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浅谈现场总线技术在电力系统领域中的应用 姓名： 班级： 学号：现场总线概述现场总线是指以工厂内的测量和控制机器间的数字通讯为主的网络，也称现场网络。也就是将传感器、各种操作终端和控制器间的通讯及控制器之间的通讯进行特化的网络。原来这些机器间的主体配线是ON/OFF、接点信号和模拟信号，通过通讯的数字化，使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线（配线的共享）。 图1现场总线基本结构按照IEC的解释现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。简单说，现场总线就是以数字通信替代了传统4-20mA模拟信号及普通开关量信号的传输。是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统。主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。主要用于制造业、流程工业、交通、楼宇、电力等方面的自动化系统中。 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性。控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性。现场总线使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域； 一对双绞线上可挂接多个控制设备， 便于节省安装费用；节省维护开销；提高了系统的可靠性；为用户提供了更为灵活的系统集成主动权。从现场总线技术本身来分析，它有两个明显的发展趋势：一是寻求统一的现场总线国际标准；二是Industrial Ethernet走向工业控制网络。统一、开放的TCP/IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 ，过去一直认为，Ethernet是为IT领域应用而开发的，它与工业网络在实时性、环境适应性、总线馈电等许多方面的要求存在差距，在工业自动化领域只能得到有限应用。事实上，这些问题正在迅速得到解决，国内对EPA技术（Ethernet for Process Automation）也取得了很大的进展。随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用，可以预见Ethernet技术将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络。现场总线的组成现场总线控制系统由测量系统、控制系统、管理系统三个部分组成，而通信部分的硬、软件是它最有特色的部分。 1、现场总线控制系统：它的软件是系统的重要组成部分，控制系统的软件有组态软件、维护软件、仿真软件、设备软件和监控软件等。首先选择开发组态软件、控制操作人机接口软件MMI。通过组态软件，完成功能块之间的连接，选定功能块参数，进行网络组态。在网络运行过程中对系统实时采集数据、进行数据处理、计算。优化控制及逻辑控制报警、监视、显示、报表等。 2、现场总线的测量系统：其特点为多变量高性能的测量，使测量仪表具有计算能力等更多功能，由于采用数字信号，具有高分辨率，准确性高、抗干扰、抗畸变能力强，同时还具有仪表设备的状态信息，可以对处理过程进行调整。 3、设备管理系统：可以提供设备自身及过程的诊断信息、管理信息、设备运行状态信息（包括智能仪表）、厂商提供的设备制造信息。例如FisherRosemoune公司，推出AMS管理系统，它安装在主计算机内，由它完成管理功能，可以构成一个现场设备的综合管理系统信息库，在此基础上实现设备的可靠性分析以及预测性维护。将被动的管理模式改变为可预测性的管理维护模式AMS软件是以现场服务器为平台的T型结构，在现场服务器上支撑模块化，功能丰富的应用软件为用户提供一个图形化界面。 4、总线系统计算机服务模式：以客户机/服务器模式是目前较为流行的网络计算机服务模式。服务器表示数据源（提供者），应用客户机则表示数据使用者，它从数据源获取数据，并进一步进行处理。客房机运行在PC机或工作站上。服务器运行在小型机或大型机上，它使用双方的智能、资源、数据来完成任务。 5、数据库：它能有组织的、动态的存储大量有关数据与应用程序，实现数据的充分共享、交叉访问，具有高度独立性。工业设备在运行过程中参数连续变化，数据量大，操作与控制的实时性要求很高。因此就形成了一个可以互访操作的分布关系及实时性的数据库系统，市面上成熟的供选用的如关系数据库中的Orad，sybas，Informix，SQL Server；实时数据库中的Infoplus，PI，ONSPEC等。 