現(xiàn)場總線技術(shù)在變電站自動化系統(tǒng)中的典型應(yīng)用
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2 現(xiàn)場總線的技術(shù)特點
a、系統(tǒng)的開放性。開放系統(tǒng)是指通信協(xié)議公開,各不同廠家的設(shè)備之間可進行互連并實現(xiàn)信息交換,現(xiàn)場總線開發(fā)者就是要致力于建立統(tǒng)一的工廠底層網(wǎng)絡(luò)的開放系統(tǒng)。這里的開放是指對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一致、公開性,強調(diào)對標(biāo)準(zhǔn)的共識與遵從。一個開放系統(tǒng),它可以與任何遵守相同標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備或系統(tǒng)相連。一個具有總線功能的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須是開放的,開放系統(tǒng)把系統(tǒng)集成的權(quán)利交給了用戶。用戶可按自己的需要和對象把來自不同供應(yīng)商的產(chǎn)品組成大小隨意的系統(tǒng)。
b、互可操作性與互用性,這里的互可操作性,是指實現(xiàn)互連設(shè)備間、系統(tǒng)間的信息傳送與溝通,可實行點對點,一點對多點的數(shù)字通信。而互用性則意味著不同生產(chǎn)廠家的性能類似的設(shè)備可進行互換而實現(xiàn)互用。
c、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性。它將傳感測量、補償計算、工程量處理與控制等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成,僅靠現(xiàn)場設(shè)備即可完成自動控制的基本功能,并可隨時診斷設(shè)備的運行狀態(tài)。
d、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性。由于現(xiàn)場設(shè)備本身已可完成自動控制的基本功能,使得現(xiàn)場總線已構(gòu)成一種新的全分布式控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。從根本上改變了現(xiàn)有DCS集中與分散相結(jié)合的集散控制系統(tǒng)體系,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了可靠性。
e、對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性。工作在現(xiàn)場設(shè)備前端,作為工廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場總線,是專為在現(xiàn)場環(huán)境工作而設(shè)計的,它可支持雙絞線、同軸電纜、光纜、射頻、紅外線、電力線等,具有較強的抗干擾能力,能采用兩線制實現(xiàn)送電與通信,并可滿足本質(zhì)安全防爆要求等。
3現(xiàn)場總線在變電站自動化系統(tǒng)中的優(yōu)越性
由于現(xiàn)場總線的以上特點,特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化,使變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護,都體現(xiàn)出優(yōu)越性。
a、節(jié)省硬件數(shù)量與投資。由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在間隔設(shè)備前端的智能設(shè)備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能,因而可減少變送器的數(shù)量,不再需要單獨的控制器、計算單元等,也不再需要DCS系統(tǒng)的信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離技術(shù)等功能單元及其復(fù)雜接線,還可以用工控PC機作為站控操作工作站,從而節(jié)省了一大筆硬件投資 ,由于控制設(shè)備的減少,還可減少控制室的占地面積。
b、節(jié)省安裝費用?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單,由于一對雙絞線、一對光纖或一條電纜上通常可掛接多個設(shè)備,因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少,連線設(shè)計與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場IED設(shè)備時,無需增設(shè)新的電纜,可就近連接在原有的總線電纜上,既節(jié)省了投資,也減少了設(shè)計、安裝的工作量。據(jù)有關(guān)典型試驗工程的測算資料,可節(jié)約安裝費用 60 %以上。
c、節(jié)省維護開銷。由于現(xiàn)場控制設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力,并通過數(shù)字通訊將相關(guān)的診斷維護信息送往控制室,運行維護人員可以查詢所有間隔層設(shè)備的運行,診斷維護信息,以便早期分析故障原因并快速排除?？s短了維護停工時間,同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化,連線簡單而減少了維護工作量。
d、用戶具有高度的系統(tǒng)集成主動權(quán)。用戶可以自由選擇不同廠商所提供的設(shè)備來集成變電站自動化系統(tǒng)。避免因選擇了某一品牌的產(chǎn)品被“框死”了設(shè)備的選擇范圍,不會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展,使變電站自動化系統(tǒng)集成過程中的主動權(quán)完全掌握在用戶手中。
e、提高了變電站自動化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化,與模擬信號相比,它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度,減少了傳送誤差。同時,由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化,設(shè)備與連線減少,現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強: 減少了信號的往返傳輸,提高了變電站自動化系統(tǒng)的工作可靠性。
