现场总线在电力系统中的应用

1、现场总线技术及其在电力系统中的应用摘要：文章介绍了现场总线的基本概念、现场总线的产生历史背景、发展及系统层次结构，说明了现 场总线产生的历史背景和国际标准化工作的进展情况。结合当前电力企业生产、管理、效益的实际，对在 电力企业中应用现场总线技术进行了论述。介绍了目前国际上几种典型的现场总线标准。最后讨论了现场 总线在电力系统中的应用前景。关键词：电力系统自动化；HART； CAN; LONWORKS; PROFIBUS; FF；现场总线Abstract : This paper presents the basic concept of field bus, its emergence and

2、 development as well as the architecture of its system. The paper also illustrates the historical background of its emergence and the progress of its international standardization as well as the application of field bus technology in the electric utilities with the production, management, efficiency

3、 in actual power system. This paper introduces its international standardization as well as some of its typical standards available in the world. In the end, the prospect of its application in a power system is discussed.Keywords: Automation of Electric Power Systems; HART; CAN; LONWORKS; PROFIBUS;

4、FF; Fieldbus1概述1.1现场总线产生的历史背景现场总线的概念起源于上世纪八十年代中期，九十年代初期发起于欧美，我国是在 2002年后才逐步兴起热潮，它是一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、 双向串行、多节点的通信总线，是计算机技术、通信技术和控制技术（3C技术）的综合与集 成。它的出现使传统的自动控制领域产生了革命性变革 形成了新型的网络集成或全分布控 制系统。现场总线是新型自动化系统，又是低带宽的底层控制网络，它沟通了现场级与高层 控制管理级间的联系，代表了工业自动化的发展方向。50年前，过程处理仪表是基于0. 21 kg f/ cm2气动信号标准，即第一代过程控

5、制体系结 构。随后，过程控制仪表是基于420 mA的电气信号，即第二代过程控制体系结构(ACS)。 这种模拟控制方式延续了25年，现在还在使用。70年代，人们在测控、模拟和逻辑控制领 域中使用了数字计算机，从而产生了集中式控制，即第三代过程控制体系结构(CCS)。到 了80年代，由于微处理器的出现而产生了分布式控制体系结构，即第四代过程控制体系结 构(DCS)。在CCS、DCS中，计算机与现场设备之间的通信仍是4-20 mA模拟信号。随 着微电子技术的发展，基于微处理器的智能式变送器、控制器和DCS在工业过程控制中的 应用日益广泛，而各厂家所采用的通信标准不统一，产品不能兼容，使用很不方便；另

6、外， 智能化带来的大量的数据输入、输出使原来采用的二线制传输系统很不适应。在这种情况下， 从而产生了现场总线的概念。此外，CIMS综合自动化的发展，势必对现场信号的采集、传 输和数据交换提出了更新的要求，也加速了作为低层设备控制网络的现场总线的发展。1.2现场总线的含义现场总线(Fieldbus)是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现 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。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优 点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。现场总线是现场仪表与控制室系统

7、之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系 统。现场总线的基本框架如下图1-1所示:开美-现场拧制器电磁阀变压器图1-1现场总线系统框架2现场总线的典型标准由于市场的驱动，世界各大控制系统厂家都相继开发了各自的现场总线产品，虽然国 际电工委员会已经公布了现场总线的国际标准IEC61158,但该标准包含了 8种现场总线, 这就给用户选择带来了困难。较为主流的现场总线为以下3种：1）Profibus是遵循德国标准（DIN19245）和欧洲标准（EN50170）的现场总线。ISO/ OSI 是它的参考模型之一，由Prof ibus - DP, Profibus -FMS, Profibus- P

8、A 系列组成。DP 型 用于分散外设间的高速传输，适合于加工自动化领域的应用。FMS意为现场信息规范，适 用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压开关等一般自动化而PA型则是用于过程自 动化的总线类型，它遵从IEC1158- 2标准。该项技术是由西门子公司为主的十几家德国公 司、研究所共同推出的。PROFIBUS支持主-从系统、纯主站系统、多主多从混合系统等 几种传输方式，最多可挂接127个站点。2）基金会现场总线，即Foudation Fieldbus,简称FF,是以美国Fisher-Rousemount公司 为首，联合Foxboro、横河、ABB、西门子等80家公司制订的ISP协议和以Ho

9、neywell公司 为首，联合欧洲等地的150家公司制订的WordFIP协议，于1994年9月合并成立的。FF致 力于开发出国际上统一的现场总线协议。它以ISO/ OSI开放系统互连模型为基础，取其物 理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。3） Lonworks现场总线，由美国Echelon公司推出，并由Motorola及Toshiba公司共同倡导。它采用ISO/ OSI模型的全部7层通讯协议，采用面向对象的设计方法，通过网络变量把网 络通信设计简化为参数设置。支持双绞线、同轴电缆、光缆和红外线等多种通信介质通讯 速率从300 b/s至1. 5Mb/s不等

10、，直接通信距离可达2700 m（ 78 kb/ s），被誉为通用控制网络。 Lonworks技术采用的Lon-Talk协议被封装到Neuron（神经元）的芯片中，并得以实现。采用 Lonworks技术和神经元芯片的产品，被广泛应用在楼宇自动化、交通运输、工业过程控制 等行业。3现场总线的优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：1）系统的开放性2）可操作性和

