影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素分析

1 引言
21世紀(jì)是信息化的時(shí)代，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化是大勢所趨。現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代末90年代初發(fā)展起來的應(yīng)用于過程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。隨著通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和自動(dòng)化控制等技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)正逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的綜合控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。
現(xiàn)場總線作為順應(yīng)這種發(fā)展潮流而出現(xiàn)的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟。但是現(xiàn)場總線技術(shù)存在許多不足，現(xiàn)有的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)過多，在今后一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)形成多種總線并存、相互競爭共同發(fā)展的格局。不同類型的現(xiàn)場總線設(shè)備均配有專用的通信協(xié)議,無法實(shí)現(xiàn)信息的無縫集成。本文分析了當(dāng)今現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，討論了有關(guān)影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問題，包括智能儀表智能現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)作用和技術(shù)壁壘、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用以及OPC技術(shù)推廣等。
2 現(xiàn)場總線特點(diǎn)
現(xiàn)場總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的產(chǎn)物。它是用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種串行、全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、多變量、多點(diǎn)、多站的通信系統(tǒng)?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個(gè)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(diǎn)，用總線連接，共同實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線技術(shù)與辦公網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最大不同點(diǎn)是其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性可以得到保證，因此其在工業(yè)控制環(huán)境中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字化通信代替4～20mA模擬儀表，將控制功能下放到現(xiàn)場，從而實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和故障診斷。
3 現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀
為了增加產(chǎn)量、改善管理，提高企業(yè)的市場應(yīng)變能力和競爭能力，以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的綜合信息系統(tǒng)，即以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)信息、控制信息、安全信息和管理信息的集成，在電力系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，根據(jù)電力企業(yè)的特點(diǎn)，有電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，包括電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)及支持其運(yùn)行的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，火電廠分布控制系統(tǒng)（DCS、BMS、DEH、CCS），水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，變電所及集控站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，電網(wǎng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置，電力市場技術(shù)支持系統(tǒng)等。
以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的綜合信息系統(tǒng)一般具有三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 綜合信息系統(tǒng)的三層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場總線是將自動(dòng)化最底層（基礎(chǔ)和過程自動(dòng)化層）的現(xiàn)場控制器和現(xiàn)場智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，作為電廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線對(duì)現(xiàn)場環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。將現(xiàn)場總線引入電力綜合信息系統(tǒng)控制系統(tǒng)，不僅使安裝、調(diào)試、維護(hù)更加容易，而且提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(xiàn)場總線的分散化，有效地降低了系統(tǒng)的故障率，并為電力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)遙控、遙視及綜合自動(dòng)化提供了可能?，F(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)各綜合信息系統(tǒng)的應(yīng)用，大大節(jié)約了投資，而且使監(jiān)控系統(tǒng)更加分散，不但提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，而且對(duì)各部門實(shí)現(xiàn)"無人值班、少人值守"具有一定的意義。
