CAN總線在自動化系統(tǒng)中的應用

1.前言

　　隨著微機和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的智能裝置在變電所中得到應用，極大地提高了變電所測量和控制系統(tǒng)的自動化水平。變電所強電磁干擾的工作場所，對自動化設(shè)備尤其是對其中涉及到的通信網(wǎng)絡的抗干擾能力提出了很高的要求。根據(jù)變電所中開關(guān)設(shè)備和互感器的安裝方式、環(huán)境以及對系統(tǒng)自動化程度的不同要求，整座變電所的測量控制系統(tǒng)一般采用集中與分散結(jié)合的方式構(gòu)成，控制既可以做到集中控制(在主控制室中的集中控制臺或屏上進行)，也可對各開關(guān)進行分散控制(由安裝在開關(guān)設(shè)備跟前的控制箱完成)。
　　
　　變電所自動化系統(tǒng)主要由各種開關(guān)的智能控制單元、電氣參數(shù)測量單元和繼電保護裝置構(gòu)成，在這些智能化設(shè)備之間存在著信息交換的需要，同時整個變電所自動化系統(tǒng)還要與調(diào)度中心進行信息交換。通信網(wǎng)絡在變電所測控自動化系統(tǒng)中擔當著及時準確地傳送控制命令、及時反饋回控制結(jié)果、變電所電氣參數(shù)和設(shè)備各種狀態(tài)的任務，其重要性不言而喻。本文通過一個實際應用例子，討論把CAN總線應用于分布式變電所自動化系統(tǒng)中方案的確定、軟硬件設(shè)計中注意的相關(guān)問題。
　　
2變電所測控自動化系統(tǒng)的常用通信模式
　　
　　2.1并行通信
　　
　　并行通信模式多用于各種智能化儀器與微機之間的通訊，具有數(shù)據(jù)吞吐能力強的優(yōu)點，同時，系統(tǒng)造價、長距離通信時抗干擾能力是制約其廣泛應用于變電所自動化系統(tǒng)的主要原因之一。這種通信方式在變電所中，主要應用在報表打印方面。
　　
　　2.2串行通信
　　
　　RS232，CCITTV．24，V．11等通信標準在計算機數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)被長期而廣泛地應用，較低的價格、較高抗干擾能力是他們的優(yōu)點，但較低的通信速率和點對點傳輸方式成為制約他們廣泛應用于變電所自動化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的主要原因之一。RS232在變電所的各種測量、控制和保護裝置上應用較多。
　　
　　2.3現(xiàn)場總線
　　
　　分布式變電所自動化系統(tǒng)是由測量、控制和保護等智能單元構(gòu)成的一個有機整體，在整個變電所中分散安裝有針對以上特點，在最低層次上設(shè)計出的一種造價低廉、通信吞吐能力較強而又能有效抵御現(xiàn)場環(huán)境電磁干擾的通信系統(tǒng)。
　　
　　現(xiàn)場總線由于在抗干擾能力、造價等方面的優(yōu)點，成為自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡構(gòu)成的重要選擇對象，現(xiàn)場總線有很多種，各有長處，根據(jù)變電所自動化系統(tǒng)的實際情況，在應用中選擇了控制器局域網(wǎng)。
　　
　　控制器局域網(wǎng)是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，屬于現(xiàn)場總線的一種。CAN總線是一種多主(或無主)總線，總線上各節(jié)點均處于平等地位，該總線的一個顯著特點是無破壞性信息傳輸，最高通信速率可以達到1Mb/s，每次發(fā)送報文長度8B，超過8B長度的報文必須進行分割和拼接處理。
　　
3.CAN總線應用方案的確定、硬件設(shè)計中的注意事項
　　
　　目前變電所許多測量、控制和保護裝置多數(shù)帶有串行通信接口，在硬件平臺和應用軟件方面的開發(fā)趨于成熟，采用何種通信網(wǎng)絡，就不能不兼顧原有系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，在對系統(tǒng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較后，提出如圖1所示的系統(tǒng)方案。
　　
　　該方案考慮了原有的測量、控制和保護等裝置，軟硬件上不作改動，只是在原裝置與網(wǎng)絡之間增加一個RS232和CAN總線的轉(zhuǎn)換器，考慮到變電所網(wǎng)絡信息的吞吐量不大，該轉(zhuǎn)換器以51單片機為核心，利用單片機的RS232接口與微機測量、微機控制和微機保護進行通信，在51單片機上擴展一個CAN總線接口，所需的＋5V電源也從測量、控制和保護裝置中獲得(51的RS232接口芯片采用單一＋5V電源的那種)。此外，主控臺以工業(yè)控制機為核心，同時擔負變電所內(nèi)部通信管理任務和與遠方調(diào)度中心的通信任務，在工業(yè)控制機中直接選用一塊CAN總線插卡就可以了。
　　
　　該方案的優(yōu)點是開發(fā)周期短，無需對原有測量、控制和保護裝置進行大的改動。值得注意的是，CAN總線對網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)是有限制的。另外，在選擇通信速率時，也要考慮通信距離的限制，在實際應用中，根據(jù)系統(tǒng)通信流量的評估和變電所實際情況，選擇通信速率為50kb/s，對應的通信距離限制為1．3km。
　　
4.CAN總線應用中編程注意事項
　　
　　CAN總線協(xié)議根據(jù)接口芯片不同可以有版本2.0A和2.0B兩種，兩者差別不大，對于應用者來說，更重要的是如何收發(fā)信息。
　　
　　在變電所自動化系統(tǒng)中，有些信息的字節(jié)數(shù)可以比較短(如開關(guān)變位信號的傳送)，在8B內(nèi)，這種報文可以一次發(fā)送完畢。而有些信息的字節(jié)數(shù)較長(如測量數(shù)據(jù))，無法把一幀報文一次發(fā)送完畢，因此，在發(fā)送軟件模塊中需要進行把報文分成幾段，每次發(fā)送一段。同樣地，在接收時，需要進行判別，如果是在8B長度內(nèi)的報文，則無需另外處理，如果報文內(nèi)容的字節(jié)數(shù)超過8B，就對所接收的信息進行報文恢復處理。為了對報文進行恢復，在進行報文幀打包時，在報文中加入報文長度內(nèi)容。只有完全接收完畢的報文才送入報文解析處理環(huán)節(jié)中。
　　
　　在應用中應該注意的另外一個問題是，CAN總線控制器在實際運行中，存在著進入總線脫離狀態(tài)的可能，在應用軟件中應加入訪問總線狀態(tài)的模塊，如果發(fā)現(xiàn)控制器處于總線脫離狀態(tài)，要及時對總線控制器進行復歸操作。
　　
5.結(jié)語
　　
　　本文所提以CAN總線網(wǎng)絡為核心的變電所自動化系統(tǒng)已經(jīng)通過調(diào)試后投入實際運行，網(wǎng)絡通信速率采用50kb/s，運行情況良好，控制響應快、狀態(tài)變位上傳迅速，整個系統(tǒng)運行情況完全達到設(shè)計要求。