水工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
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2.5幾種有影響的現(xiàn)場總線
2.5.1CAN由德國RobertBasch以及幾個集成電路制造商一起開發(fā)，最初是專門為汽車工業(yè)設(shè)計，后來推廣到各個領(lǐng)域.目前已由ISO/TC22技術(shù)委員會批準(zhǔn)為ISO11898（通信速率小于1Mbps）和ISO11519（通信速率小于等于125kbps）。CAN是現(xiàn)場總線中唯一被批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。值得注意的是一些微處理器的生產(chǎn)商也在微處理器芯片中附加CAN的接口，并且成為一種潮流。而其他現(xiàn)場總線的協(xié)議芯片基本上是以專用的芯片來供應(yīng)，這樣CAN在低成本方面優(yōu)勢明顯，此外CAN技術(shù)在抗干擾技術(shù)方面頗有特色。
2.5.2LONworks（LocalOperationNetwork）局部操作網(wǎng)絡(luò)；1991年3月由美國的Echelon公司推出，是一種“智能網(wǎng)”，核心技術(shù)是節(jié)點由神經(jīng)元芯片（含三個CPU）構(gòu)成，帶有OSI的七層網(wǎng)模型，適應(yīng)面最廣，開發(fā)工具約10－30萬，價格較貴。據(jù)統(tǒng)計產(chǎn)品的40％用于工業(yè)控制，30％用于樓宇自動化。
2.5.3Hart和HCF1986年由Rosemount提出的通訊協(xié)議HART（HighwayAddressableRemoteTransducer,可尋址遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)通路），主要是在4－20mA的DC信號上疊加FSK（FrequencyShiftKeying，頻率調(diào)制鍵控）數(shù)字信號，是現(xiàn)場總線的過渡性協(xié)議，它對于現(xiàn)場總線的形成有重大影響，但是在電器行中發(fā)展的可能性很小。
2.5.4一些可能對電器行業(yè)產(chǎn)生影響的低層次的現(xiàn)場總線：如：Bitbus,Interbus,AS－Interface,DEVICENet,VXL等等。
3.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力，但成效甚微。
隨著自動化技術(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，而且隨著用戶對智能化控制系統(tǒng)可靠性和靈活性的更高要求，加上各現(xiàn)場總線本身的特點以及相關(guān)的產(chǎn)品品種繁多，因此在智能化配電系統(tǒng)工程設(shè)計中，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)品共存于一個智能化控制系統(tǒng)已成為一個現(xiàn)實的問題。
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行通信，這嚴(yán)重防礙智能自動化控制系統(tǒng)設(shè)計中對智能設(shè)備的選擇。對應(yīng)用而言,如果在一個智能化控制系統(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，一個智能化控制系統(tǒng)將變得支離破碎，組態(tài)性和靈活性均較差，使得系統(tǒng)的性能價格比不高，而且在系統(tǒng)進行改造或升級時，將要花費用戶更多的時間和費用。因此，多現(xiàn)場總線技術(shù)在一個智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為一個重要的研究課題。
對于智能化自動化控制領(lǐng)域來說，它的現(xiàn)場總線有一定的特殊性。同時它又不能完全脫離上層現(xiàn)場總線。對于智能化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，特別是過程自動化系統(tǒng)將不得不面對幾個現(xiàn)場總線其原因是：
3.1實際上過程自動化控制系統(tǒng)和高中壓電網(wǎng)控制系統(tǒng)存在各種不同的現(xiàn)場總線。
3.2建筑自動化系統(tǒng)在推廣Lonworks現(xiàn)場總線，用于智能大廈。
3.3FF有國家的大力支持，也許是重要的發(fā)展方向。
3.4CAN的價格優(yōu)勢對低壓電器有很大的吸引力。
3.5Profibus已經(jīng)有了不少應(yīng)用。這是一個需要認(rèn)真考慮的現(xiàn)實。
智能化召開系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)是個多層次的網(wǎng)絡(luò),IEC62026本身就包含各種現(xiàn)場總線。IEC62026明確表示了高層的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)由IEC/SC65C考慮。FCS，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的一個重要的發(fā)展方向是多層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；向下連接低層次的現(xiàn)場總線，智能化控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)需要多層次的網(wǎng)絡(luò)。而智能設(shè)備需要非常靈活地與各種總線、控制對象等的配合控制和交換信息。實現(xiàn)各種總線相互間的轉(zhuǎn)換也是解決現(xiàn)場總線之爭的途徑之一。
目前，在一些工程設(shè)計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，如果一個系統(tǒng)中有三種或三種以上不同現(xiàn)場總線產(chǎn)品，其技術(shù)復(fù)雜程度和管理、維護、擴展等因素都是影響現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用，國際上的個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力，但成效甚微。
