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现场总线技术在电力自动化中的应用

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作者:时间:2006-05-13来源:
电力系统历来是自动化程度最高的生产部门,基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统 ,在未来定将成为我国电力系统自动化的主导设备。


1、概述

  现场总线(Fieldbus)是当前自动化领域的热门话题,被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技术的飞速发展,引起了自动化系统结构的变革,随着工业电网的日益复杂,人们对电网的安全要求也越来越高,现场总线控制技术作为一门新兴的控制技术必将取代过去的控制方式而应用在电力自动化中。

2、现场总线

  现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的,用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数字通信的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。

  现场总线系统FCS称为第五代控制系统,人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代,把4~20mA等电动模拟信号控制系统称为第二代,把数字计算机集中式控制系统称为第三代,而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统,一方面,突破了DSC系统采用通信专用网络的局限,采用了基于公开化、标准化的解决方案,克服了封闭系统所造成的缺陷;另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构,变成了新型全分布式结构,把控制功能彻底下放到现场。可以说,开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。

2.1 特点

  现场总线技术是计算机,网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合产物,因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。现场总线的控制系统在精度、可靠性、经济性等许多方面都要比传统的控制系统要优越得多,其主要特点如下。

A 系统的开放性。

  传统的控制系统是个自我封闭的系统,一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在FCS中, 工作站同时靠挂于现场总线和局域网两层网络,通过后者可以与其它计算机系 统或网络进行高速信息交换,以实现资源共享。另外,现场总线的技术标准是对所有制造商和用户公开的,没有专利许可要求,实行技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。

B 可操作性与互用性

  不同厂家生产的DCS产品不能互换,要想更新技术和设备,只能全部更换。FCS可实现互连设备间、系统间的信息传送与沟通,可实行点对点,一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。

C 现场设备的智能化与功能自治性

  传统的DCS至少要有操作站、控制站和现场设备三层结构,它的信号传递是模拟信号的单向传递,信号在传递过程中产生的误差较大,另外系统难以迅速判断故障而带故障运行。在FCS中采用双向数字通讯,它将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成,仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能,并可随时诊断设备的运行状态。

D 系统结构的高度分散性

  由于FCS现场设备本身已可完成自动控制的基本功能,使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系,简化了系统结构,提高了可靠性。

E 对现场环境的适应性

  现场总线作为工厂底层网络工作在现场设备前端, 是专为在现场环境工作而设计的,它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、射频、红外线、电力线等,具有较强的抗干扰能力,能采用两线制实现送电与通信,并可满足本质安全防爆要求等。

2.2 LonWorks现场总线简介

  LonWorks是一具有强劲实力的现场总线技术,它是由美国Echelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导,于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO/OSI模型的全部七层通讯协议,采用了面向对象的设计方法,这是以往的现场总线所不支持的,具体就是通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置,其通讯速率从300bps至1.5Mbps不等,直接通信距离可达到2700m(78kbps,双绞线),支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质,并开发相应的本安防爆产品,被誉为通用控制网络。

  LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为神经元(Neuron)的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位CPU;一个用于完成开放互连模型中第1~2层的功能,称为媒体访问控制处理器,实现介质访问的控制与处理;第二个用于完成第3~6层的功能,称为网络处理器,进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管理,并负责网络通信控制、收发数据包等;第三个是应用处理器,执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲区,以实现CPU之间的信息传递,并作为网络缓冲区和应用缓冲区。

  LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片,开发自己的应用产品,据称目前已有2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术:1000多家公司已经推出了LonWorks产品。它被广泛应用在楼宇自动化、家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互操作,该公司正在开发各种网关,以便将LonWorks与以太网、FF、Profibus等互连为系统。

  另外,在开发智能通信接口、智能传感器方面,LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。

  LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。美国消费电子制造商协会也已通过决议,以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。

  这样,LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构,吸引了数万家企业参与到这项工作中来,这对于一种技术的推广、应用有很大的促进作用。

