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摘要：現場總線技術是當今自動化領域的熱點話題，也將成為電力系統的主流通訊控制技術。現場總線技術的迅猛發展正在給工業測控領域帶來深刻變革。本文結合當今現場總線在電力系統的應用現狀，對影響現場總線應用的關鍵因素作了深入的分析。
關鍵詞：現場總線; 智能現場設備；OPC; 以太網；無線現場總線

Abstract: Fieldbus technology is a hot topic in auto field today, and it will become the main communication and control technology. The rapid development of fieldbus technology brings about a profound revolution to industrial measure and control field. The paper introduces the current applications for fieldbus technology to electric power system, and probes into some key factors of affecting the applications for fieldbus technology.
Key words: Fieldbus; Intelligent instrument; OPC; Ethernet; Wireless
fieldbus

1  引言

    21世紀是信息化的時代，以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化是大勢所趨。現場總線技術是20世紀80年代末90年代初發展起來的應用于過程自動化和制造自動化領域的現場設備互聯網絡通信技術。隨著通信、計算機、網絡和自動化控制等技術的發展，各行業正逐步形成以網絡集成自動化系統為基礎的企業信息系統。以現場總線為基礎的綜合控制系統在電力系統得到廣泛的應用。
    現場總線作為順應這種發展潮流而出現的技術目前已經比較成熟。但是現場總線技術存在許多不足，現有的現場總線標準過多，在今后一段時間內將會形成多種總線并存、相互競爭共同發展的格局。不同類型的現場總線設備均配有專用的通信協議,無法實現信息的無縫集成。本文分析了當今現場總線在電力系統的應用現狀，討論了有關影響現場總線在電力系統應用的幾個關鍵問題，包括智能儀表智能現場設備的基礎作用和技術壁壘、工業以太網絡的應用以及OPC技術推廣等。

2  現場總線特點

    現場總線是計算機網絡適應工業現場環境的產物。它是用于現場儀表與控制系統和控制室之間的一種串行、全分散、全數字化、智能、雙向、多變量、多點、多站的通信系統。或者說，現場總線是以單個分散的、數字化、智能化的測量和控制設備作為網絡節點，用總線連接，共同實現自動控制功能的網絡系統與控制系統。現場總線技術與辦公網絡環境下的網絡技術的最大不同點是其實時性和準確性可以得到保證，因此其在工業控制環境中得到了廣泛的應用。現場總線實現了用數字化通信代替4～20mA模擬儀表，將控制功能下放到現場，從而實現了徹底的分散控制，并實現了現場設備的遠程控制和故障診斷。

3  現場總線在電力系統的應用現狀

    為了增加產量、改善管理，提高企業的市場應變能力和競爭能力，以現場總線為基礎的綜合信息系統，即以現場總線為基礎，利用先進的計算機網絡通訊技術、控制技術來實現企業生產信息、控制信息、安全信息和管理信息的集成，在電力系統已經得到廣泛的應用，根據電力企業的特點，有電網運行實時控制系統，包括電網自動發電控制系統及支持其運行的調度自動化系統，火電廠分布控制系統（DCS、BMS、DEH、CCS），水電廠計算機監控系統，變電所及集控站綜合自動化系統，電網繼電保護及安全自動裝置，電力市場技術支持系統等。
    以現場總線為基礎的綜合信息系統一般具有三層系統結構，如圖1所示。

圖1  綜合信息系統的三層系統結構

    現場總線是將自動化最底層（基礎和過程自動化層）的現場控制器和現場智能儀表設備互連的實時控制通訊網絡，作為電廠網絡底層的現場總線對現場環境有較強的適應性。將現場總線引入電力綜合信息系統控制系統，不僅使安裝、調試、維護更加容易，而且提高了系統的可靠性。現場總線的分散化，有效地降低了系統的故障率，并為電力系統的實現遙控、遙視及綜合自動化提供了可能。現場總線在電力系統各綜合信息系統的應用，大大節約了投資，而且使監控系統更加分散，不但提高了電力系統的自動化水平，而且對各部門實現"無人值班、少人值守"具有一定的意義。
    但是由于現場總線的功能單一和實現標準的不統一，基于現場總線的電力綜合信息系統面臨著在不同的現場環境下需要使用不同類型的現場總線的問題，同時多類型現場總線的使用又使得整個控制系統顯得相當混亂，而且現場總線類型的選擇本身也是個棘手的問題。為了現場總線能在我國的電力行業得到更加廣泛的應用，下面對影響現場總線在電力系統應用的幾個關鍵問題進行討論。

