影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應用的關(guān)鍵因素分析

1 引言
21世紀是信息化的時代，以信息化帶動工業(yè)化，以工業(yè)化促進信息化是大勢所趨。現(xiàn)場總線技術(shù)是20世紀80年代末90年代初發(fā)展起來的應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、計算機、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)得到廣泛的應用。
現(xiàn)場總線作為順應這種發(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)場總線標準過多，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,無法實現(xiàn)信息的無縫集成。本文分析了當今現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀，討論了有關(guān)影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應用的幾個關(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)的應用以及OPC技術(shù)推廣等。
2 現(xiàn)場總線特點
現(xiàn)場總線是計算機網(wǎng)絡(luò)適應工業(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、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，用總線連接，共同實現(xiàn)自動控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)?，F(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)的最大不同點是其實時性和準確性可以得到保證，因此其在工業(yè)控制環(huán)境中得到了廣泛的應用?，F(xiàn)場總線實現(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，從而實現(xiàn)了徹底的分散控制，并實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制和故障診斷。
3 現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀
為了增加產(chǎn)量、改善管理，提高企業(yè)的市場應變能力和競爭能力，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)，利用先進的計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、控制技術(shù)來實現(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)得到廣泛的應用，根據(jù)電力企業(yè)的特點，有電網(wǎng)運行實時控制系統(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），水電廠計算機監(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)境有較強的適應性。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、維護更加容易，而且提高了系統(tǒng)的可靠性?，F(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現(xiàn)標準的不統(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)得到更加廣泛的應用，下面對影響現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)應用的幾個關(guān)鍵問題進行討論。
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。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)計及應用，將應用程序和操作系統(tǒng)與計算機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，必將使電力現(xiàn)場設(shè)備的智能化程度更高，為實現(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?，F(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、變換和補償功能，而且還有運算和PID運算功能。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、智能化電動機保護器和起動器，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，達到延長通信距離的目的。連接接口卡實現(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)備面臨的是標準的不統(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功能，它還是一種應用協(xié)議以及規(guī)定如何使用網(wǎng)絡(luò)的應用別名。但是由于是在復雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用單一的協(xié)議來實現(xiàn)這么多的功能，必然會導致標準的不統(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)備提供能對不同標準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用經(jīng)驗，但卻包括了LonWorks、CAN、Profibus等多種互不兼容的現(xiàn)場總線標準,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準技術(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行信息交互的開放接口標準和技術(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)場總線可以通過運用OPC技術(shù)，間接地實現(xiàn)信息的交互。這確實也是現(xiàn)今解決因多種現(xiàn)場總線標準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，對于實現(xiàn)電力自動化系統(tǒng)的信息集成具有重大的現(xiàn)實意義。
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)點面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿毡容^簡單，但實時性、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"方法實現(xiàn)連接的對象，需要用無線通信實現(xiàn)傳感器信號或控制數(shù)據(jù)的傳輸。另外，在易腐蝕、強電等危險環(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)，在計算機網(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時傳輸互不干擾的要求?；谝蕴W(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，以實用性、實時性、可靠性和安全性為主，才能切實可行地推動現(xiàn)場總線在電力工業(yè)的發(fā)展。
6 結(jié)語
本文從實際應用角度出發(fā)，對現(xiàn)場總線在電力行業(yè)中應用幾個關(guān)鍵問題進行了剖析。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)的應用有深遠的影響?？傊?，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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