但是由于現(xiàn)場總線的功能單一和實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，基于現(xiàn)場總線的電力綜合信息系統(tǒng)面臨著在不同的現(xiàn)場環(huán)境下需要使用不同類型的現(xiàn)場總線的問題，同時(shí)多類型現(xiàn)場總線的使用又使得整個(gè)控制系統(tǒng)顯得相當(dāng)混亂，而且現(xiàn)場總線類型的選擇本身也是個(gè)棘手的問題。為了現(xiàn)場總線能在我國的電力行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用，下面對(duì)影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行討論。
4 關(guān)鍵因素分析
4.1 更豐富的電力智能現(xiàn)場設(shè)備
現(xiàn)場總線的出現(xiàn)給人們帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，但目前具備現(xiàn)場總線通信能力的智能電力現(xiàn)場設(shè)備品種還不夠多，過渡時(shí)期雖然可通過接口和常規(guī)設(shè)備聯(lián)接，但也失去了現(xiàn)場總線的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。價(jià)格和常規(guī)設(shè)備相近的品種豐富的智能總線現(xiàn)場設(shè)備既是廣泛使用現(xiàn)場總線技術(shù)的條件和動(dòng)力，也是廣泛使用現(xiàn)場總線技術(shù)導(dǎo)致的結(jié)果。新一代的電力總線現(xiàn)場設(shè)備將向著高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的趨勢發(fā)展。日益發(fā)展的IT技術(shù)也使電力現(xiàn)場設(shè)備高度智能化成為可能。各種專用芯片的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的嵌入式專用系統(tǒng)，及與虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合，已成為現(xiàn)場設(shè)備智能化的新途徑。將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等智能理論融入其中，通過對(duì)軟件的改進(jìn)，必將使電力現(xiàn)場設(shè)備的智能化程度更高，為實(shí)現(xiàn)真正的分散控制提供有力的保障。
電力系統(tǒng)的現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備包括智能化儀器儀表控制器和網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備如智能變送器、智能執(zhí)行器、智能控制調(diào)節(jié)、智能化斷路器、帶通信接口的變頻器、網(wǎng)橋、中繼器、連接接口卡等?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中，智能變送器送出符合現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)定的數(shù)字信號(hào)。變送器不僅有檢測、變換和補(bǔ)償功能，而且還有運(yùn)算和PID運(yùn)算功能。智能執(zhí)行器接受現(xiàn)場總線傳過來的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)處理后直接控制生產(chǎn)過程。智能化斷路器如智能化萬能式斷路器、智能化交流接觸器、智能化重合控制器、智能化電動(dòng)機(jī)保護(hù)器和起動(dòng)器，這種電器都和一定的現(xiàn)場總線相連接。網(wǎng)橋完成總線轉(zhuǎn)換，將不同總線集成于一個(gè)系統(tǒng)中。中繼器將兩個(gè)網(wǎng)段透明的連接起來，達(dá)到延長通信距離的目的。連接接口卡實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線與監(jiān)控設(shè)備等的連接。
研制更多適合電力行業(yè)特點(diǎn)的現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備，是推動(dòng)現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提條件。設(shè)備生產(chǎn)廠商首先面臨的是攻克現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的技術(shù)壁壘。大力開發(fā)高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的現(xiàn)場設(shè)備是推動(dòng)現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)工作。
4.2 攻克電力智能現(xiàn)場設(shè)備的技術(shù)壁壘
電力現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備面臨的是標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一和產(chǎn)生設(shè)備的兼容性問題。電力現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備，對(duì)于單獨(dú)的現(xiàn)場總線，它既規(guī)定線路，又規(guī)定如何有效使用這種線路，還要提供錯(cuò)誤檢測和修復(fù)功能，它還是一種應(yīng)用協(xié)議以及規(guī)定如何使用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用別名。但是由于是在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用單一的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)這么多的功能，必然會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一和產(chǎn)生設(shè)備的兼容性問題，這也是目前現(xiàn)場總線的現(xiàn)狀和亟待解決的問題之一。從設(shè)備生產(chǎn)廠商的角度來看，他們希望他們的產(chǎn)品能夠通用于各種不同的系統(tǒng)中，但對(duì)于一個(gè)設(shè)備提供能對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的支持需要在前期開發(fā)中大量的資源投入。比較理想的解決方案是對(duì)這些不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（應(yīng)用于不同的環(huán)境和場合）在設(shè)備級(jí)提供一種通用的開放的接口，開放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場總線技術(shù)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的技術(shù)壁壘。
4.3 多種類型的現(xiàn)場總線的無縫集成