11、互用性3）现场设备的智能化与功能自治性4）系统结构的高度分散性5）对现场环境的适应性4现场总线在电力系统中的应用因为现场总线的种种优点，现在现场总线以及在电力系统中有了广泛的应用，以下是目 前现场总线控制技术在电力系统中应用最多的几个方面：4.1现场总线技术应用于变电站无人值守变电所内部现场监控设备较多，需要采集的信号很多。为了提高变电所的自动化水平 满足无人值班或少人值守的目标要求，对现场信号的采集、传输和对现场设备的实时监控非 常必要。传统的RS-485或B ITBUS的主从通信方式已不能满足要求。这是因为RS- 485或 B ITBUS的网络带负载的能力有限，节点数一般不超过几十。对于规

12、模较大的变电站便显 得无能为力。其次，它们的通信方式为查询方，通信速率低，难以满足实时性较高的要求。 第三，它们所采取的主从式的通信方式使得主节点一旦出现故障整个系统的通信便无法 进行，这样的主节点便成了制约系统的瓶颈。在这种场合下，现场总线技术的出现可使上述 局面得以柳暗花明。并以较强的网络通信能力、控制能力、带负载能力显示着在变电站综合 自动化中广阔的应用前景，实现变电站无人减少了劳动力，降低了成本。4.2在火电厂中实现现场总线与)CS的集成目前，火电厂中主控系统为分散控制系统(DCS ),虽然该系统比较成熟，但其缺陷也日 益显现出来，现场总线技术恰巧能弥补它的缺点。故目前最可行的方案是如

13、何使现场总线与 传统的DCS系统尽可能地协同工作，实现二者的优势互补，这种集成方案能得到灵活的系统 组态，以适用于更广泛的、富于使用价值的应用。根据DCS的结构体系，实现现场总线与DCS 的集成有多种基本方式。根据自身的实际情况和要求，在某些大型的火电厂中已经开始尝试 和应用这些方案，通过不同的规模和方式在DCS系统中集成应用了现场总线技术，实现了全 数字、分层的监控，减轻了DCS的负担。由此可以肯定,DCS控制系统将在未来的一段时间 里仍扮演着重要的角色，现场总线与DCS系统并存与集成将使用户拥有更多地选择，以实现 更合理的控制系统，实现整个系统的最优化，为企业的生产经营创造最佳效益。4.3

14、现场总线应用于数字化、信息化、网络化的电力管理由于DCS技术上的原因，难以满足复杂的电业管理的要求，使得大多数电厂的控制系统 和生产管理系统是分离的两套系统。现场总线技术的出现，真正实现了分布式、数字化的控 制，使控制系统的结构发生了根本的变化。随着网络技术的不断发展，将使通信延伸到现场, 以现场总线为基础的底层网，以局域网为基础的企业网，以广域网为基础的互联网所构成的 三网融合框架将逐步构成。三网融合技术将会促进现场信息、企业信息、市场信息的融合， 交流和互动，将会促进企业电力管理的优化运行和最佳调度，并能在更大的范围内支持企业 的正确决策给企业带来更多的经济效益。4.4以现场总线技术为基础

15、的电参数检测基站随着电力系统运行管理的系统化、网络化、智能化，功能单一的电力系统测量仪表已经 不适应现代化管理的需要。电能质量的检测，不论在理论上还是在实践中都有着许多值得深 入研究的问题。研制一种新型的电能质量检测装置，电参数检测基站，集测量、控制和通信 于一体，有效地进行电能检测，对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要 意义。电参数检测基站以自动远程抄表技术为核心，以现场总线技术为载体，集电测技术、 通信技术、用电管理技术于一体，实现数据采集、远程传输、智能化信息处理，具有速率快、 精度高、实时性好等突出特点，从根本上克服了传统抄表模式的弊端给电能管理的现代化 带来了新的气象

16、。4.5基于现场总线网络环境的火电厂先进控制手段的实现火力发电机组的热工自动化是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳 动条件的重要技术措施。火力发电机组控制的中心问题是：一方面要求机组出力迅速地跟踪 电网负荷的变化，另一方面在负荷变化时要保证机组的稳定运行，特别是保持主要参数（主 汽压力、主汽温度、汽包水位等）的波动不超出运行规程规定的限值。电厂动力装置是一个 高度复杂，慢时变和不确定的多变量控制对象，应用传统的控制方式有时存在理论上的参数 整定和实际现场应用差别较大，主要靠经验完成。随着某些先进控制理论的发展完善以及目 前现场控制调节存在的突出矛盾，结合电厂热工过程的特殊性，将

17、先进控制方法应用到过程 系统中，是目前研究的热点。最优控制、预测控制、非线性控制、自适应控制等先进的控制 策略以及模糊控制、神经网络控制等智能控制应用到火电厂是一个发展趋势而现场总线技 术的不断完善则为先进的控制手段的实现提供了一个网络环境和载体实现二者的完美结 合也正是当前和今后电力系统自动化工作人员努力的方向。5现场总线在电力系统中应用的前景目前现场总线技术在电厂局部生产过程中已试点应用，例如国内电厂已有在电除尘的控 制上采用现场总线的成功应用，为今后大范围应用打下良好的基础。综合现状，在未来的一 段时间内，控制系统将出现DCS与现场总线共存的局面。DCS在电厂的应用以往主要是在 热控系统（包括锅炉、汽机等）及对其他辅助系统和设施（包括输煤、除尘、水处理等）的 监控。由于技术上的原因，主要是现场设备监控的实时性及现场测控网络的数据传送和管理 难以满足复杂的电业管理的需要，使得大多数电厂的控制系统和生产管理系统是分离的两 套系统。FCS的出现，真正实现了分布式控制，使控制系统的结构发生了根本的变化。由 于控制功能的下移，一般的控制功能可在智能变送器和智能执行器间完成。复杂的控制功 能和连锁控制功能可通过插卡上的CPU或现场控制站上的CPU完成。一些原由上位机完