6、网络系统的硬件与软件：网络系统硬件有：系统管理主机、服务器、网关、协议变换器、集线器，用户计算机等及底层智能化仪表。网络系统软件有网络操作软件如：NetWarc，LAN Mangger，Vines，服务器操作软件如Lenix，os/2，Window NT。应用软件数据库、通信协议、网络管理协议等。现场总线在电力系统中的应用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系统自动化中。 图2电力系统现场总线结构示意图 图3发电厂现场总线结构简图 在此以LonWorks技术为例简述现场总线技术今年在电力系统领域的应用与发展情况。LonWorks技术的基本部件是同时具有通讯与控制功能的Neuron芯片。芯片内部有三个中央处理器和RAM、ROM、EEPROM、软硬件计时器/计数器、操作系统、动作时间数据库及36种常见I/O控制对象，11路I/O输入/输出通道和通讯协议都固化在该芯片内。LonWorks技术所使用的通讯协议称为LonTalk协议。LonTalk协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互联模型（OSI）。LonTalk协议提供了OSI参考模型所定义的全部七层服务。 LonWorks控制网络技术不受通讯介质的限制，可以使用任何通讯介质。如：双绞线、电力线、光纤、同轴电缆、无线、红外等。并且各种通讯介质能够在同一网络中混合使用。可以使用所有已有的网络体系结构，如：主从式、对等式以及客户服务式结构。网络可以自由组合。用户可以选择任意形式的网络拓扑结构，网络系统和性能可大可小。LonWorks技术在自动化应用中组建测控网络时还需要收发器，路由器，网络接口，网关，网络服务等相应的硬件和软件。LonWorks网络系统由智能节点组成，每一个智能节点可具有多种形式的功能，节点之间遵守ISO/OSI的7层模型。LonWorks技术改善了CSMA（Carry Sense Multiple Access），采用一种新的称为Predictive P-Persistent的CSMA，可以在负载较轻时使介质访问延迟最小、而在负载较重时使冲突的可能性最小。网络通信采用面向对象的设计方法，LonWorks技术将其称之为“网络变量”，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。LonWorks与局域网LAN比较有如下几个特点：可靠、安全地通信，信息短小，高度分散化、体积小、成本底的节点不会出现单点的错误、保障互操作性等。具体说，两者区别体现在： 1）LAN主要用于局域区域内计算机系统间相互通信，而Lon主要用于小范围内各种仪表、仪器、设备间相互通信。 2）LAN需要一套中央处理器来控制和管理整个网络，Lon无需中央处理器、服务器即可实现个个节点间相互通信。 3）LAN传输速率高，适宜于大数据量的传输（如文件、图形等数据信息），Lon传输速率低，适宜于数据较小的检测信息、状态信息和控制信息的传输。 4）LAN结构复杂，需要专用的网络电缆，成本高，Lon构成简单，可利用电力线或廉价电缆（如双绞线）传输信息，故成本低。LonWorks现场总线不足之处有：1）其固化了ISO/OSI全部七层协议，在有些应用场合增加了网络的负担，影响了通信速度。2）开发成本较高。这在某种程度上影响了其推广和普及。变电站自动化系统是90年代发展起来的多专业综合技术，它以计算机为基础，改变了传统变电站控制室、保护室的主体结构和值班维护方式，充分体现了现代生产的特点，是当代电网发展的必然趋势。LonWorks现场总线网是一种使用较广泛的全分布式智能控制网络，是变电站自动化系统网络层的成熟产品。 图4变电站现场总线系统简图如图4，变电站有两个主站相互独立，提高了系统冗余度。主站1管理系统监控它有一个监控总线网站与LonWorks1和LonWorks2监控总线相连，还通过RS-232接口接入人机界面（MNI）的PC机，用作后台监控。主站2也没有一个监控网卡主管远动传送、接收信息，通过Modem将监控信息传送给调度中心。工程师站具有两个总线网卡分别接管监控总线（传送各种控制信息和状态信息）和录波总线（传送故障录波信息）。接监控总线的PC机具有监视功能，但不能作控制操作；接录波总线的网卡将各间隔保护的录波数据，通过Modem和电话通信网传向电话远方另一端。变电站自动化的目的就是为了实现各间隔之间的信息共享，因而变电站系统结构可以分四层：设备层包括各种一次设备，如开关、TA/TV等；变电站层负责管理实时计算机局域网（网络技术、国际标准化协议不断完善将各类微机型二次设备连接成实时计算机网络，即构成了变电站综合自动化模式）；网络层用于实现各个间隔的信息集成，即通过光纤等链路将各间隔层组成一个计算机局域网，间隔层设备以间隔为单位构成网络上的节点，网络均采用通用网络协议标准，如TCP/IP、IPX/SPX等；间隔层即各种智能化单元（间隔），包括I/O接口、CPU