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寧康紅，鄭凌蔚，舒乃秋

1  引言
隨著計算機網絡技術的飛速發展，集計算機、通信、超大規模集成電路、儀表和測試、過程控制技術于一體的現場總線技術也得到了迅猛的發展。加之現場總線適應了控制系統向分散化、網絡化、智能化發展的方向，給自動化系統的最終用戶帶來更大的實惠和方便。自其出現之日起，就受到廣泛關注，迅速成為世界范圍內控制技術的熱點，并成為多學科交叉領域的一個熱門研究課題。
現場總線技術給儀表和自動化領域帶來了深刻的影響，特別是用數字信號取代4～20mA的模擬信號和控制功能向現場的下移，使得傳統的控制系統結構發生了根本性的變革。現場總線技術也為電力系統領域的分散式、開放式、智能式的自動化系統的設計和實現提供了新的途徑和方法，也必將在電力系統的各個方面獲得廣泛的應用。
2  現場總線的概述
2.1  現場總線的定義
按照國際電工委員會IEC/ SC65C的定義，現場總線是“安裝在生產過程區域的現場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統之間的一種串行、數字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網絡”[1]。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，實現信息互換，共同完成自動控制功能的網絡系統與控制系統，是計算機控制與通訊技術結合的產物，是新一代全數字、全分散和全開放的現場控制系統。它的本質含義表現在以下六個方面：現場通信網絡、現場設備互聯、互操作性、分散功能塊、通信線供電和開放式互聯網絡。
因此，現場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數字化網絡技術。
2.2  現場總線的特點
簡單地概括現場總線技術的特點就是信號傳輸全數字、控制功能全分散、標準統一全開放、互操作性強、費用低等[2]。具體概述為：
(1)  數字化的信號傳輸：使用數字化通信完成對現場設備的聯絡和控制，在網絡通信中采用信息防撞與糾錯技術，實現了高速及雙向多點之間的可靠通信。
(2)  功能轉移：廉價的智能化現場設備的普及與基于現場的微處理器及標準數字通訊鏈路的發展相互促進，促使簡單的控制任務遷移到控制現場，能夠處理PID算法和控制邏輯的現場微處理器接管了大部分簡單的控制任務。
(3)  方便的互操作性：現場總線技術強調“互聯”和“互操作性”。實現真正的“即接即用”，即所謂互操作性。這樣，用戶也能自由地集成現場總線控制系統，從而極大的方便了用戶。
(4)  開放的互聯網絡：現場總線為開放式互連網絡，既可與同層網絡互連，也可與不同層網絡互連，不同制造商的網絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣。
(5)  多種傳輸媒介和拓撲結構：現場總線技術由于采用數字通信方式，因此可采用多種傳輸介質進行通信。根據控制系統中節點的空間分布情況，可采用多種網絡拓撲結構。這種多樣性給自動化系統的施工帶來了極大的方便。
(6)  簡化結構降低費用：現場總線技術由于采用智能儀表和總線傳輸方式，可以減少大量的隔離器，端子框及電纜等，從而降低系統復雜程度，節省施工費用。
2.3  現場總線的種類
由于現場總線的國際標準尚未建立，所以各種總線技術風起云涌，各具特色。盡管IEC經過長達15年的努力，推出了由IEC61158TS(H1)、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE(H2)、SwiftNet、WorldFIP和Interbus八個部分組成的現場總線標準IEC61158，但離一個標準的目標有很大差距，并沒有真正解決統一成單一現場總線的問題。與此同時，出于生產和商業的需要，諸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些實力雄厚的總線產品也獲得了廣泛的應用。現主要介紹一下在電力系統中用的較多的幾種總線技術。
2.3.1  基金會現場總線(FF)[3]
FF(Foundation FieldBus)是以美國Fisher-Rosemount公司為首的80多家公司制定的ISP協議和以Honeywell公司為首的150多家公司制定的World FIP協議在1994年合并成立的FF基金會。FF以ISO/OSI參考模型為基礎，取其物理層、鏈路層、和應用層為FF通信模型的相應層次，并在此基礎上增加了用戶層。FF分為低速現場總線H1和高速現場總線H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離為1.9km，并且支持總線供電和本質安全性；H2的傳輸速率可為1M和1.5Mbps兩種，通信距離分別為0.5km和0.75km。
FF總線具有一定的權威性、廣泛性和公正性，因而在電力實驗系統、化工、廢水處理、油田等過程自動化領域獲得廣泛應用。
