智能化配電系統(tǒng)中的多現(xiàn)場總線技術(shù)

一、概述

現(xiàn)場總線是近年來自動(dòng)化領(lǐng)域中發(fā)展很快的互連通信網(wǎng)絡(luò)，具有協(xié)議簡單開放、容錯(cuò)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、安全性好、成本低、適于頻繁交換等特點(diǎn)。目前，國際上各種各樣的現(xiàn)場總線有幾百種之多，統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立。較著名的有基金會(huì)現(xiàn)場總線（FF）、HART現(xiàn)場總線、CAN現(xiàn)場總線、LONWORKS現(xiàn)場總線、PROFIBUS現(xiàn)場總線、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE總線等。

智能化配電系統(tǒng)就是通信網(wǎng)絡(luò)把眾多的帶有通信接口的中、低壓開關(guān)和控制設(shè)備與主計(jì)算機(jī)連接起來，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)集中數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控、集中分析和集中調(diào)度的新型配電系統(tǒng)。智能化配電系統(tǒng)一般由主計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、智能化開關(guān)和控制設(shè)備三部分組成。

從目前國內(nèi)外智能化配電系統(tǒng)所應(yīng)用的現(xiàn)場總線來看，主要有PROFIBUS－DP、MODBUS、LONWORKS等，而FF、HART、CAN等現(xiàn)場總線在智能化配電系統(tǒng)中應(yīng)用則較少。以上系統(tǒng)基本上都是采用單一的現(xiàn)場總線技術(shù)，即整個(gè)智能化配電系統(tǒng)中只采用一種現(xiàn)場總線，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造比較單一。

隨著自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，帶有通信接口的產(chǎn)品應(yīng)用量越來越大，而且隨著用戶對(duì)配電系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點(diǎn)以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在一些工程的智能化配電系統(tǒng)中，采用一種現(xiàn)場總線總線的智能化產(chǎn)品往往不能滿足應(yīng)用的全面要求，多現(xiàn)場總線產(chǎn)品共存于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)已成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問題。

由于多現(xiàn)場總線系統(tǒng)中不同類型的產(chǎn)品均配專用的通信協(xié)議，有的廠家還專門為自己的產(chǎn)品開發(fā)了專用的通信卡、通信控制器等專用設(shè)備，因此，整個(gè)系統(tǒng)中的產(chǎn)品由于通信協(xié)議不同無法直接和主控單元進(jìn)行通信，這嚴(yán)重防礙了用戶的選擇。對(duì)用戶而言,如果在一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中每一種智能化產(chǎn)品均選擇其專用的通信卡或通信控制器，一個(gè)智能化系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，而且在系統(tǒng)進(jìn)行改造或升級(jí)時(shí)，將要花費(fèi)用戶更多的時(shí)間和費(fèi)用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個(gè)重要的研究課題。

二、多現(xiàn)場總線技術(shù)

目前，在一些工程中通常的做法是在某種現(xiàn)場總線的基礎(chǔ)上開發(fā)能連接其他公司現(xiàn)場總線的接口產(chǎn)品。由于現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，多種類型的現(xiàn)場總線枚不勝數(shù)，需要開發(fā)大量的接口產(chǎn)品才能滿足不同工程需要。如果僅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五種著名現(xiàn)場總線為例，要使它們中任意兩種不同現(xiàn)場總線能統(tǒng)一于一個(gè)智能化配電系統(tǒng)中，僅是協(xié)議轉(zhuǎn)換器這種接口產(chǎn)品就要有二十種之多，如果一個(gè)系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，那麻煩則更大。不少企業(yè)，包括一些國際上的大公司為了解決來自不同廠家的產(chǎn)品兼容性問題，都投入了巨大的精力和財(cái)力，但成效甚微。

針對(duì)上述在智能化配電系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實(shí)際問題，我們提出了通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器這種全面的解決方案，通過硬件和軟件的方法共同對(duì)現(xiàn)場總線協(xié)議進(jìn)行處理，解決智能化配電系統(tǒng)中多現(xiàn)場總線的兼容性問題，其目的是為了能將不同現(xiàn)場總線的產(chǎn)品和諧地融入一個(gè)系統(tǒng)中，充分發(fā)揮不同產(chǎn)品的長處，為那些希望使用不同廠家優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的用戶提供更大的靈活性。

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是現(xiàn)場級(jí)的通用通信管理設(shè)備，由它把各個(gè)現(xiàn)場設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備上位機(jī)之間的信息傳遞。由于其是通用性的，只需通過相應(yīng)的CPU及接口電路和軟件就可以完成多種現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信。

