基于现场总线设计的一种电站监控系统
邵英，夏立
（海军工程大学，武汉430033）
摘 要：从电站底层自动化及信息集成技术角度，论述了现场总线技术的概念及特点，并基于现场总线技术，利用组态软件，设计了一种电站监控系统。经试运行表明，效果良好。
关键词：现场总线；组态软件；电站；监控系统
1 引言
随着技术的进步与自动化程度的不断提高以及电力系统减员增效要求的提出，实现变电站综合自动化从而达到无人值班，已成为电力系统发展的趋势。为满足变电站综合自动化发展的需要，研制了一套基于现场总线的变电站实时监测监控系统，并已运行了一年多的时间，运行状况很好。
2 现场总线技术
2．1 现场总线技术概念
根据国际电工委员会IEC1158定义，现场总线（Fieldbus）是“安装在生产过程区域的现场设备／仪表与控制室内的自动控制装置／系统之间的一种串行，数字式，多点通信的数据总线”。或者说，现场总线是以单个分散的，数字化智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。
2．2 现场总线技术的主要特点
现场总线与一般的工业控制模式相比，主要有以下特点：
（1）数字化通信取代4～20 mA模拟信号；
（2）有利于现场设备智能化；
（3）集现场设备的远程控制、参数化及故障诊断为一体；
（4）现场总线是计算机网络通信向现场级的延伸。
2．3 现场总线的种类
目前国际上现有各种总线及总线标准不下两百多种。具有一定影响和已占有一定市场份额的总线有如下几种：
（1）PROFIBUS现场总线
1996年3月15日批准为欧洲标准，即DIN 50170 V．2。PROFIBUS产品在世界市场上已被普遍接受，市场份额占欧洲首位，年增长率25％。目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500多种，分别来自国际上250多个生产厂家。在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备已超过200万台。PROFIBUS主要应用领域有：制造业自动化，过程控制自动化，电力自动化，楼宇自动化，铁路交通信号系统。
（2）FF现场总线
1994年由ISP基金会和World FIP（北美）两大集团合并成立FF基金会，其宗旨在于开发出符合IEC和ISO标准的，唯一的国际现场总线（Fundation Field bus）。低速总线（H1）协议已于1996年发表。1997年5月建立了中国现场总线（FF）专业委员会，并筹建FF现场总线产品认证中心。FF现场总线的应用领域以过程自动化为主，如：化工、发电厂实验系统、废水处理、油田等行业。
（3）LONWORKS总线
LONWORKS现场总线全称为LONWORKS Networks，即分布式智能控制网络技术。希望推出能够适合各种现场总线应用场合的测控网络。目前LONGWORKS应用范围广泛，主要包括工业控制，楼宇自动化，数据采集，SCADA系统等。国内主要应用于楼宇自动化方面。
（4）CANBUS现场总线
CANBUS现场总线已由ISO／TC22技术委员会批准为国际标准IOS11898（通讯速率小于1 Mbps）和ISO 11519（通讯速率小于125 kbps）。CANBUS主要产品应用于汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统、分散型I／O。另外在电梯、医疗器械、工具机床、楼宇自动化等场合均有所应用。
（5）WorldFIP现场总线
1996年成为欧洲标准（EN 50170 V．3）。WorldFIP现场总线适用范围广泛，在过程自动化、制造业自动化、电力及楼宇自动化方面都有很好的应用。
（6）P－NET现场总线
1987年P－NET标准成为开放式的完整标准，成为丹麦的国家标准。1996年成为欧洲总线标准的一部分（EN 50170 V．1）。1997年组建国际P－NET用户组织，现有企业会员近百家，总部设在丹麦的Siekeborg，并在德国、英国、葡萄牙和加拿大等地设有地区性组织分部。P－NET现场总线在欧洲及北美地区得到广泛应用，其中包括石油化工、能源、交通、轻工、建材、环保工程和制造业等应用领域。
2．4 目标电站的概况和现场总线的选取
某电站系统主要由6台1000 kW的主柴油发电机组、3个控制室以及一个电站集中控制室组成。系统组成框图如图1所示。