3、现场总线在电力自动化中的应用

  近年来随着我集团公司生产规模的扩大发展,35KV级输电网已成为主要的输配电网架,各级35KV变电站也成为各矿井生产供配电的枢纽环节。由于35KV变电站的建设跨年代较长,自动化装备已远远不能满足技术管理的需求,装备落后,信息通道不完整,将严重地影响到电力网的安全运行和对突发事件的快速反应与决策。且我集团公司新增矿井为高瓦斯矿井,对电网的安全有更高的要求。为了电网的安全与经济运行,我公司决定对电力自动化进行一次性改造,其中35KV变电站的间隔层通讯网络全部采用现场总线技术。

  四方华能电网控制系统有限公司的CSC2000综合变电站自动化系统是国内率先采用LonWorks现场总线的系统。四方公司在国际上率先将LonWorks现场总线技术应用于变电站综合自动化系统,并将基于微处理器的间隔层设备直接并入LonWorks现场总线,以其高可靠的性能和大容量高速度的通信能力,大大提高了通信系统的信息吞吐和数据处理能力,从而解决了应用低速串口通信采样数据时经常产生的瓶颈现象。LonWorks现场总线网络具有很强的抗干扰、抗震动性,适用于较大的温度范围,适合于变电站较恶劣的工业环境。其传输速率已远远满足变电站综合自动化系统对信息传输速度的要求。

  站内网络通讯采用以太网与LonWorks现场总线相结合的形式,如图1所示站控层采用以太网,间隔层采用LonWorks现场总线,信息通过间隔层的测控单元上传到主干网上。这种方案实际上将嵌入式以太网与LonWorks现场总线技术相结合,可发挥各自的优势。




  1、后台机 2、工程师站 3、远动机 4、测控单元 5、测控装置 6.1、10M以太监控网 6.2、10M以太监控网 6.3、10M以太录波网

  该系统中测控单元是核心与关键所在,它的原理如图2所示,CPU选用了32位单片机,CPU部分采用了嵌入式软件设计,利用实时多任务操作系统及TCP/IP模块,完成以太网的通讯与测控任务,其中Neuron芯片作为CPU的通讯处理器完成LonWorks络的通讯任务,利用它就可与保护装置通讯。测控单元以LonWorks网与四方公司制造的保护装置相连,可用RS485、RS232与其他厂家制造的保护装置相连。




  采用现场总线方式后与传统的DCS系统相比有以下明显的好处:

A 节省硬件数量与投资。由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能,因而可减少变送器的数量,不再需要单独的控制器、计算单元等,也不再需要DCS系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线,还可以用工控PC机作为操作站,从而节省了一大笔硬件投资,由于控制设备的减少,还可减少控制室的占地面积。
  B 节省安装费用。现场总线系统的接线十分简单,由于一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备,因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,既节省了投资,也减少了设计、安装的工作量。据有关典型试验工程的测算资料,可节约安装费用60%以上。
  C 节省维护开销。由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力,并通过数字通讯将相关的诊断维护信息送往控制室,用户可以查询所有设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除。缩短了维护停工时间,同时由于系统结构简化,连线简单而减少了维护工作量。
  D 用户具有高度的系统集成主动权。用户可以自由选择不同厂商所提供的设备来集成系统。避免因选择了某一品牌的产品被“框死”了设备的选择范围,不会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展,使系统集成过程中的主动权完全掌握在用户手中。
  E 提高了系统的准确性与可靠性。由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的准确度,减少了传送误差。同时,由于系统的结构简化,设备与连线减少,现场仪表内部功能加强:减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。

4 结束语

  在变电站中采用现场总线后可实现真正的分层、分布式结构,这种完全分层分布式系统,进一步提高了整个系统的可靠性,使系统具有很大的灵活性和可扩展性,符合国际上变电站综合自动化系统的发展趋势。

  现场总线在电厂、变电站和电力系统中有非常广阔的应用前景 ,特别是在新建项目中能在可靠性、高精度、经济性等诸多方面获得最大的效益。电力系统历来是自动化程度最高的生产部门 ,在国内外现场总线厂家和设计研究部门的共同努力下 ,基于现场总线的控制系统必将分系统、分阶段地逐步取代现有的分散式控制系统 ,在未来定将成为我国电力系统自动化的主导设备。



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