三、現(xiàn)場總線協(xié)議控制器

通過多種方案的比較，采用模塊化結(jié)構(gòu)和多CPU工作方式來設(shè)計(jì)通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器。因?yàn)槟K化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，為系統(tǒng)將來的升級(jí)換代帶來便利。

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器主要由底板和插卡組成，其中底板帶有電源以及擴(kuò)展槽和固定支架等，并且系統(tǒng)總線也是在底板,擴(kuò)展槽和底板上的信號(hào)線構(gòu)成。插卡分三種，分別為主控板、協(xié)議板、接口板，其中主控板和協(xié)議板帶CPU。主控板負(fù)責(zé)管理整個(gè)系統(tǒng)以及與上位機(jī)的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機(jī)連接，主控板通過它與上位機(jī)進(jìn)行信息交換，主要包括：管理系統(tǒng)總線，給協(xié)議板和接口板分配系統(tǒng)資源，與協(xié)議板進(jìn)行信息交換，對(duì)來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，等待上位機(jī)提取。協(xié)議板是通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器的關(guān)鍵部分，所有與現(xiàn)場設(shè)備的通信都由它完成。協(xié)議板可以提供多種現(xiàn)場總線協(xié)議，一般一塊協(xié)議板只能進(jìn)行一種現(xiàn)場總線協(xié)議的通信。接口板從屬于某一協(xié)議板，為協(xié)議板提供通信接口。用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，接口種類有RS232、RS422、RS485等。通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器與上位機(jī)以及與現(xiàn)場設(shè)備的通信都采用串行方式，而通信控制器內(nèi)部各插卡之間通過系統(tǒng)總線來完成。其中主控板與各協(xié)議板的通信采用主從式。主控板通過系統(tǒng)總線分別與協(xié)議板進(jìn)行通信，各協(xié)議板之間不能進(jìn)行通信。

通信過程如下：主控板在系統(tǒng)總線上，通過廣播方式發(fā)送協(xié)議板號(hào)來呼叫與之通信的協(xié)議板，每塊協(xié)議板上有協(xié)議板號(hào)識(shí)別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號(hào)相符的協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實(shí)現(xiàn)主控板與協(xié)議板的通信。當(dāng)用戶增加新的協(xié)議設(shè)備時(shí)，不必改動(dòng)硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號(hào)，并在上位機(jī)的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計(jì)算機(jī)即可。協(xié)議板和接口之間的信息傳遞通過系統(tǒng)中的局部總線來完成。

四、應(yīng)用實(shí)例

通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器已經(jīng)在我們最新開發(fā)的CE2000電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中完成，并與多種產(chǎn)品進(jìn)行了通信聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)。系統(tǒng)中的主要產(chǎn)品有：美國西屋公司采用INCOM（MODBUS）通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、德國西門子公司和德國默勒公司采用PROFIBUS－DP通信協(xié)議的智能化產(chǎn)品、南京因泰來公司采用其內(nèi)部通信協(xié)議INTBUS的綜合數(shù)字保護(hù)繼電器產(chǎn)品。

整個(gè)系統(tǒng)由配各種智能化開關(guān)柜的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件包括各種智能化開關(guān)柜、通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器、上位控制計(jì)算機(jī)。軟件由主控程序、通訊界面和人機(jī)界面三部分組成。根據(jù)以上硬件設(shè)備的配置情況，在上位機(jī)上輸入系統(tǒng)配置信息，通過串行口傳遞給控制器主板。主控板將系統(tǒng)配置信息分類傳遞給各協(xié)議板，各協(xié)議板收到系統(tǒng)信息后與所屬硬件設(shè)備進(jìn)行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機(jī)，并通過主控板接受上位機(jī)命令。

五、結(jié)束語

現(xiàn)場總線作為自動(dòng)化領(lǐng)域的一次革命，它的意義和產(chǎn)生的效益是非常巨大的。積極開展各種現(xiàn)場總線技術(shù)的研究和應(yīng)用，特別是加強(qiáng)對(duì)于一些已有成功經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)場總線在智能化配電系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于開關(guān)柜制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費(fèi)，是適合我國國情的一個(gè)實(shí)用的發(fā)展途徑。

CE2000電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)采用多現(xiàn)場總線技術(shù)，全中文操作界面，具有很高的通用性和靈活性以及較低的成本，使其具有非常高的應(yīng)用價(jià)值，可以使用戶方便、靈活地構(gòu)成一個(gè)實(shí)用可靠的智能化配電系統(tǒng)，其優(yōu)良的可擴(kuò)展性使其能夠適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的潮流，滿足不同用戶的需要。