水电厂数字化设备的通信运行状况及特性分析.doc

水电厂数字化设备的通信运行状况及特性分析目录：综述第一章 现地层数字化设备互联通信第一节 现地层互联设备介绍1 PLC介绍1.1 PLC定义1.2 PLC的特点1.3 PLC的构成1.4 PLC的通信联网2 水电厂常用智能通讯管理装置介绍2.1 SJ-30智能通讯管理装置2.2 MB80 CPM418智能通讯管理装置2.2 BM85智能通讯管理装置3 智能通讯管理装置与PLC的连接方式3.1 串口方式3.2 总线方式4 现场智能设备介绍第二节 现地层设备互联接口介绍1 现地层智能设备互联常用通讯接口介绍1.1 串口（RS232/RS422/RS485）1.2 MB+网络1.3 现场总线1.4 以太网2 现地层智能设备互联常用标准通讯协议介绍2.1 MODBUS规约2.2 DL/645-1997规约2.3 IEC-103规约2.4 IEC-102规约2.5 CDT规约3 水电厂现地层控制系统常用PLC通讯接口介绍3.1 RockwellAB3.2 GE3.3 西门子3.4 施耐德（莫迪康）3.5 三菱第三节 现地层智能设备互联现状分析1 监控系统LCU内部设备的互联1.1 现地控制单元PLC介绍及其主CPU模件与其它模件的互联1.2 与交流采样装置的互联1.3 与智能电度表的互联1.4 与测温装置的互联1.5 与触摸屏的互联2 监控系统LCU与厂内其它二次设备的互联2.1 与调速器系统的互联2.2 与励磁系统的互联2.3 与保护系统的互联2.4 与直流系统通讯2.5 与辅机系统2.6 与闸门系统3 监控系统LCU之间的互联第四节 现地层智能设备互联发展趋势现场总线的介绍1 现场总线介绍2 现场总线的技术特点 3 典型现场总线简介3.1 基金会现场总线 3.2 LonWorks 3.3 Profibus3.4 CAN3.5 HART3.6 RS-485第二章 厂站层数字化第一节 上位机与现地控制单元（LCU）之间的互联1 上位机直接与LCU的PLC网络模块进行互联 上位机与具有自主知识产权的MB80、MB60、MB40系列PLC模件互联； 上位机与GE9070系列的PLC模件互联； 上位机与施耐德的QUANTUM系列的PLC模件互联； 上位机与西门子S7-400、S7-300系列PLC模件互联； 上位机与UNITY系列 PLC模件互联；2 上位机通过串口与LCU的PLC互联上位机与具有自主知识产权的MB40、MB20系列PLC模件互联；上位机与GE9030的PLC模件互联；上位机与施耐德的COMPACT系列的PLC模件互联；上位机与西门子S7-300、S7-200系列PLC模件互联3上位机通过串口与LCU内其它设备互联上位机与智能交流采样装置互联；上位机与智能电度表的互联；上位机与智能测温装置互联；第二节 不同功能的上位机之间的互联 1 典型的监控系统的网络结构；2 监控系统上位机内部互联的协议；3 典型的监控系统的软件框架；第三节 水电厂监控系统与厂内其它自动化系统的互联与MIS 与水情自动化与办公自动化与工业电视系统与电站能量计费系统与电站五防系统与状态监测及故障诊断系统与电站模拟屏与电站保护管理系统与安全稳定控制系统与培训仿真系统第四节 监控系统与调度自动化系统之间的互联第三章 监控系统与集控中心系统的互联通信第一节 设计目标第二节 设计原则第三节 通道类型第四节 互联结构分类1 不设站级计算机，各LCU直接受控于集控中心计算机监控系统的扩大厂站模式1.1 工程概况1.2 硬件配置1.3 系统结构及特点1.4. 系统接口1.5 集控中心功能设计1.6 集控中心与梯级电站通讯方案2 设立站级计算机，各LCU直接受控于集控中心计算机监控系统的模式2.1 工程概况2.2 硬件配置2.3 系统结构及特点2.4. 系统接口2.5 集控中心功能设计2.6 集控中心与梯级电站通讯方案3 集控中心监控系统与梯级电站监控系统站级计算机通信模式3.1 工程概况3.2 硬件配置3.3 系统结构及特点3.4. 系统接口3.5 集控中心功能设计3.6 集控中心与梯级电站通讯方案第五节 集控中心计算机监控系统对外部通信接口正文：综述在水电厂内，按照公认的水电厂分层控制模型，水电厂的设备可分为四层，四层结构分别为：。驱动层：为水电厂的分层控制中的最低层，与生产设备直接连接，用于监视和控制机组的各种驱动，如油泵、水泵、阀、断路器等；。功能组控制层：第二层，用于实现某一特定的功能的、一种自治性的自动控制子系统，例如调速器、励磁调节器、同步并列、油压装置、水轮机压气排水等。机组控制层（或过程控制层）：第三层，包括机组各种运行工况的转换、功率调整、数据采集和处理、运行参数的监测和报警、与上一层的信息交换等。电厂控制层：水电厂控制系统中的最高层，用于控制整个水电厂的运行。主要任务是协调控制水电厂中各机组的发电，通过机组控制层实现运行工况转换、功率调整等操作；与上一级部门通信，上送电站的信息，接受下达的控制命令；与其他专系统的系统交换信息，例如水情测报系统、水工建筑物监测系统等。 