CAN總線及其在水電站自動(dòng)化的應(yīng)用

1. 引言：

　　水電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（包括電站機(jī)組、變壓器、廠變、公共設(shè)備等的保護(hù)、檢測(cè)、控制等）是電站安全、優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行的重要保證。隨著計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，性能先進(jìn)，運(yùn)行可靠穩(wěn)定的電站微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)得到廣泛的應(yīng)用。逐步替代了傳統(tǒng)的繼電保護(hù)與自動(dòng)化設(shè)備。微機(jī)保護(hù)與常規(guī)繼電保護(hù)的根本區(qū)別在于其實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，即通過(guò)對(duì)主設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參量的實(shí)時(shí)、快速數(shù)字處理，完成故障診斷、保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)國(guó)家有關(guān)大力發(fā)展中小型水電站建設(shè)，西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略，本文吸取當(dāng)今先進(jìn)的電站設(shè)計(jì)思想，在分析相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)、資料的基礎(chǔ)上提出了一種利用當(dāng)今先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC技術(shù)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。確保復(fù)雜的機(jī)組啟?？刂疲儔浩鞅Ｗo(hù)等系統(tǒng)得以可靠的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)以模塊化的設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)功能的靈活擴(kuò)充。該系統(tǒng)適合中小型水電站，系統(tǒng)的功能層次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先對(duì)當(dāng)今的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)之一CAN總線進(jìn)行了概述。其次對(duì)利用上述先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的功能特性加以分析和說(shuō)明。

2. CAN總線及其特性

　　現(xiàn)場(chǎng)總線作為一個(gè)發(fā)展熱點(diǎn)，它的出現(xiàn)將對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化帶來(lái)革命，從而開始工業(yè)控制的新紀(jì)元。但眾多的現(xiàn)場(chǎng)總線往往使生產(chǎn)者和用戶無(wú)所適從。是否已納入IEC標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的開放性，技術(shù)能否得到有力的支持，價(jià)格是否有競(jìng)爭(zhēng)力等已成為人們選用何種總線的主要依據(jù)。由于CAN總線具有通信速率高，可靠性高，連接方便和性能價(jià)格比高等諸多特點(diǎn)，推動(dòng)其應(yīng)用開發(fā)的迅速發(fā)展，其推廣應(yīng)用反過(guò)來(lái)又促使器件生產(chǎn)商不斷推出新的CAN總線產(chǎn)品。使其逐步形成系列。鑒于CAN總線的普及性，選擇CAN作為總線控制網(wǎng)。

　　從物理結(jié)構(gòu)上看，CAN屬于總線式通訊網(wǎng)絡(luò)，與BITBUS，RS485相似，又有本質(zhì)區(qū)別。它是一種專門用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡(luò)。其物理特性及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議特性更強(qiáng)調(diào)工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)測(cè)及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，其可靠性和性能超過(guò)了已陳舊的現(xiàn)場(chǎng)通訊技術(shù)，如RS485，BITBUS等。CAN具有下列主要特性：

　　. CAN插卡可任意插在PC，XT，AT兼容機(jī)上，方便地構(gòu)成分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

　　. CAN可以多主方式工作，這一方式與大型網(wǎng)絡(luò)的peer to peer方式相類似，從而與開放結(jié)構(gòu)相吻合。網(wǎng)絡(luò)上任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點(diǎn)也可以方便地構(gòu)成（容錯(cuò)）多機(jī)備份系統(tǒng)。

　　. CAN無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的仲裁，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，有效避免了總線沖突。

　　. CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)。

　　. CAN直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps,通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m。

　　. CAN上節(jié)點(diǎn)數(shù)理論值為2000個(gè)，實(shí)際上以110個(gè)以下為宜。

　　. CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，第一幀有效字節(jié)為8個(gè)，這樣傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，重新發(fā)送時(shí)間短。

　　. CAN每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其它檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率極低。

　　. CAN可以實(shí)現(xiàn)非破壞性總線仲裁和錯(cuò)誤鑒定。總線沖突和錯(cuò)誤鑒定均由CAN控制器自分解塊，而且這一過(guò)程對(duì)用戶完全透明并能區(qū)分暫時(shí)性和永久性故障，自動(dòng)關(guān)閉故障點(diǎn) 這一點(diǎn)在多傳輸情況下，通過(guò)數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以彌補(bǔ)由于傳輸或設(shè)備故障造成的信息缺損。

　　.通訊介質(zhì)采用雙絞線，無(wú)特殊要求。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較

　　水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是提高電站綜合自動(dòng)化水平的重要因素，是根據(jù)無(wú)值班、少人值守的原則設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)綜合運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)、PLC技術(shù)、及軟件工程設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)配置靈活，簡(jiǎn)單，用戶操作方便。與傳統(tǒng)的水電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)相比，我們改傳統(tǒng)方法中將現(xiàn)場(chǎng)綜合電量裝置、保護(hù)裝置及溫度巡檢裝置通過(guò)RS485總線接到工控機(jī)上為將這些裝置與PCC相連，通過(guò)PCC聯(lián)到上位監(jiān)控系統(tǒng)，使得整個(gè)現(xiàn)地單元自成一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)層次。增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。避免了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失，同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)硬件成本，更加利于資金不足的地區(qū)自建小型水電站。下面我們給出兩種結(jié)構(gòu)的框圖。

4.電站自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　4.1系統(tǒng)構(gòu)成

　　硬件系統(tǒng)采用快速交換式以太網(wǎng)組成局域網(wǎng)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能分布于縱向的三個(gè)層次上，現(xiàn)地層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及控制功能，監(jiān)控層則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全站的監(jiān)視和控制功能，系統(tǒng)的這種分層、分布式硬件體系保證了其系統(tǒng)性能的穩(wěn)定可靠。