4  關鍵因素分析

4.1  更豐富的電力智能現場設備
    現場總線的出現給人們帶來了機遇與挑戰，但目前具備現場總線通信能力的智能電力現場設備品種還不夠多，過渡時期雖然可通過接口和常規設備聯接，但也失去了現場總線的本質優點。價格和常規設備相近的品種豐富的智能總線現場設備既是廣泛使用現場總線技術的條件和動力，也是廣泛使用現場總線技術導致的結果。新一代的電力總線現場設備將向著高度智能化、網絡化、柔性化的趨勢發展。日益發展的IT技術也使電力現場設備高度智能化成為可能。各種專用芯片的設計及應用，將應用程序和操作系統與計算機硬件集成在一起的嵌入式專用系統，及與虛擬儀器技術的結合，已成為現場設備智能化的新途徑。將模糊控制、神經網絡、專家系統等智能理論融入其中，通過對軟件的改進，必將使電力現場設備的智能化程度更高，為實現真正的分散控制提供有力的保障。
    電力系統的現場總線現場設備包括智能化儀器儀表控制器和網絡連接設備如智能變送器、智能執行器、智能控制調節、智能化斷路器、帶通信接口的變頻器、網橋、中繼器、連接接口卡等。現場總線控制系統中，智能變送器送出符合現場總線協議規定的數字信號。變送器不僅有檢測、變換和補償功能，而且還有運算和PID運算功能。智能執行器接受現場總線傳過來的數字信號，經處理后直接控制生產過程。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、智能化電動機保護器和起動器，這種電器都和一定的現場總線相連接。網橋完成總線轉換，將不同總線集成于一個系統中。中繼器將兩個網段透明的連接起來，達到延長通信距離的目的。連接接口卡實現現場總線與監控設備等的連接。
    研制更多適合電力行業特點的現場總線現場設備，是推動現場總線在電力系統廣泛應用的一個前提條件。設備生產廠商首先面臨的是攻克現場總線現場設備的技術壁壘。大力開發高度智能化、網絡化、柔性化的現場設備是推動現場總線技術發展的基礎工作。
4.2  攻克電力智能現場設備的技術壁壘
    電力現場總線現場設備面臨的是標準的不統一和產生設備的兼容性問題。電力現場總線現場設備，對于單獨的現場總線，它既規定線路，又規定如何有效使用這種線路，還要提供錯誤檢測和修復功能，它還是一種應用協議以及規定如何使用網絡的應用別名。但是由于是在復雜的網絡環境下使用單一的協議來實現這么多的功能，必然會導致標準的不統一和產生設備的兼容性問題，這也是目前現場總線的現狀和亟待解決的問題之一。從設備生產廠商的角度來看，他們希望他們的產品能夠通用于各種不同的系統中，但對于一個設備提供能對不同標準的支持需要在前期開發中大量的資源投入。比較理想的解決方案是對這些不同的工業網絡（應用于不同的環境和場合）在設備級提供一種通用的開放的接口，開放系統互連模型是現場總線技術的基礎，是現場總線現場設備的技術壁壘。
4.3  多種類型的現場總線的無縫集成
    雖然現場總線已經在電力系統自動化綜合控制系統如變電站自動化領域有了不少成功的應用經驗，但卻包括了LonWorks、CAN、Profibus等多種互不兼容的現場總線標準,因此有必要集成各種現場總線系統，使其協同工作。為了解決同一控制系統中多種現場總線的集成問題，在一些工程中通常是利用某種標準技術（如OPC技術等）開發能夠連接其現場總線的接口。OPC技術是現場設備級和過程管理級進行信息交互的開放接口標準和技術規范，它為不同的現場總線控制網絡間提供了一個通用的OPC接口。不同類型的現場總線可以通過運用OPC技術，間接地實現信息的交互。這確實也是現今解決因多種現場總線標準不同而造成總線互操作極其困難的較佳方法之一，因而，這就使工業通信網絡橫向和縱向集成的實現變得簡單。目前在電力系統已提出了一種基于交換式以太網技術的多現場總線集成的解決方案。通過以太網與現場總線在更底層的結合，使得控制系統體系結構更加扁平化。如何較好的解決電力工業企業現存的不同種類現場總線之間的互操作問題,使其協同工作，對于實現電力自動化系統的信息集成具有重大的現實意義。
4.4  無線通信技術與現場總線的集成
    電力工業生產現場存在大量傳感器、控制器、執行器等，他們通常相當零散地分布在一個較大范圍內。對由他們組成的工業控制底層網絡來說，單個節點面向控制的信息量不大，信息傳輸的任務比較簡單，但實時性、快速性的要求較高。
    但在電力工業現場環境中還有許多無法靠"有線"方法實現連接的對象，需要用無線通信實現傳感器信號或控制數據的傳輸。另外，在易腐蝕、強電等危險環境中，只能使用無線通信的方式。因此，研究工業控制環境下的無線數據通信技術是近年來新的發展趨勢，其核心問題是如何實現無線通信技術與現場總線的集成。利用現有的無線移動通訊技術，在計算機網絡通訊技術的支持下，結合現有的現場總線系統，實現一種在控制系統的現場設備層具有無線移動接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無線現場總線，以解決電力環境下的諸如移動對象，危險環境對象與傳統的有線連接對象之間的符合實時要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數據通訊和控制問題。

5  現場總線與Internet的連接前景

    隨著以太網絡在工控領域的逐步興起，要將現場總線和Internet技術結合，尤其是TCP/IP結合起來。允許在一條總線上同時傳遞兩種不同性質的信息，完全滿足Internet傳輸和控制信息的實時傳輸互不干擾的要求。基于以太網絡的 I/O模塊大量出現，可以直接和以太網絡連接，如果在模塊內部嵌入WEB服務器，還可以通過瀏覽器直接訪問，發展的前景十分誘人。但是在這方面，不能過分追求高新，而要結合電力行業的特點，以實用性、實時性、可靠性和安全性為主，才能切實可行地推動現場總線在電力工業的發展。

6  結語

    本文從實際應用角度出發，對現場總線在電力行業中應用幾個關鍵問題進行了剖析。攻克現場總線現場設備的技術壁壘，大力發展智能化總線現場設備是現場總線測控系統的基礎問題，也是影響現場總線在電力系統廣泛應用的關鍵因素之一，要給現場予高度重視，并加大投入和研究的力度。將以太網絡引入到現場控制級及OPC規范的普及，無線通信技術與現場總線的集成都是測控領域中的必然趨勢，對現場總線在電力系統的應用有深遠的影響。總之，現場總線技術在電力系統中將發揮越來越重要的作用。

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