2.3.2  PROFIBUS總線
PROFIBUS( Process Field Bus)即過程現場總線技術是以德國SIEMENS為主的10多家公司共同推出，1996年3月被批準為歐洲標準，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS組成PROFIBUS系列。DP用于設備級控制系統與分散式I/O通信，傳輸速率為9.6Ｋbps～12Mbps，傳輸距離12Mbps為0.1km，1.5Mbps為0.4km；PA用于過程自動化，并有本質安全區域，傳輸速率為31.25Kbps；FMS用于生產車間級的監控網絡，執行數據量較大的數據交換。
PROFIBUS總線技術應用于電力、制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通等自動化領域。
2.3.3  LonWorks總線
LonWorks(Local Operating Network)是美國Echelon公司推出的、具有強勁實力的現場總線技術，它采用的LonTalk協議被封裝在稱為Neuron神經元芯片而得以實現。它采用ISO/OSI模型的全部七層通訊協議及面向對象的設計方法，通過網絡變量把網絡通信簡化為參數設置，其通信速率范圍為3Kbps～1.5Mbps，直接通信距離可達2.7km。Lon Works網絡包括現場控制節點(這些節點可以是直接采用神經元芯片作為通信的處理器和測控處理器，也可以是基于神經元芯片的HostBase節點)、通信介質和通信協議。
Lonworks總線應用廣泛，主要包括樓宇自動化、數據采集、SCADA系統、變電站自動化系統、家庭自動化、保安系統等領域。
2.3.4  CAN總線[4]
CAN(Controller Area Network)即控制器局域網絡。最初是由德國的BOSCH公司為解決1994年6月控制與測試儀器間的數據交換而開發出的一種串行數據總線。已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準ISO11898和ISO11519。CAN總線的最大特點是廢除了傳統的站地址編碼，采用這種方法的優點是可使網絡內的節點個數在理論上不受限制。CAN總線仍遵循ISO/OSI的標準參考模型。分為物理層、數據鏈路層和應用層。通信速率高達1Mbps/40ｍ，直接傳輸距離最遠可達5Kbps/10km，可掛接110個設備。
CAN總線主要應用于電力、汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統和分散型I/O，另外，在電梯、醫療器械、工具機床和樓宇自動化等場合也有應用。
2.4  現場總線的關鍵技術[5]
現場總線技術有賴于以下技術的發展：
(1)  ASIC(專用集成電路) 儀表專用的大規模集成電路是現場儀表智能化，系統硬件小型化和軟件化的基礎。
(2)  現場設備智能化 智能化的儀表和閥門除其原有功能之外，還以軟件的形式實現了控制、運算、通訊等功能。
(3)  微型計算機技術
(4)  通訊技術 有賴于建立統一的總線和網絡的通訊標準。
(5)  OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對象鏈接嵌入技術) OLE和OPC都是微軟公司開發的通用軟件，用于實現系統間的數據共享，使得客戶應用程序能夠用一致的方式從現場設備中讀取數據。
3  現場總線在電力系統的具體應用
現場總線技術發展至今，其應用范圍已涵蓋了工業生產和社會生活的各個領域，顯示了強大的生命力。考慮到電力系統環境特殊，需要一種可靠、實時性強、容易操作的測控網，并且應能把上層的管理網和前端的測控網連接起來。再結合現場總線技術的特點和應用場合，主要用于低層設備通信的現場總線在變電站、電廠和配電開關電器中都獲得了很好的應用。這對利用現有設備，進一步提高電網經濟效益，都有十分重要的意義。
3.1  基于現場總線的變電站自動化系統
變電站自動化系統是90年代發展起來的多專業綜合技術，是電網運行管理中的一次變革[6]，是當代電網發展的必然趨勢。
隨著變電站內繼電保護、監測、控制、計量和事故記錄等領域使用基于微處理機的智能電子器件(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)越來越廣泛，傳統的RS485或BITBUS的通信方式已不能滿足提高變電站自動化水平的要求。現場總線以其獨特的優勢在變電站自動化中進行通信聯系已是必然趨勢。