随着微处理器技术的发展和应用的普及，水电厂的各个层次都已大量使用基于微处理器的数字化设备来代替常规的、基于继电器逻辑回路的控制设备，并取得了非常好的效果。大到电站的计算机监控系统、机组辅助及公用控制系统、励磁调节器、调速器、继电保护装置、故障录波装置，小到同期装置、电动机保护/驱动装置、消谐装置等，甚至是小小的传感器、电表，都集成的有微处理器！数字化设备的广泛使用，带来的优点是显而易见的，例如大幅度提高设备的可靠性和可扩展性，标准化生产，缩短设计、制造、调试、维护时间，降低使用成本和维护成本等。数字化设备大量被采用并获得广泛认可的同时，用户的期望也逐渐提高，新的需求产生了即信息集成。由于各种数字化设备关心电力对象的不同方面、对电力对象有自己专门的建模方法，相互之间通信接口的不统一、数据交换难度大，使得各个应用系统在信息上成为相对孤立的“信息孤岛”，不易与其他功能设备交换数据或在企业范围内实现有效集成。在电厂拥有者对现代化管理的认知、无人值班（少人值守）运行管理模式的逐步推广、大型及特大型电站开工建设、流域梯级电站逐步试行集中远控等新形式下，如何合理地划分水电厂计算机监控系统的层次结构，如何安全、有序、合理地实现电站内部及梯级集控中心间多个系统的互联通信、数据共享、信息整合，以实现水电厂的信息化，已成为提高电站的运行、管理水平亟待解决的问题之一。 对于水电厂数字化设备的通信和信息共享，目前国内暂无完整的、统一的规范和实施建议。部分系统内部及与相关外部系统之间，尽管也存在一些主流的通信规约，例如电站计算机监控系统对远程控制中心、上级调度单位的计算机监控系统之间通信采用的IEC 60870-5-101、IEC 60870-5-104、TASE-II、DL476等规约，计算机监控系统对调速器系统、励磁系统、机组辅助设备、电站公用设备、首部启闭机设备等控制系统采用的ModBus、ModBus Plus、ProfiBus、Control Net、CAN等，但是规约繁多，相同的标准在定义上也存在一定的差异，甚至大量的国内公司自行定义自己的通信接口规约，以至于在每个具体的工程均需花费大量的时间和费用来。由于微处理器和通信领域的技术发展和广泛应用，常规的基于继电器的机组顺控回路已完全被基于微处理器的PLC/LCU所取代，整个过程控制层和电厂控制层由功能越来越强大的计算机监控系统统一协调实施。在整个水电厂中，数字化设备之间的互联主要是计算机监控系统和水电厂内其它数字化设备之间的互联，除此之外，各数字化设备之间基本无此要求。在整个水电厂数字化设备互联技术中，计算机监控系统是有其核心地位的。在国内的水电厂计算机监控系统领域，南京南瑞自动控制有限公司有着绝对领先的优势，我公司目前为国内？个水电厂提供了水电厂计算机监控系统，为？梯级水电站提供计算机监控系统，共有？出口到世界各地。监控系统与其它数字化设备的互联过程中涉及这些内容：监控系统内部各层的通信规约，监控系统现地控制单元LCU对外部单功能装置的通信状况（例如励磁调节器、调速器、继电保护装置、辅机及公用设备控制系统、启闭机控制设备、直流系统、振动摆度装置、交流采样装置、温度巡检装置、），监控系统上位机对外部系统的通信状况（例如电站能量计费系统、继电保护及故障录波信息管理系统、工业电视系统、消防监控系统、微机五防系统、MIS系统、水情测报/调度系统等）；另一方面，互联的通信规约包括Cdt, DL645,Modbus,CAN,IEC60870-5-103, IEC60870-5-101, IEC60870-5-104,通常规约所采用的接口形式也各不相同。近几年我公司生产的计算机监控系统中，绝大多数系统的通信都是与机组并网同步投运的，例如水电厂与上级部门之间的通信、LCU对外部单功能装置的通信、上位机与部分外部系统的通信（例如继电保护及故障录波信息管理系统）；有一些通信，主要是上位机与外部系统的通信，是在电厂投产后随着电厂的各个管理系统的建设逐步投入使用的。应该说，水电厂计算机监控系统的外部通信功能越来越完善，性能也越来越稳定，采用的通信规约也越来越标准，为创建数字化水电厂打下了良好的基础。第一章 现地层数字化设备互联通信早期水电厂计算机监控系统现地层LCU由于PLC不具备以太网接口，所以一般采用PLC+工控机的结构模式。PLC只负责数据采集和简单处理，而工控机作为LCU的核心设备，负责与PLC、LCU内部智能设备以及厂内其它二次数字化设备进行串口通讯，采集相关数据，然后通过以太网与上位机系统互联，同时工控机还兼作现地人机界面的接口设备。后来随着PLC模件品种的丰富，以及其数据处理能力和接口功能越来越强大。目前现地层LCU采用PLC+触摸屏+智能通讯管理装置的结构模式。此模式是以PLC为核心进行数据采集、处理、直接以太网上送，触摸屏作为现地数据显示、操作的设备。常用的智能通讯管理装置，如南瑞公司的SJ-30、施耐德的BM85等都属于智能可编程通讯管理装置，用于连接现地层的数字化设备。第一节 现地层互联设备介绍近年来，随着自动化系统的兴起，可编程控制器(PLC)和现场总线在工业控制中得到了广泛的应用。