雖然現(xiàn)場總線已經(jīng)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)如變電站自動(dòng)化領(lǐng)域有了不少成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但卻包括了LonWorks、CAN、Profibus等多種互不兼容的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn),因此有必要集成各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)，使其協(xié)同工作。為了解決同一控制系統(tǒng)中多種現(xiàn)場總線的集成問題，在一些工程中通常是利用某種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（如OPC技術(shù)等）開發(fā)能夠連接其現(xiàn)場總線的接口。OPC技術(shù)是現(xiàn)場設(shè)備級(jí)和過程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的開放接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，它為不同的現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)間提供了一個(gè)通用的OPC接口。不同類型的現(xiàn)場總線可以通過運(yùn)用OPC技術(shù)，間接地實(shí)現(xiàn)信息的交互。這確實(shí)也是現(xiàn)今解決因多種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不同而造成總線互操作極其困難的較佳方法之一，因而，這就使工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)橫向和縱向集成的實(shí)現(xiàn)變得簡單。目前在電力系統(tǒng)已提出了一種基于交換式以太網(wǎng)技術(shù)的多現(xiàn)場總線集成的解決方案。通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線在更底層的結(jié)合，使得控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)更加扁平化。如何較好的解決電力工業(yè)企業(yè)現(xiàn)存的不同種類現(xiàn)場總線之間的互操作問題,使其協(xié)同工作，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
4.4 無線通信技術(shù)與現(xiàn)場總線的集成
電力工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場存在大量傳感器、控制器、執(zhí)行器等，他們通常相當(dāng)零散地分布在一個(gè)較大范圍內(nèi)。對(duì)由他們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說，單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)比較簡單，但實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高。
但在電力工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中還有許多無法靠"有線"方法實(shí)現(xiàn)連接的對(duì)象，需要用無線通信實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)或控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，在易腐蝕、強(qiáng)電等危險(xiǎn)環(huán)境中，只能使用無線通信的方式。因此，研究工業(yè)控制環(huán)境下的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是近年來新的發(fā)展趨勢，其核心問題是如何實(shí)現(xiàn)無線通信技術(shù)與現(xiàn)場總線的集成。利用現(xiàn)有的無線移動(dòng)通訊技術(shù)，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的支持下，結(jié)合現(xiàn)有的現(xiàn)場總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種在控制系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備層具有無線移動(dòng)接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無線現(xiàn)場總線，以解決電力環(huán)境下的諸如移動(dòng)對(duì)象，危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)象與傳統(tǒng)的有線連接對(duì)象之間的符合實(shí)時(shí)要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數(shù)據(jù)通訊和控制問題。
5 現(xiàn)場總線與Internet的連接前景
隨著以太網(wǎng)絡(luò)在工控領(lǐng)域的逐步興起，要將現(xiàn)場總線和Internet技術(shù)結(jié)合，尤其是TCP/IP結(jié)合起來。允許在一條總線上同時(shí)傳遞兩種不同性質(zhì)的信息，完全滿足Internet傳輸和控制信息的實(shí)時(shí)傳輸互不干擾的要求?；谝蕴W(wǎng)絡(luò)的 I/O模塊大量出現(xiàn)，可以直接和以太網(wǎng)絡(luò)連接，如果在模塊內(nèi)部嵌入WEB服務(wù)器，還可以通過瀏覽器直接訪問，發(fā)展的前景十分誘人。但是在這方面，不能過分追求高新，而要結(jié)合電力行業(yè)的特點(diǎn)，以實(shí)用性、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性為主，才能切實(shí)可行地推動(dòng)現(xiàn)場總線在電力工業(yè)的發(fā)展。
6 結(jié)語
本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)場總線在電力行業(yè)中應(yīng)用幾個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了剖析。攻克現(xiàn)場總線現(xiàn)場設(shè)備的技術(shù)壁壘，大力發(fā)展智能化總線現(xiàn)場設(shè)備是現(xiàn)場總線測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)問題，也是影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，要給現(xiàn)場予高度重視，并加大投入和研究的力度。將以太網(wǎng)絡(luò)引入到現(xiàn)場控制級(jí)及OPC規(guī)范的普及，無線通信技術(shù)與現(xiàn)場總線的集成都是測控領(lǐng)域中的必然趨勢，對(duì)現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用有深遠(yuǎn)的影響?？傊?，現(xiàn)場總線技術(shù)在電力系統(tǒng)中將發(fā)揮越來越重要的作用。

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