目前，國內外已有許多廠家開發出基于CAN和LonWorks總線的變電站自動化控制系統，取得了良好的效果。如我國的四方公司在1993年已推出基于LonWorks總線的CSC2000型變電站綜合自動化系統，并已在珠海、嘉興和西安等地的220kV及110kV的變電站投入運行。山東工業大學與美國 Hathaway公司合作設計的 FJKB-900分散式電力監控保護器就是一個以LonWorks技術為基礎的集測量、控制、保護系統為一體的裝置。它作為配電自動化系統中的柱上 RTU(遠程終端單元)和變電站自動化系統中的前沿控制機，已在美國許多地方的電力公司投入運行，我國山東恒臺電業局也引入了此裝置。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型變電站控制系統中使用LON總線，更新了原有SPA總線。美國的iIex System Inc公司亦生產采用LonWorks現場總線的變電站自動化系統，其集成節點為串口節點，具有豐富的通信規約，可以與不同廠家、不同網絡的智能電子儀表（IED）相連。也有按實際情況采用RS485和現場總線等多種通信方式，即對數據量小、實時性要求不高的現場設備使用RS485，而對實時性要求高的現場設備使用現場總線。例如，南瑞集團開發的 BJ系列變電站綜合自動化系統就是采用多種通信方式。
3.2  基于現場總線的智能化配電與控制系統
帶有總線接口的開關電器的出現，使得進行智能化配電成為現實。智能化配電與控制系統就是用現場總線把許多帶有通信接口的開關電器和控制設備與計算機連接起來，由計算機實現遙控、遙測、通信的新型配電與控制系統。智能化配電與控制系統一般由主控制器（PLC、PC機等）、通信網絡、智能化開關電器和控制設備三大部分組成。
現階段成熟的產品有西屋公司的IMPACC (Integrated Monitoring Protection and Controlled Communication)系統[7]。該系統采用Modbus現場總線技術，可以連接達1000個匹配設備，通信距離可達2300m（雙絞線），系統擴容簡便“即插即用”。IMPACC系統擁有多種可通信智能化控制器及儀表，這些匹配儀表都內置有INCOM芯片，該芯片能直接與IMPACC系統總線相連完成雙向通信功能。IMPACC系統通過現場或遠離現場的中央控制室來實現對設備和元件的檢測、保護和控制通信。通過現有的各種軟件，操作人員可以得到各種監測數據，并根據自己的安全等級對設備進行控制。IMPACC系統主要特點有：完善的監測、控制能力；具有故障預警、關時報警、維護報警及故障診斷信息；先進的電能管理系統等。
另外，ABB公司基于LonWorks總線的INSUM系統也很成熟，使得智能化配電與控制已經在電力系統中發揮很大的作用。
3.3  基于現場總線的供電和電業管理系統的展望
隨著市場競爭的加劇，企業為提高經濟效益，增強競爭力，需要進行生產經營的整體優化，把生產過程、企業管理、市場營銷等各個環節組織為一個系統，從全局角度制定各功能層次的實施策略，實現一體化目標下的綜合自動化。
以往主要應用在電廠熱控系統及對其他輔助系統和設施的監控中的DCS由于技術上的原因，使得現場設備監控的實時性及現場測控網絡的數據傳送和管理難以滿足復雜的電業管理的需要，從而造成大多數電廠的控制系統和生產管理系統分離的局面。現場控制系統FCS的出現，真正實現了分布式控制，使控制系統的結構發生了根本的變化。由于控制功能的下移，一般的控制功能可在智能變送器和智能執行器間完成。復雜的控制功能和連鎖控制功能可通過插卡上的CPU或現場控制站上的CPU完成。一些原由上位機完成的高級應用軟件也可由FCS來完成。加上設備級的現場總線測控網絡的實時性和可靠性得以滿足，這就促進了企業管理功能和過程控制功能的融合，使得一體化目標下的綜合自動化成為可能。不久的將來，企業網絡可能將逐步過渡到完全的 Internet與現場總線的集成化結構，實現從現場測控到企業內部信息系統的集成化以及與企業外部信息連通的集成化。
4  結語
現場總線采用網絡技術、微處理等先進技術實現現場設備的智能化、通訊數據化，開創了自動化系統的新紀元。
本文指出在電力系統的各個方面不僅采用現場總線通訊技術，關鍵是用新一代的現場總線控制系統代替傳統的分散控制系統，實現通訊網絡與控制系統的集成，并對現場總線技術在供電和電業管理系統中的應用進行了展望。其最終的形式就是形成一個全數字化、全分散式、全開放、可互操作和開放式的新一代電力自動化系統。

參考文獻：
[1]  陽憲惠. 現場總線技術及其應用[M]. 北京：清華大學出版社, 1999.
[2]  白焰, 吳鴻, 楊國田.分散控制系統與現場總線控制系統―基礎、評選、設計和應用[M]. 北京：中國電力出版社, 2001.
[3]  Bradshaw A T. Field bus foundation or foundation field[J].Honey Well Journal,1997(6):117-189.
[4]  鄔寬明. CAN總線原理和應用設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社, 1996.
[5]  林錦國. 過程控制―系統?儀表?裝置[M].南京：東南大學出版社, 2001.
[6]  和正友, 錢清泉, 劉學軍. 基于Lon Works技術的變電站自動化系統[J]. 電力自動化設備, 2000,20(4):28-30.
[7]  李光輝, 繆希仁. 現場總線技術及在低壓電器領域中的應用 [J].電工技術雜志, 2001(2):27-31.