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摘要：現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)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(chǎng)總線技術(shù)的迅猛發(fā)展正在給工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域帶來(lái)深刻變革。本文結(jié)合當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)影響現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線; 智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；OPC; 以太網(wǎng)；無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)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(shí)代，以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，以工業(yè)化促進(jìn)信息化是大勢(shì)所趨。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是20世紀(jì)80年代末90年代初發(fā)展起來(lái)的應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)。以現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)總線技術(shù)存在許多不足，現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)過(guò)多，在今后一段時(shí)間內(nèi)將會(huì)形成多種總線并存、相互競(jìng)爭(zhēng)共同發(fā)展的格局。不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備均配有專用的通信協(xié)議,無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息的無(wú)縫集成。本文分析了當(dāng)今現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，包括智能儀表智能現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線特點(diǎn)

    現(xiàn)場(chǎng)總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的產(chǎn)物。它是用于現(xiàn)場(chǎng)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(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線是以單個(gè)分散的、數(shù)字化、智能化的測(cè)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(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，并實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和故障診斷。

3  現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)應(yīng)變能力和競(jìng)爭(zhēng)能力，以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的綜合信息系統(tǒng)，即以現(xiàn)場(chǎng)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(lái)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(shí)控制系統(tǒng)，包括電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)及支持其運(yùn)行的調(diào)度自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)，電網(wǎng)繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置，電力市場(chǎng)技術(shù)支持系統(tǒng)等。
    以現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線是將自動(dòng)化最底層（基礎(chǔ)和過(guò)程自動(dòng)化層）的現(xiàn)場(chǎng)控制器和現(xiàn)場(chǎng)智能儀表設(shè)備互連的實(shí)時(shí)控制通訊網(wǎng)絡(luò)，作為電廠網(wǎng)絡(luò)底層的現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。將現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)化提供了可能。現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)化水平，而且對(duì)各部門(mén)實(shí)現(xiàn)"無(wú)人值班、少人值守"具有一定的意義。
    但是由于現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的電力綜合信息系統(tǒng)面臨著在不同的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下需要使用不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線的問(wèn)題，同時(shí)多類型現(xiàn)場(chǎng)總線的使用又使得整個(gè)控制系統(tǒng)顯得相當(dāng)混亂，而且現(xiàn)場(chǎng)總線類型的選擇本身也是個(gè)棘手的問(wèn)題。為了現(xiàn)場(chǎng)總線能在我國(guó)的電力行業(yè)得到更加廣泛的應(yīng)用，下面對(duì)影響現(xiàn)場(chǎng)總線在電力系統(tǒng)應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(chǎng)設(shè)備
    現(xiàn)場(chǎng)總線的出現(xiàn)給人們帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，但目前具備現(xiàn)場(chǎng)總線通信能力的智能電力現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備品種還不夠多，過(guò)渡時(shí)期雖然可通過(guò)接口和常規(guī)設(shè)備聯(lián)接，但也失去了現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)。價(jià)格和常規(guī)設(shè)備相近的品種豐富的智能總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備既是廣泛使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的條件和動(dòng)力，也是廣泛使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)導(dǎo)致的結(jié)果。新一代的電力總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將向著高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的趨勢(shì)發(fā)展。日益發(fā)展的IT技術(shù)也使電力現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guò)對(duì)軟件的改進(jìn)，必將使電力現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，智能變送器送出符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議規(guī)定的數(shù)字信號(hào)。變送器不僅有檢測(cè)、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(chǎng)總線傳過(guò)來(lái)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)處理后直接控制生產(chǎn)過(guò)程。智能化斷路器如智能化萬(wàn)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(dòng)機(jī)保護(hù)器和起動(dòng)器，這種電器都和一定的現(xiàn)場(chǎng)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(gè)系統(tǒng)中。中繼器將兩個(gè)網(wǎng)段透明的連接起來(lái)，達(dá)到延長(zhǎng)通信距離的目的。連接接口卡實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，是推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線在電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的一個(gè)前提條件。設(shè)備生產(chǎn)廠商首先面臨的是攻克現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)壁壘。大力開(kāi)發(fā)高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)設(shè)備的技術(shù)壁壘