针对上述状况，本文采用的是CANBUS现场总线。
3 系统的硬件设计
CANBUS现场总线技术中最核心的技术主要有：
（1）一个监控系统中，系统与系统，部件与部件之间用作通讯的连接线只有2条，信息传递采用串行编码方式；
（2）整个系统中的信息全部为数字量；
（3）增加的分系统或部件在保证速度的前提下，只需往通讯线上挂接。
正是由于这些技术，使得系统将具有极高的可靠性和非常简单的系统结构。整个系统的CAN总线连接图如图2所示。
采用这种现场总线可从现场设备获取大量丰富信息，增强了现场级信息集成能力。它不单纯取代4～20 mA信号，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。
（1）控制器
由于控制器对现场设备的监控是通过标准的现场总线通信完成，因此没有必要使用与控制器捆绑的I／O模块产品，可使用任何一家的具有现场总线接口的现场设备与控制器集成。因此控制器的主要指标是高速指令处理能力和大存储容量及现场总线通信接口。
（2）I／O模块
插在控制器机架上的I／O模块由连接到现场总线上的分散式I／O模块所取代。分散式I／O不再是控制器厂家的捆绑产品，而是第三方厂家的产品（如高防护等级，本征安全，可接受RTD、mV、高压、大电流信号等）。
（3）现场设备
具有程序及参数存储、智能控制功能，具有现场总线接口。控制器将下放一定的控制工作由现场设备自身完成，控制器只作参数化及运行监测工作。如驱动器、传感器、变送器、具有专业控制算法的调节器、执行机构、HMI、电机启动及电流保护装置、输配电保护装置、高、低压开关设备。
（4）软件
一方面，软件不再与控制器、I／O、现场设备等硬件捆绑，可运行在通用的标准控制器硬件平台上。另一方面软件必须是开放式的，允许应用程序的嵌入。本系统采用的就是具备此种特征的一种组态软件“Intouch组态软件”。
4 系统的软件设计
4．1 Intouch组态软件简介
“Intouch组态软件系统”是人机界面（HMI）产品。它主要有以下功能。
（1）分布式数据接收系统
分布式系统可同时支持多动态DDE数据类型。使操作人员可以同时观察和了解多个远程地点的信息；
（2）分布式历史记录
分布式历史趋势系统使现场工作人员能动态地给趋势图表的每个笔确定不同的历史文件数据源；
（3）动态分辨率转换
能在一种分辨率下开发应用程序，而无需改动应用程序就能在另一种分辨率下运行。应用程序还可以不按显示分辨率而按用户定义的分辨率运行；
（4）动态引用定址
可以通过改变数据源的引用字段来动态地寻址标记名的多个数据源；
（5）网络应用程序开发
新的远程开发功能提供了大型多节点的安装，包括从一个开发工作站上修改网上的所有节点的能力。
4．2 电站监控系统软件结构
电站监控系统主要依靠现场总线（CAN总线）接收硬件设备数据，由“Intouch组态软件”系统完成软件编程。具体系统连接框图如图3所示。从图中可以看到，需研制的控制软件主要包括：Udboard通讯程序，引导程序，变量定义程序，实时监测显示软件等部分。
其工作流程大体为：硬件开关或按钮的动作被数据变化并监测程序检测到以后，经Udboard通讯程序传至位于计算机内的引导程序。引导程序将硬件状态变化转换为计算机能够识别的变量数据变化之后，传给运行实时监测软件系统，以便从屏幕上直接观察开关或按钮的动作情况。
（1）信号的传输
本系统按每8个数字量一个控制单元库，每一个模拟量一个控制单元库，进行库的编号和板的标号，并以单元库为单位进行CAN总线的数据通讯，这就大大优化了数据通讯方式。
通讯速度与通讯数据量是一对矛盾，过大的数据量必然导致通讯速度的下降。为此，本系统在设计时采用了信号动态传输和屏蔽技术。
信号动态传输技术，是指通过软件编程，使CAN总线只传输数据或状态发生变化的变量，对数据或状态没有发生变化的变量暂时不予传输。这种动态传输方式可大大减少数据传输量，明显提高通讯速度，满足电站操作监测系统的实时性要求。 屏蔽技术，是指在反应速度要求极高的操作或数据监测情况时，通过软件编程，使CAN总线只传输与之有关的几十个变量，短时屏蔽掉其余所有与之无关同时也不被操作人员当时所注意的变量。这样的设计方法能完全满足在本电站操作监测系统为数不多的对反应速度要求极高的情况。
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