動化系統(tǒng)的新紀(jì)元。
本文指出在電力系統(tǒng)的各個方面不僅采用現(xiàn)場總線通訊技術(shù)，關(guān)鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成，并對現(xiàn)場總線技術(shù)在供電和電業(yè)管理系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望。其最終的形式就是形成一個全數(shù)字化、全分散式、全開放、可互操作和開放式的新一代電力自動化系統(tǒng)。

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