在自动化系统中，一般利用PLC的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，将其作为下位机完成实时采集和控制任务；利用现场总线系统的开放性、互用性以及系统结构的高度分散性来构筑自动化领域的开放互连系统，控制系统中的主从站结构是经常用到的通讯方式。下面对现地层互联设备分别进行介绍。1 PLC介绍1.1 PLC定义可编程控制器，简称PLC（Programmable logic Controller）,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在1987年国际电工委员会（International Electrical Committee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。”1.2 PLC的特点PLC具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全，功能完善，适用性强；易学易用，深受工程技术人员欢迎；系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造；体积小，重量轻，能耗低等特点。目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。用于开关量的逻辑控制、模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网。1.3 PLC的构成从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。1.4 PLC的通信联网依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此，网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著，甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。PLC具有通信联网的功能，它使PLC与PLC 之间、PLC与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。多数PLC具有RS-232接口，还有一些内置有支持各自通信协议的接口。PLC的通信现在主要采用通过多点接口（MPI）的数据通讯、PROFIBUS 或工业以太网进行联网。2 水电厂常用智能通讯管理装置介绍2.1 SJ-30智能通讯管理装置SJ-30 通讯管理装置是由南瑞自控公司自主研发生产的，目前广泛用于电力系统，特别是水电厂自动化控制。SJ-30采用高度集成的工业级PC/104 嵌入式控制PC 为核心部件，并具有8 个独立的标准串行接口、一个CAN 现场总线接口和一个以太网接口，主要用于完成现地智能控制设备（LCU）和多个现地功能子设备之间的数据通讯功能，并能灵活应用于计算机监控系统中的其它数据通讯环节，可以实现RS232/CAN/Ethernet 异网间通讯连接，有效满足计算机监控系统中的不同需求。SJ-30 通讯管理装置主要是作为现地控制单元（LCU）的通讯扩展模件，实现LCU 和多个现地通讯设备联系的专用装置。该装置每个串行通讯口（COMX）均支持用户独立编程，实现“客户化”定制。该装置各个通讯口通过内置精小的数据库共享数据，任一个通讯口（COMX 串行口 / CAN 现场总线接口 / ETH 以太网接口）均能担当联入上级系统或与下级设备通讯的功能，可以方便的进行组合，这给工程实际应用带来了极大的灵活性。一般情况下，RS232 串行接口用于联接PLC 设备和挂接现地通讯子设备，CAN 接口用于联接南瑞公司SJ-600 系列智能装置，以太网接口用于联接上位机工作站，各种标准方式均能满足数据快速可靠通讯的要求。SJ-30 通讯管理装置的网络接口同时也是组态调试接口，下载组态配置、调试通讯程序需通过以太网络连接进行。2.2 MB80 CPM418智能通讯管理装置串口通讯模块MB80 CPM 418 用于MB80 PLC 和现地其它智能设备的通讯，很好地解决了传统现地控制装置通讯功能弱的问题。其主要特点有：独立完成串口通讯任务，与CPU 仅完成数据交换，不占用CPU 资源；与CPU 模块的数据交换单独使用一路CAN 网，与I/O 模块的CAN 网分离，减轻CAN 网通讯的负担；具有Watchdog 功能，故障情况下能够自动复位并重新启动；硬件无需设置，启动后CPU 模块自动对其加载程序。可自由配置串口通讯模件。每个串口通讯模件提供8个串口，每个串口均支持RS-232/RS-485接口标准，并且全部支持可编程方式。2.2 BM85智能通讯管理装置BM85有可编程模式和不可编程模式两种，考虑到现场设备协议的不标准性，一般监控系统选用了可编程模式，型号为：BM85S485。