針對上述在智能化控制系統(tǒng)開發(fā)中遇到的實際問題，在工程中的解決方案是做一個統(tǒng)一而簡單的子網(wǎng)：一個簡單的子網(wǎng)可能解決自動化控制系統(tǒng)的大部分控制問題。各智能化設(shè)備的各種現(xiàn)場總線接口的配合可以通過相應(yīng)的協(xié)議芯片來解決。統(tǒng)一的子網(wǎng)可能使整個行業(yè)的開發(fā)成本最低，開發(fā)速度最快。為此提出了通用型現(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現(xiàn)場總線協(xié)議進行處理，解決智能化控制系統(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)場級的通用通信管理設(shè)備，由它把各個現(xiàn)場設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)現(xiàn)場設(shè)備與上位機之間的信息傳遞。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，實現(xiàn)與不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備進行通信。
4.現(xiàn)場總線協(xié)議控制器
通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器是采用模塊化結(jié)構(gòu)和多CPU工作方式來設(shè)計的，因為模塊化的結(jié)構(gòu)可以使系統(tǒng)有較強的擴展能力，為系統(tǒng)將來的升級換代帶來便利。
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展槽、固定支架、系統(tǒng)總線、信號線構(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)管理整個系統(tǒng)以及與上位機的通信，通用型現(xiàn)場總線協(xié)議控制器通過RS232接口與上位機連接，主控板通過它與上位機進行信息交換，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)議板進行信息交換，對來自協(xié)議板的數(shù)據(jù)進行處理，等待上位機提取。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)實際情況進行選擇，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)議板進行通信，各協(xié)議板之間不能進行通信。
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)議板號識別電路，只有與發(fā)送的協(xié)議板號相符的協(xié)議板才響應(yīng)主控板，從而實現(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，不必改動硬件，只需在增加的新的協(xié)議板上設(shè)置好協(xié)議板號，并在上位機的組態(tài)中添加相應(yīng)的系統(tǒng)信息存入計算機即可。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。
5.智能化配電系統(tǒng)
智能化配電系統(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、上位控制計算機。軟件由主控程序、通訊界面和人機界面三部分組成。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)備進行通信，將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)主控板傳送到上位機，并通過主控板接受上位機命令。
5.1通訊功能
5.1.1遙訊功能：現(xiàn)場總線協(xié)議控制器向上站機報送斷路器現(xiàn)時的各項保護參數(shù)。
5.1.2遙測：現(xiàn)場總線協(xié)議控制器向上位機報送工作參數(shù)、故障參數(shù)，達到上位機對電力電網(wǎng)系統(tǒng)遙測的目的。
5.1.3遙調(diào)：現(xiàn)場總線控制器接收上位機的遙調(diào)參數(shù)來改變斷路器中智能型脫扣器的保護特性參數(shù)來達到改變電力電網(wǎng)干路參數(shù)設(shè)定值的目的
5.1.4遙控：現(xiàn)場總線控制器接收上位機的控制信號來實現(xiàn)電力電網(wǎng)計算機控制系統(tǒng)的遙控功能。
5.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：
5.2.1數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為一點對多點的由上位機主呼的主從網(wǎng)結(jié)構(gòu)（現(xiàn)場總線型）。
5.2.2通訊方式廣播應(yīng)答方式，半雙工類型
4.2.3硬件接口電路類型：RS－485、RS—232、RS—422接口電器，（具有瞬態(tài)保護或隔離型）
5.2.4通訊線路UTP雙絞線，8芯（4對），五類通訊線，（在干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境或線路與電力線一同敷設(shè)時可選用屏蔽線STP）
5.2.5上位機：中央處理器應(yīng)為586以上。若上位機處于干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境中，則應(yīng)選用工控機機型。
6.結(jié)束語
現(xiàn)場總線作為自動化領(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，特別是加強對于一些已有成功經(jīng)驗的現(xiàn)場總線在智能化控制系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用，對于開電氣設(shè)備制造廠家來說可以避免很多彎路和資源浪費，是適合我國國情的一個實用的發(fā)展途徑。
智能化控制系統(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，使其具有非常高性能價格比，可以使用戶方便、靈活地構(gòu)成一個實用可靠的智能化控制系統(tǒng)，其優(yōu)良的可擴展性使其能夠適應(yīng)通信技術(shù)發(fā)展的潮流，滿足不同用戶的需要。
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