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摘要：現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題，也將成為電力系統(tǒng)的主流通訊控制技術(shù)。現(xiàn)場總線技術(shù)的迅猛發(fā)展正在給工業(yè)測控領(lǐng)域帶來深刻變革。本文結(jié)合當(dāng)今現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對影響現(xiàn)場總線應(yīng)用的關(guān)鍵因素作了深入的分析。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線; 智能現(xiàn)場設(shè)備；OPC; 以太網(wǎng)；無線現(xiàn)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(jì)是信息化的時代，以信息化帶動工業(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)用于過程自動化和制造自動化領(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，在今后一段時間內(nèi)將會形成多種總線并存、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)。或者說，現(xiàn)場總線是以單個分散的、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)自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。現(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。現(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)時控制系統(tǒng)，包括電網(wǎng)自動發(fā)電控制系統(tǒng)及支持其運(yùn)行的調(diào)度自動化系統(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化系統(tǒng)，電網(wǎng)繼電保護(hù)及安全自動裝置，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)場總線是將自動化最底層（基礎(chǔ)和過程自動化層）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。現(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、遙視及綜合自動化提供了可能。現(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)的自動化水平，而且對各部門實(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，同時多類型現(xiàn)場總線的使用又使得整個控制系統(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，下面對影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的幾個關(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。現(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。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，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、智能化電動機(jī)保護(hù)器和起動器，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系統(tǒng)中。中繼器將兩個網(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，是推動現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個前提條件。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，但對于一個設(shè)備提供能對不同標(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)自動化綜合控制系統(tǒng)如變電站自動化領(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)備級和過程管理級進(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，對于實(shí)現(xiàn)電力自動化系統(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)零散地分布在一個較大范圍內(nèi)。對由他們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來說，單個節(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)連接的對象，需要用無線通信實(shí)現(xiàn)傳感器信號或控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，在易腐蝕、強(qiáng)電等危險環(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)境下的諸如移動對象，危險環(huán)境對象與傳統(tǒng)的有線連接對象之間的符合實(shí)時要求的、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)時傳輸互不干擾的要求。基于以太網(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)時性、可靠性和安全性為主，才能切實(shí)可行地推動現(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)，對現(xiàn)場總線在電力行業(yè)中應(yīng)用幾個關(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，對現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用有深遠(yuǎn)的影響。總之，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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