BM85有两个MB+ 通道（A和B通道），4个RS485口。BM85通过MB+ 通道和网络上的PLC及上位机通讯，通过RS485口和RS485设备通讯。现场RS485设备采用Modbus协议与BM85进行通信，BM85处理Modbus与MB+协议之间的转换，BM85与PLC采用MB+协议进行通信，通过协议转换从而使RS485设备、BM85和PLC三者之间进行数据传送。3 智能通讯管理装置与PLC的连接方式3.1 串口方式串口连接方式如图1-1，智能通讯管理装置作为主站，PLC 设备作为从站，采用MODBUS（RTU）或其它标准通讯规约，通过RS232 串行通道联接PLC 设备。在双PLC（双机）的情况下，可任选两个RS232 串行通道分别与主、从两个PLC 通讯。 图1-13.2 总线方式智能通讯管理装置还可以通过总线方式与PLC 主CPU模件进行数据交换（如图1-2）。如MB80系列的CPM模件通过背板单独的一路CAN总线与CPU模件通讯，施耐德BM85装置通过MB+网络与CPU互联，这种方式不占用智能通讯管理装置的串口，节省资源且通讯速度快、实时性好。 图1-24 现场智能设备介绍现地层数字化设备的特点是以智能设备（如PLC、工业控制器等）为核心，对外提供了通讯接口或总线接口，能通过通讯的方式与外部设备进行数据交换。监控系统PLC就是数字化设备，LCU内的智能仪表如交流采样装置、电度表、温度巡检装置等都是数字化设备,其它系统如调速器系统、励磁系统、保护系统也都以数字化设备为核心。第二节 现地层设备互联接口介绍下面介绍现地层设备互联常用的通讯接口和通讯协议，以及水电厂现地层自动控制系统常用PLC的种类、通讯方式等。1 现地层智能设备互联常用通讯接口介绍1.1 串口（RS232/RS422/RS485）所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通行的端口，这些参数必须匹配：a， 波特率：这是一个衡量通信速度的参数。它表示每秒钟传送的bit的个数。例如300波特表示每秒钟发送300个bit。b， 数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据不会是8位的，标准的值是5、7和8位。c， 停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。d， 奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。串口通讯协议RS-232是串行数据接口标准，最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的，RS-232在1962年发布，命名为EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产品之间的兼容。RS-422由RS-232发展而来，它是为弥补RS-232之不足而提出的。为改进RS-232通信距离短、速率低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mb/s，传输距离延长到4000英尺（速率低于100kb/s时），并允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为TIA/EIA-422-A标准。为扩展应用范围，EIA又于1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。由于EIA提出的建议标准都是以“RS”作为前缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以RS作前缀称谓。在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。 RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。1.2 MB+网络MB+网是MODICON公司为其PLC系列产品开发的通讯网络，它是一种协议体系结构。MB+网是一种工业局域网，遵循IEEE8024局域网标准。在链路层，MB+网采用IEEE802.2逻辑链路控制协议和IEEE802.4令牌总线媒体访问控制协议。在会话层、描述层，MB+网采用NetBIOS网络编程接口。NetBIOS实际上介于会话层和描述层之间。MB+网是Mod bus Plus网络的简称，它是一个本地网络，允许主计算机、可编程控制器和其他数据源以对等方式进行通信，适用于工业控制领域。MB网具有高速、对等通信结构简单、安装费用低等特点；其通信速度为1MBps，通信介质为双绞线。MB+网的典型应用主要包括网络控制、数据采集、信号监测、程序上装/下传、远程测试编程等。标准MB网最多可支持32个对等节点，通信距离为457.2m(1500英尺)。一个MB网可以分成一个或多个段，段与段之间用RR85中继器连接。