    電力現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題。電力現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，對(duì)于單獨(dú)的現(xiàn)場(chǎng)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(cuò)誤檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)這么多的功能，必然會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一和產(chǎn)生設(shè)備的兼容性問(wèn)題，這也是目前現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)狀和亟待解決的問(wèn)題之一。從設(shè)備生產(chǎn)廠商的角度來(lái)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(duì)于一個(gè)設(shè)備提供能對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)的支持需要在前期開(kāi)發(fā)中大量的資源投入。比較理想的解決方案是對(duì)這些不同的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（應(yīng)用于不同的環(huán)境和場(chǎng)合）在設(shè)備級(jí)提供一種通用的開(kāi)放的接口，開(kāi)放系統(tǒng)互連模型是現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)壁壘。
4.3  多種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線的無(wú)縫集成
    雖然現(xiàn)場(chǎng)總線已經(jīng)在電力系統(tǒng)自動(dòng)化綜合控制系統(tǒng)如變電站自動(dòng)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(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn),因此有必要集成各種現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線的集成問(wèn)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(kāi)發(fā)能夠連接其現(xiàn)場(chǎng)總線的接口。OPC技術(shù)是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)和過(guò)程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的開(kāi)放接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，它為不同的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)間提供了一個(gè)通用的OPC接口。不同類型的現(xiàn)場(chǎng)總線可以通過(guò)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(chǎng)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(jiǎn)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(chǎng)總線集成的解決方案。通過(guò)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線之間的互操作問(wèn)題,使其協(xié)同工作，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力自動(dòng)化系統(tǒng)的信息集成具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
4.4  無(wú)線通信技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線的集成
    電力工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)較大范圍內(nèi)。對(duì)由他們組成的工業(yè)控制底層網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，單個(gè)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(jiǎn)單，但實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高。
    但在電力工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中還有許多無(wú)法靠"有線"方法實(shí)現(xiàn)連接的對(duì)象，需要用無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)或控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，在易腐蝕、強(qiáng)電等危險(xiǎn)環(huán)境中，只能使用無(wú)線通信的方式。因此，研究工業(yè)控制環(huán)境下的無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)是近年來(lái)新的發(fā)展趨勢(shì)，其核心問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線的集成。利用現(xiàn)有的無(wú)線移動(dòng)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(chǎng)總線系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一種在控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層具有無(wú)線移動(dòng)接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)總線，以解決電力環(huán)境下的諸如移動(dòng)對(duì)象，危險(xiǎn)環(huán)境對(duì)象與傳統(tǒng)的有線連接對(duì)象之間的符合實(shí)時(shí)要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數(shù)據(jù)通訊和控制問(wèn)題。

5  現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線和Internet技術(shù)結(jié)合，尤其是TCP/IP結(jié)合起來(lái)。允許在一條總線上同時(shí)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(shí)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(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)，發(fā)展的前景十分誘人。但是在這方面，不能過(guò)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(shí)性、可靠性和安全性為主，才能切實(shí)可行地推動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)總線在電力工業(yè)的發(fā)展。

6  結(jié)語(yǔ)

    本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線在電力行業(yè)中應(yīng)用幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了剖析。攻克現(xiàn)場(chǎng)總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的技術(shù)壁壘，大力發(fā)展智能化總線現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)總線測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是影響現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)控制級(jí)及OPC規(guī)范的普及，無(wú)線通信技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線的集成都是測(cè)控領(lǐng)域中的必然趨勢(shì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線在電力系統(tǒng)的應(yīng)用有深遠(yuǎn)的影響。總之，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電力系統(tǒng)中將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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