摘 要:現(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程控制現(xiàn)場(chǎng)儀表與控制室之間的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、開(kāi)放的、雙向的多站數(shù)字通信系統(tǒng)。本文介紹了變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線:CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))、LonWorks(Local Operation Network局部操作網(wǎng))。。詳細(xì)分析了基于RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的故障查找與排除方法。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場(chǎng)總線 RS-485 Lonworks CAN

中圖分類號(hào):TM63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)07(a)-0052-01

1 Lonworks與CAN網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線

現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問(wèn)題。它不但是一個(gè)基層網(wǎng)絡(luò)，還是一種開(kāi)放式、新型全分布控制系統(tǒng)。開(kāi)放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)最顯著的特征。由于其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容錯(cuò)性能強(qiáng)、安全性高、成本低等特點(diǎn)，目前已經(jīng)成為眾多自動(dòng)化系統(tǒng)廠商開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)。

1.1 CAN((Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線

CAN的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選用了符合ISO/OSI網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)模型，包括:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層三個(gè)結(jié)構(gòu)模型。網(wǎng)絡(luò)的物理層和鏈路層的功能由CAN接口器件完成，而應(yīng)用層的功能是由處理器來(lái)完成。

1.2 Lonworks(Local Operation Network)現(xiàn)場(chǎng)總線

LonWorks采用了與OSI參考模型相似的7層協(xié)議結(jié)構(gòu)，其技術(shù)的核心具備通信和控制功能的Neuron芯片。Neuron芯片實(shí)現(xiàn)完整的LonWorks的LonTalk通信協(xié)議，節(jié)點(diǎn)間可以對(duì)等通信。LonWorks通信速率為78K bit/s～1.25M bit/s，支持很多種物理介質(zhì):包括雙絞線、同軸電纜、光纖、電力線載波及無(wú)線通信等;而且還支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)比較靈活。依照RS485規(guī)范，為了限制和確保電氣反射和可靠的通訊，所有設(shè)備必須連接成總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 RS-485與現(xiàn)場(chǎng)總線的本質(zhì)區(qū)別

RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)(EIA)制訂并發(fā)布的，它是在RS-422基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，RS-485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來(lái)驅(qū)動(dòng)總線，具體規(guī)格要求:接收器的輸入電阻Rin≥12kΩ;驅(qū)動(dòng)器能輸出±7V的共模電壓;輸入端的電容≤50pF;在節(jié)點(diǎn)數(shù)為32個(gè)，配置了120Ω的終端電阻的情況下，驅(qū)動(dòng)器至少還能輸出電壓1．5V(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān));接收器的輸入靈敏度為200mV(即(V+)一(V一)≥0．2V，表示信號(hào)“0”;(V+)一(V一)≤一0．2V，表示信號(hào)“l(fā)”)因?yàn)镽S-485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)以及傳輸線成本低的特性，使得EIARS-485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。

而現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備自動(dòng)成網(wǎng)，無(wú)主/從設(shè)備之分或允許多主存在。在同一個(gè)層次上不同廠家的產(chǎn)品可以互換，設(shè)備之間具有互操作性。目前變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的現(xiàn)場(chǎng)總線大多都是基于RS485技術(shù)形成的，數(shù)據(jù)處理時(shí)必須進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3 基于RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線變電站網(wǎng)絡(luò)的故障查找與排除

在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)中，RS-485總線應(yīng)用的非常的廣泛，但是RS-485總線比較容易出現(xiàn)故障。以下是本人根據(jù)多年現(xiàn)場(chǎng)工作實(shí)際，簡(jiǎn)單介紹綜合自動(dòng)化系統(tǒng)變電站RS-485通信總線組網(wǎng)范圍，并列舉一二缺陷，簡(jiǎn)單說(shuō)明幾點(diǎn)RS-485總線布線注意事項(xiàng)及故障排除方法。變電站RS-485總線典型缺陷分析及處理方法。

⑴缺陷一:2007年6月XX220kV變電站2#主變保護(hù)裝置PST1200等部分國(guó)電南自裝置通信中斷

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，所有報(bào)通信中斷的設(shè)備掛接在一根RS-485總線上，該總線直接接在保護(hù)管理機(jī)的一個(gè)獨(dú)立串口上。經(jīng)測(cè)試，保護(hù)管理機(jī)串口電平正常，且通信線纜完好無(wú)損。經(jīng)分析可能是由于此通信總線上某個(gè)裝置串口異常導(dǎo)致。

處理過(guò)程:采用排除法進(jìn)行查找，即依次將此總線上的每個(gè)裝置依次隔離，看通訊是否恢復(fù)正常來(lái)判斷故障點(diǎn)。最終發(fā)現(xiàn)2#主變保護(hù)裝置PST1200串口損壞導(dǎo)致此總線匹配電阻增大導(dǎo)致所有裝置通訊中斷，將其更換后此總線所有裝置通信正常。

⑵缺陷二:2009年4月XX220kV變電站35kVI母所有裝置頻繁通信中斷/恢復(fù)

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，35kVI母所有裝置通過(guò)一跟RS-485總線與保護(hù)管理機(jī)通信，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)總線上電壓異常跳變，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)該總線屏蔽地線未接地，經(jīng)分析可能存在干擾。

處理過(guò)程:將此總線所有裝置通訊線屏蔽地連接且在總線末端一點(diǎn)接地后通信正常。

綜合以上情況，RS-485通信總線故障一般表現(xiàn)為同一總線單個(gè)或多個(gè)或所有裝置通信中斷，或?yàn)橐淮偩€上所有裝置通信時(shí)通時(shí)斷。以下簡(jiǎn)單總結(jié)幾點(diǎn)基于RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線變電站網(wǎng)絡(luò)的故障查找與排除。

①由于RS-485信號(hào)使用的是一對(duì)不平衡差分信號(hào)，意味RS-485網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)設(shè)備都必須通過(guò)一個(gè)信號(hào)回路連接到地，以減少數(shù)據(jù)線上的噪音，因此數(shù)據(jù)線最好由屏蔽雙絞線組成，將RS-485網(wǎng)絡(luò)中RS-485設(shè)備連接起來(lái)，并且在一個(gè)點(diǎn)用屏蔽層可靠接地。

②由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中情況復(fù)雜多樣，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在很高的共模電壓，RS-485接口使用的是差分傳輸方式，具有抗共模干擾的能力，但當(dāng)共模電壓大于+12V或者小于-9V時(shí)，超過(guò)RS-485接收器的極限接收電壓，接收器無(wú)法工作，甚至可能燒毀芯片和設(shè)備。可以在RS-485總線中使用RS-485光電隔離中繼器，將RS-485信號(hào)及電源完全隔離，消除共模電壓的影響。

③RS-485總線隨著傳輸距離的延長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生回波反射信號(hào)，如果RS-485總線的傳輸距離如超過(guò)100m，建議施工時(shí)在RS-485通訊的開(kāi)始端和結(jié)束端加裝120歐姆的終端電阻。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)通信在變電站自動(dòng)化中占有很重要的角色，保證數(shù)據(jù)通訊的速度、質(zhì)量、抗干擾能力，成為實(shí)際運(yùn)行中力求做到的目標(biāo)。本文分析了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信，介紹了變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中常用的兩種現(xiàn)場(chǎng)總線:CAN和LonWorks。詳細(xì)分析了基于RS-RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的故障查找與排除方法。

參考文獻(xiàn)

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[2]陽(yáng)憲惠．現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)及其應(yīng)用．北京:清華大學(xué)出版社，1999