一个MB+网最多可以使用3个RR85，使网络最大扩展到64个节点1828.8m 6000英尺通信距离。当应用中需要访问多于64个节点或通信距离大于1828.8m时，使用BP85网桥将多个MB+网络连接在一起。MB+网上的节点均为对等逻辑关系，通过获得令牌来传递网络信息。网络中的每一个节点均分配有一个惟一的地址，一个节点拥有令牌就可以与所选的目标进行信息传递，或与网络上所有节点交换信息。MB+网的网络介质是一根屏蔽双绞线，将各节点链式联接到MB网上。与电缆连接的专用插头可插进每个节点的9针Mod bus Plus口上，在一个网络的两端节点，使用专用的终端插头，在其余中间节点使用专用的在线插头。MB+网的构成部件主要包括可编程控制器（PLC）、RR85中继器、BP85网桥、BM85网桥多路器等。可编程控制器（PLC）作为MB+网的节点部件，也是MB+网的关键部件。1.3 现场总线现场总线控制是工业设备自动化控制的一种计算机局域网络。它是依靠具有检测、控制、通信能力的微处理芯片，数字化仪表（设备）在现场实现彻底分散控制，并以这些现场分散的测量，控制设备单个点作为网络节点，将这些点以总线形式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是属于最底层的网络系统，是网络集成式全分布控制系统，它将原来集散型的DCS系统现场控制机的功能，全部分散在各个网络节点处。为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制造商的产品可以互连，大大简化系统结构，降低成本，更好满足了实事性要求，提高了系统运行的可靠性。由于现场总线技术是监控系统现地层设备互联发展的趋势，所以关于现场总线的详细介绍参见“现地层设备互联的发展趋势”一节。1.4 以太网以太网技术目前在控制系统现地层设备互联应用还比较少。IEC61158的目标是制定面向整个工业自动化的现场总线标准。经过十几年的努力，1998年，对IEC 61158 (TS)进行投票。由于IEC 61158 (TS)只包含了Process Control部分，因此，IEC 61158 (TS)没有通过投票，自动化行业期待了十多年的统一的现场总线技术标准的努力失败。IEC61158制定统一的现场总线技术标准努力的失败，使一部分人自然转向了在IT行业已经获得成功的以太网技术。因此，现场总线标准之争，给了以太网进入自动化领域一个难得的机会。积极推进这种技术概念的如法国施耐德公司，面向工厂自动化提出了基于以太网+TCP/IP的解决方案，称之为“透明工厂”。望文生义可以理解为：“协议规范统一，信息透明存取”。 施耐德公司是将以太网技术引入工厂设备底层，广泛取代现有现场总线技术的积极倡导者和实践者，已有一批工业级产品问世和实际应用。在设备层，在没有严格的时间要求条件下，以太网也可以有部分市场。在以太网能够真正解决实时性和确定性问题之前，大部分现场层仍然会首选现场总线技术。2 现地层智能设备互联常用标准通讯协议介绍2.1 MODBUS规约ModBus RTU通讯协定是Modicon公司的注册商标。采用主从问答方式工作，其规范已在国际互联网上公布，是目前国际智能化仪表普遍采用的主流通讯协定之一。目前，国内许多生产商已在他们的产品和体系中遵照该协定尺度。该协定有两种传输模式即RTU模式和ASCII模式。其中RTU模式信息帧中的8位数据包孕两个4位16进制字符，相对于ASCII模式，RTU模式表达相同的信息须要较少的位数，且在相同通讯速率下具有更大的数据流量。因此通常情况下，一般工业智能仪器仪表都是采用RTU模式的Modbus规约。通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、一错误检测域。MODBUS协议是一种简明的并且应用相当普及的POLLING协议。缺点是实时性不高。在RTU传输模式下，MODBUS协议的帧结构主要有两种，一种是固定帧，包括主站的读操作和写操作；另一种是可变帧，主要是子站的响应帧。每一数据帧均包含以下四个部分：地址区；功能码区；数据区；校验码区。MODBUS协议适用于主站与多个子站采用主从通信模式进行串行通信。每个信息帧中最多可包含255个字节。2.2 DL/645-1997规约此标准适用于本地系统中多功能电能表与手持单元（HHU）或其它数据终端设备进行点对点的或一主多从的数据交换方式，规定了它们之间的物理连接、通信链路及应用技术规范。物理接口有接触式光学接口、调制型红外光接口、RS-485标准串行电气接口。与监控系统通信一般采用RS-485标准串行电气接口，使多点连接成为可能。在链路层，本协议为主从结构的半双工通信方式。手持单元或其它数据终端为主站，电度表为从站。每个电度表均有各自的地址编码。通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧控制。2.3 IEC-103规约IEC608705103标准为继电保护设备（智能电子设备（IED）或间隔单元）信息接口配套标准。