CAN總線及其在水電站自動化的應用

1. 引言：

　　水電站綜合自動化系統(tǒng)（包括電站機組、變壓器、廠變、公共設備等的保護、檢測、控制等）是電站安全、優(yōu)質(zhì)、高效運行的重要保證。隨著計算機及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益成熟，性能先進，運行可靠穩(wěn)定的電站微機綜合自動化系統(tǒng)得到廣泛的應用。逐步替代了傳統(tǒng)的繼電保護與自動化設備。微機保護與常規(guī)繼電保護的根本區(qū)別在于其實現(xiàn)了數(shù)字化，即通過對主設備運行狀態(tài)參量的實時、快速數(shù)字處理，完成故障診斷、保護動作。根據(jù)國家有關(guān)大力發(fā)展中小型水電站建設，西電東送的發(fā)展戰(zhàn)略，本文吸取當今先進的電站設計思想，在分析相關(guān)技術(shù)文獻、資料的基礎(chǔ)上提出了一種利用當今先進的現(xiàn)場總線技術(shù)，計算機網(wǎng)絡技術(shù)和可編程計算機控制器PCC技術(shù)的水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。確保復雜的機組啟?？刂疲儔浩鞅Ｗo等系統(tǒng)得以可靠的實現(xiàn)。同時以模塊化的設計保證系統(tǒng)功能的靈活擴充。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。文中首先對當今的現(xiàn)場總線技術(shù)之一CAN總線進行了概述。其次對利用上述先進技術(shù)設計的水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的功能特性加以分析和說明。

2. CAN總線及其特性

　　現(xiàn)場總線作為一個發(fā)展熱點，它的出現(xiàn)將對傳統(tǒng)的工業(yè)自動化帶來革命，從而開始工業(yè)控制的新紀元。但眾多的現(xiàn)場總線往往使生產(chǎn)者和用戶無所適從。是否已納入IEC標準，系統(tǒng)的開放性，技術(shù)能否得到有力的支持，價格是否有競爭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，連接方便和性能價格比高等諸多特點，推動其應用開發(fā)的迅速發(fā)展，其推廣應用反過來又促使器件生產(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，與BITBUS，RS485相似，又有本質(zhì)區(qū)別。它是一種專門用于工業(yè)自動化領(lǐng)域的網(wǎng)絡，不同于以太網(wǎng)等管理和信息處理用網(wǎng)絡。其物理特性及網(wǎng)絡協(xié)議特性更強調(diào)工業(yè)自動化的底層監(jiān)測及控制。它采用了最新的技術(shù)及獨特的設計，其可靠性和性能超過了已陳舊的現(xiàn)場通訊技術(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)絡的peer to peer方式相類似，從而與開放結(jié)構(gòu)相吻合。網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡其它節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點也可以方便地構(gòu)成（容錯）多機備份系統(tǒng)。

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

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

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

　　. CAN上節(jié)點數(shù)理論值為2000個，實際上以110個以下為宜。

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

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

　　. CAN可以實現(xiàn)非破壞性總線仲裁和錯誤鑒定?？偩€沖突和錯誤鑒定均由CAN控制器自分解塊，而且這一過程對用戶完全透明并能區(qū)分暫時性和永久性故障，自動關(guān)閉故障點 這一點在多傳輸情況下，通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以彌補由于傳輸或設備故障造成的信息缺損。

　　.通訊介質(zhì)采用雙絞線，無特殊要求。

3. 系統(tǒng)設計方案比較

　　水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)是提高電站綜合自動化水平的重要因素，是根據(jù)無值班、少人值守的原則設計的。系統(tǒng)綜合運用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、PLC技術(shù)、及軟件工程設計方法，使系統(tǒng)配置靈活，簡單，用戶操作方便。與傳統(tǒng)的水電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)相比，我們改傳統(tǒng)方法中將現(xiàn)場綜合電量裝置、保護裝置及溫度巡檢裝置通過RS485總線接到工控機上為將這些裝置與PCC相連，通過PCC聯(lián)到上位監(jiān)控系統(tǒng)，使得整個現(xiàn)地單元自成一個獨立的系統(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，同時簡化了系統(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.電站自動化監(jiān)控系統(tǒng)的實現(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)的實時監(jiān)控功能分布于縱向的三個層次上，現(xiàn)地層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及控制功能，監(jiān)控層則通過網(wǎng)絡實現(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。