f、易于實現(xiàn)設(shè)備擴充和產(chǎn)品改型。以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的變電站自動化系統(tǒng),可以很方便地進行擴充和更改。擴充系統(tǒng)時,可將新IED設(shè)備連接在已有的現(xiàn)場總線上,不需要增加任何組件,也不需要考慮現(xiàn)場總線接口是否匹配的問題。對于功能和參數(shù)所進行的修改,可以直接通過現(xiàn)場總線登錄與查詢來實現(xiàn)。因此,降低了實現(xiàn)新的控制策略或產(chǎn)品改型所需要的費用。
4幾種典型的現(xiàn)場總線
a、HART
HART是 Highway Addressable RemoteTransducer(可尋址遠程傳感器高速公路 )的縮寫。1986年由美國 ROSEMOUNT公司開發(fā)的一套過渡性臨時通訊協(xié)議。但目前受到了廣泛承認(rèn) ,已成為事實上的國際標(biāo)準(zhǔn)。
●HART協(xié)議以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO)開放性系統(tǒng)互連模型 (OSI)為參照 ,使用 OSI的 1、2、7三層 ,即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層。物理層采用基于Be11202通信標(biāo)準(zhǔn)的 FSK技術(shù) ,所以可以通過租用電話線進行通信。
●HART協(xié)議使用 FSK技術(shù)在 4~ 2mA過程測量模擬信號上疊加一個頻率信號。邏輯1為1200Hz,邏輯0為2200Hz,波特率為1200bps。它成功地使模擬和數(shù)字雙向信號能同時進行而且互不干擾。因此在與智能化儀表通信時 ,還可使用模擬儀表、記錄儀及模擬控制。在不對現(xiàn)場儀表進行改造的情況下 ,逐步實現(xiàn)數(shù)字性能 (包括數(shù)字過程變量 ),是一種理想的方案。這是一個由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)過渡的協(xié)議。
●在應(yīng)用層規(guī)定了3類使命 ,第一類是通用命令 ,這是所有設(shè)備都能理解、執(zhí)行的命令; 第二類是一般行為命令 ,它所提供的功能可以在許多現(xiàn)場設(shè)備中實現(xiàn); 第三類為特殊設(shè)備命令,以便在某些設(shè)備中實現(xiàn)特殊功能,這類命令可以允許開發(fā)此類設(shè)備的公司所獨有。此外它還為用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備描述語言DDL。
●HART支持點對點、主從應(yīng)答方式和多點廣播方式。
●直接通信距離: 有屏蔽雙絞線單臺設(shè)備3000m,而多臺設(shè)備互相距離1500m。只使用一個電源時,能連結(jié)15個智能化設(shè)備。
b、CAN
CAN是 Controller Area Network(控制器局域網(wǎng)絡(luò) )的縮寫。這是由德國BOSCH公司開發(fā)的控制局域網(wǎng)絡(luò),是一種具有很高可靠性、支持分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它最初是用于汽車內(nèi)部大量控制測量儀器、執(zhí)行機構(gòu)之間數(shù)據(jù)交換的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議?，F(xiàn)在已逐步發(fā)展到其他工業(yè)部門的控制,其中包括機械制造、數(shù)控機床、醫(yī)療器械、建筑管理監(jiān)控、變電站自動化設(shè)備的監(jiān)控等。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC22技術(shù)委員會已制訂了CAN協(xié)議的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS1 1 898(通信速率= 1Mbps),ISO/DIS11519(通信速率=125Kbps)。在現(xiàn)場總線中,目前是唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。Intel、Philips、Motorola等芯片廠商均生產(chǎn)CAN總線芯片產(chǎn)品。在我國也有 HAPCAN等系列產(chǎn)品推出，國內(nèi)電力系統(tǒng)廠商自行研制的全分散型變電站綜合自動化系統(tǒng)DISA2，DISA3即采用CAN總線。長沙電業(yè)局天頂220kV變電站自動化系統(tǒng)中的ABB RTU560的內(nèi)部總線亦是采用的CAN總線。
●CAN協(xié)議實現(xiàn) ISO/ OSI模型的 1、2兩層。物理層定義了傳送過程中的所有電氣特性; 目標(biāo)層和傳輸層包括了ISO/OSI定義的數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。目標(biāo)層的功能包括確認(rèn)哪個信息是要發(fā)送的 ,確認(rèn)傳送層接收到的信息并為之提供接口。傳送層的功能包括幀組織、總線仲裁、檢錯、錯誤報告、錯誤處理等。
●CAN可以點對點、一點對多點 (成組)及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù),可以多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點發(fā)送信息,可以方便地構(gòu)成多機備份系統(tǒng)。
●網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點可以定義不同的優(yōu)先級以滿足不同的實時要求,CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù) ,當(dāng)兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送信息時 ,優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)傳送 ,而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳
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