此标准规定，在变电站自动化系统中物理层应采用光纤传输系统和或RS485总线系统。为了提高抗电磁干扰能力和传输距离，应采用光纤传输系统，继电保护设备（或间隔单元或IEDs）的接口必须是光纤连接器。作为上述光纤传输的一种变通，在控制系统和继电保护设备或间隔单元之间可以采用基于双绞线的传输系统。此种传输系统应符合EIARS485标准。EIA RS485总线是世界上广泛使用的用于双向和平衡传输的电气接口通信标准。此标准是工业多站系统需要的，为长距离传输数据而开发的总线网络。它抗干扰能力强，数据传输速率快，价格低廉，维护成本低，能实现多站、远距离通信。目前已广泛用于工业控制系统。抗干扰能力强、传输线采用双绞线、传输距离远、能连接32个单元设备、数据传输率高2.4 IEC-102规约电力系统中传输电能累计量的配套标准IEC60870-5-102（简称IEC102标准）是1996年由国际电工委员会在IEC60870-5系列标准基础上编制的，它采用FT1.2异步式字节传输的帧格式，对物理层、链路层、应用层、用户进程作了许多具体的规定和定义，适用于电力系统中电能量计量系统主站端与厂站端之间电能量信息的传输。为了规范我国电能量信息的远方传输工作，做到与国际接轨，2000年，全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会制定了电力系统电能累计量传输配套标准DL/T7192000（idt IEC60870-5-1021996）（简称电力102标准），该标准等同采用了IEC102标准。积极采用国家标准可以有效解决诸多由于采用设备厂商专用规约所带来的问题，可使电力系统传输电能累计量的数据终端之间实现可互换性和可互操作性。电力102标准与其他规约相比较，最大的优点是它是国际标准，是被国际上广泛承认和采用的，可以免费使用，也很容易实现系统 的扩充和互操作，而其他规约则存在使用范围的问题，系统适应性也较差。电力102标准目前存在的问题:一是通信回合比较多，比较繁琐;二是报文利用率相对比较低。2.5 CDT规约本标准规定了电网数据采集与监控系统中循环式远动规约的功能、帧结构、信息字结构和传输规则等。适用于点对点的远动通道结构及以循环字节同步方式传送远动设备与系统。还适用于调度所间以循环式远动规约转发实时信息的系统。循环式远动协议DL 451-91又称为CDT协议，基本数据单元是信息字，每个信息字由一个功能码字节、四个数据字节和一个校验字节组成，其中，功能码字节用于区分数据类别。CDT协议采用可变帧长度；遥测帧、遥信帧和电能脉冲帧循环传送，重要遥测量（A帧）更新循环时间较短，电能脉冲量（D2帧）更新循环时间较长；区分循环量、随机量和插入量采用不同形式传送信息。变位遥信、子站工作状态变化信息插入传送，遥控、升降命令的返送校核信息插入传送；事件顺序记录（E帧）以帧插入方式传送。CDT协议采用全双工通信方式。由于采用循环传送方式，所以对远动通道的要求不高；由于信息字中功能码只占一个字节，因此其远动信息表的容量有限，在有的应用中，采用了增加帧类别和取消信息字随机插入的方法来扩充容量，但也降低了协议的通用性。3 水电厂现地层控制系统常用PLC通讯接口介绍在水电厂自动化系统中，大部分系统都是以PLC为核心，但是各PLC通讯介质和通讯协议各不相同，下面将简单介绍主要PLC的通讯介质和协议内容。3.1 RockwellABRockwell的PLC主要是包括PLC2、PLC3、PLC5、SLC500、ControlLogix等型号，PLC2和PLC3是早期型号，现在用的比较多的小型PLC是SLC500，中型的一般是ControlLogix，大型的用PLC5系列。DF1协议是Rockwell各PLC都支持的通讯协议，DF1协议可以通过232或422等串口介质进行数据传输，也可以通过DH、DH+、DH485、ControlNet等网络介质来传输。DF1协议的具体内容可以在AB的资料库中下载。AB的PLC也提供了OPC和DDE，其集成的软件中RSLogix中就包含DDE和OPC SERVER，可以通过上述软件来进行数据通讯。AB的中高档的PLC还提供了高级语言编程功能，用户还可以通过编程实现自己的通讯协议。3.2 GEGE现在在国内用的比较多的主要是90-70和90-30系列PLC，这两款PLC都支持SNP协议，SNP协议在其PLC手册中有协议的具体内容。现在GE的PLC也可以通过以太网链接，GE的以太网协议内容不对外公开，但GE提供了一个SDK开发包，可以基于该开发包通讯。3.3 西门子西门子系列PLC主要包括其早期的S5和现在的S7-200、S7-300、S7-400等各型号PLC，早期的S5PLC支持的是3964R协议，但是因为现在在国内应用较少，除极个别改造项目外，很少有与其进行数据通讯的。S7-200是西门子小型PLC，因为其低廉的价格在国内得到了大规模的应用，支持MPI、PPI和自由通讯口协议。西门子300的PLC支持MPI，还可以通过PROFIBUS 和工业以太网总线系统和计算机进行通讯。如果要完成点对点通讯，可以使用CP340/341。S7-400作为西门子的大型PLC，提供了相当完备的通讯功能。可以通过S7标准的MPI进行通讯，同时可以通过C-总线，PROFIBUS和工业以太网进行通讯。如果要使用点对点通讯，S7-400需要通过CP441通讯模块。西门子的通讯协议没有公开，包括紫金桥组态软件在内许多组态软件都支持MPI、PPI等通讯方式，PROFIBUS和工业以太网一般通过西门子的软件进行数据通讯。3.4 施耐德（莫迪康）施耐德的PLC型号比较多，在国内应用也比较多。其通讯方式主要是支持MODBUS和MODBUS PLUS两种通讯协议。MODBUS协议在工控行业得到了广泛的应用，已不仅仅是一个PLC的通讯协议，在智能仪表，变频器等许多智能设备都有相当广泛的应用。MODBUS经过进一步发展，现在又有了MODBUS TCP方式，通过以太网方式进行传输，通讯速度更快。MODBUS PLUS相对于MODBUS传送速度更快，距离更远，该通讯方式需要在计算机上安装MODCON提供的SA85卡并需安装该卡的驱动才可以进行通讯。除了上述两种方式之外，莫迪康的PLC还支持如TCP/IP以太网，Unitelway， FIPWAY，FIPIO，AS-I，Interbus-s等多种通讯方式。3.5 三菱三菱PLC的小型PLC在国内的应用非常广泛。三菱的PLC型号也比较多，主要包括FX系列，A系列和Q系列。三菱系列PLC通讯协议是比较多的，各系列都有自己的通讯协议。如FX系列中就包括通过编程口或232BD通讯，也可以通过485BD等方式通讯。其A系列和Q系列可以通过以太网通讯。当然，三菱的PLC还可以通过CC-LINK协议通讯。第三节 现地层智能设备互联现状分析下面从三个方面介绍目前现地层数字化设备互联通信的状况：监控系统LCU内部设备的互联；监控系统LCU与厂内其它二次设备的互联；监控系统LCU之间的互联。1 监控系统LCU内部设备的互联1.1 现地控制单元PLC介绍及其主CPU模件与其它模件的互联在传统控制系统中，控制器（或称CPU、或处理器）与I/O模块及其它功能模块、机架为同一系列产品，有一致的物理结构设计。典型的结构是I/O模块及其它功能模块通过机架背板上的总线（公司设计产品而自定义总线）连接。机架扩展也是自定义总线的扩展。这些产品的连接技术都是封闭的，第三方要想开发兼容产品必须得到厂家允许。也有一些PLC背板总线采用标准结构，如GE公司的90-70系列，系统机架采用标准的VME BUS结构，可以安装很多种第三方厂家的VME标准模件。但随着现场总线技术的兴起和发展，其在PLC系统中也越来越被广泛的支持。南瑞自控公司自主研发的MB系列PLC就采用先进的CAN总线技术作为PLC主CPU单元与其它模件的互联接口。现场总线的特点有：通讯速率快、抗干扰能力强、成本低、结构简单、实时性好、易于扩展等。并且MB系列PLC采用双路CAN网，CPU模件和I/O模件的数据交换使用CAN1网，CPU模件和串口通讯模件等其他功能模件的数据交换使用CAN2网。两路CAN网互相独立，互不影响。1.2 与交流采样装置的互联交流采样就是将二次侧的电压、电流经高精度、小CT、PT变成计算机可测量的交流小信号，然后再送入计算机进行处理。随着计算机技术在电力系统自动化中的广泛应用，用微机进行交流采样实现对电流、电压、有功、无功、电网周波、功率因数的测量做得越来越精确可靠。交流采样必将以其优异的性能价格比，逐步取代传统的变送器直流采样方法。在电力系统中所使用的交流采样测量装置类型繁多，水电站中常采用的交流采样装置有如珠海派诺、百超表、爱博精电等。目前一般交流采样装置对外提供串口RS-485接口，通讯协议为标准MODBUS规约。MODBUS协议是一种简明的并且应用相当普及的POLLING协议，适用于主站与多个子站采用主从通信模式进行串行通信。每个信息帧最多可包含255个字节。交流采样装置厂家的产品虽然都支持标准MODBUS规约，但不同装置通信的地址编码都不同，且对点表的地址排列顺序和测值的处理方法都不尽相同，所以造成不同厂家的交流采样装置的采集程序不能通用。还有一些工程使用的交流采样装置（如百超表）也支持MB+（MODBUS PLUS）通信方式。但这种方式只能应用于监控系统LCU的PLC同样支持MB+通信方式的场合。1.3 与智能电度表的互联目前工程上使用的监控系统与智能电度表互联方式一般有两种：智能通讯管理装置直接与智能电度表通信；电厂设电能采集装置与各个电度表通信，综合收集全厂的电能信息，然后电能采集装置与监控系统的智能通讯管理装置或上位机通讯机通信，上送电能信息。不管哪种方式，一般物理接口为RS-485标准串口，传输介质为屏蔽电缆，波特率设置为1200bps。 智能通讯管理装置直接与智能电度表通信大多数常用国产电度表（如威胜、龙电等）都支持部颁DL/T645-1997多功能电度表通信规约，由于部颁DL/T645-1997规约是一种标准通用规约，对于不同类型的电度表的采集程序也是通用的。对于那些既支持DL/T645-1997规约又支持本公司协议的电度表，我们一般都采用标准部颁通用规约。其它一些非主流电度表也采用如MODBUS这样的标准协议，在工程上一般不常使用。但对于一些进口电度表如红相EDMI电度表只支持其自身的Command Line协议，如兰吉尔电度表支持IEC102规约。 智能通讯管理装置与电能采集装置通信有些电厂设置一个电能终端采集装置，负责收集电厂各块电度表的电能数据，然后通过该装置与智能通讯管理装置或上位机通迅机通信，上送电能信息给监控系统。由于电能采集装置是专业做与电度表通讯的特殊装置，因此其内部都包括了各种电度表规约的采集程序，一般采用组态的方式选择需要连接的电度表的型号和通讯规约，即可与电度表互联。电能采集装置对外接口一般采用串口RS-485，通信规约既有DL/T645-1997、IEC102等标准规约，也有自己公司自定义的协议，如EAC5000规约等。 两种方式的优缺点比较第一种方式优点有：不需要专门的电能采集装置，各电度表可以就近与LCU内的智能通讯管理装置通信，无需在全厂布置通讯电缆。缺点有：由于各电度表分布在机组LCU、开关站LCU、公用LCU，所以通信采集点比较零散，占用了智能通讯管理装置的串口资源，增加了维护工作量。另外，PLC一般不需要电能数据，而电能数据占用字节数多，浪费了PLC内存。第二种方式优点有：系统界限明确，监控系统只对电能终端采集装置通信，节约了LCU智能通讯管理装置宝贵的串口资源，维护简单。如果直接与上位机通讯机通信可减少PLC处理电能数据的工作量。缺点有：需要采购专用的电能终端采集装置，且全厂电度表的通讯电缆需要集中布置至此装置。另外，如果监控系统与此装置通信中断，造成所有电能数据无法上送。综合以上两种方式的优缺点和电能数据对实时性要求不高的特点，第二种方式会越来越多的在新建电厂中被采用。1.4 与测温装置的互联目前主流的测温装置如南瑞公司的SJ-40C温度巡检装置、合肥工大的温度巡检装置等一般都有标准的RS-232和RS-485接口，通讯协议一般采用标准MODBUS或类似MODBUS的自定义规约。常用的通讯波特率为9600bps。1.5 与触摸屏的互联触摸屏作为现地人机接口，在LCU与监控系统主网络中断时，起着非常重要的作用。目前在电站中常用的触摸屏有：GP系列、EasyView系列、施耐德系列、GE系列等。触摸屏与现地LCU互联一般有两种方式：触摸屏与PLC直接互联和触摸屏通过智能通讯管理装置与PLC互联（参见下图1-3）。 图1-3 第一种方式触摸屏与PLC直接相连这种方式也是最常用的互联方式。触摸屏都支持与各种主流PLC的串口通讯，如施耐德、GE、西门子、AB、三菱、欧姆龙等。无须开发通讯接口，直接在列表中选择相应的PLC型号，按照正确的接线方式连接即可实现互联。另外，一般触摸屏还预留编程接口，如遇到新型的PLC，在原有的驱动列表中选择不到的，可以编写相应接口通讯驱动程序，然后加入该驱动列表。按照物理接口，又可分为：.接口为串口RS-232/RS-422/RS-485这种方式下，触摸屏通常为通信主站，PLC为通信从站，通讯规约对用户来说是透明的，不同类型的PLC规约也不一样，如施耐德PLC的MODBUS RTU规约，AB PLC的DF1、DH485规约，GE PLC的MODBUS RTU、SNP规约等。通讯参数在触摸屏组态软件可以设置，波特率9600/19200/38400/57600/115200bps可选，一般推荐9600bps，主要要求触摸屏的参数设置与PLC串口的参数设置一致即可。.接口为以太网目前随着以太网的快速发展，触摸屏也支持以太网接口。从只支持通过以太网下载触摸屏组态，发展到现在，有些触摸屏目前已经支持以太网方式与PLC的以太网接口通过交换机互联，如施耐德的XBTG6330。与PLC以太网接口互联的网络规约采用MODBUS TCP/IP规约，通讯介质采用标准的网络双绞线。这种方式特别适合监控系统为环网结构时，因为这种情况下监控系统LCU上配置了一个交换机，但对于双以太网结构的方式，这种互联方式还有待完善。.接口MB+网随着MB+网络在电站互联中广泛的应用，部分触摸屏通过外接MB+接口卡的方式可以接入LCU PLC MB+网络，实现与PLC的互联。这种方式因为需在触摸屏扩展口上外接MB+接口卡，并且MB+接口卡以及配套的MB+站电缆、分支器都需额外采购，所以增加成本，一般也不经常采用。 第二种方式触摸屏串口与智能通讯管理装置互联由于PLC的串口数量有限，同时需要与智能通讯管理装置和触摸屏通讯，但如果只有一个串口时则无法实现，此时需要将触摸屏与智能通讯管理装置互联。触摸屏与PLC的数据交换通过智能通讯管理装置中转完成。因为完全依赖与智能通讯管理装置，这种方式对触摸屏来说非常不可靠，且由于有中转环节，触摸屏的刷新和操作速度比较慢，所以一般不建议采用。 介绍一种触摸屏与双机冗余系统的互联在双机冗余系统中，由于有两个CPU并列运行，所以触摸屏与其互联必须将原来的RS232