羅仕超

摘 要： FCS 廢棄了DCS 的輸入/輸出單元和控制站， 把DCS 控制站的功能塊分散地分配給現(xiàn)場儀表， 從而構(gòu)成虛擬控制站，徹底地實現(xiàn)了分散控制?，F(xiàn)場總線FCS是一種全分布控制系統(tǒng)，以CAN總線為基礎(chǔ)設(shè)計的變電站自動化控制系統(tǒng)具有高度的開放性、戶操作性等優(yōu)點，在實際應用中，效果顯著。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線 CAN總線 變電站 自動化控制系統(tǒng)

變電站綜合自動化系統(tǒng)是變電站自動化監(jiān)控管理的重要設(shè)備，它綜合了計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)等技術(shù)于一身，同時具有監(jiān)測、監(jiān)控、保護、故障錄波、小電流接地選線、低頻減載等多種功能，并且可以根據(jù)需要，附加其他功能。隨著現(xiàn)場總線（FCS）的逐步發(fā)展，現(xiàn)場總線也廣泛運用到變電站自動化控制系統(tǒng)中去，它在減少系統(tǒng)纜線，簡化系統(tǒng)安裝、維護以及管理方面所表現(xiàn)出的強大優(yōu)勢，收到越來越多的關(guān)注。

1、 現(xiàn)場總線概述

現(xiàn)場總線是一種全分布控制系統(tǒng)，基特性具有：開放性、互操作性與互用性、現(xiàn)場設(shè)備的智能化與功能自治性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性、對現(xiàn)場環(huán)境的適應性等特征。目前，總線種類較多，其中影響比較大的主要有如下幾種：

1.1、基金會現(xiàn)場總線FF。FF（基金會現(xiàn)場總線）是Fieldbus Foundation的簡稱。采用了ISO/OSI模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，并在應用層上增加了用戶層。它有Hl和H2兩種物理層標準。Hl是低速總，傳輸速率為31.25Kbp，H2為高速總線，傳輸速率1MbpS和2.5Mbps，其物理媒介的傳輸信號采用曼徹斯特編碼，物理傳輸介質(zhì)采用雙絞線、電纜、光纖和無線電，協(xié)議符合IEC61158-2標準，基金會現(xiàn)場總線FF主要應用于過程自動化領(lǐng)域。

1.2、LonWorks。LONWORKS（局部操作網(wǎng)絡），LON是LocalOperationNetwork的簡稱。1991年美國ECHERON公司推出該產(chǎn)品。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部7層通信協(xié)議，其技術(shù)核心是綜合通信、控制功能于一體的Neuron芯片，該芯片封裝了LonTalk協(xié)議，并且集成了3個8位處理器，分別負責介質(zhì)訪問、網(wǎng)絡處理及應用處理。傳輸介質(zhì)采用雙絞線、同軸電纜、光纖、紅外線和電力線等，通信速率在300bPs～l.5MbPs之間，支持節(jié)點數(shù)高達3200個，被譽為通用控制網(wǎng)絡。

1.3、PROFIBUS。PROFIBUS（過程現(xiàn)場總線）是ProcessFieldBus的簡稱。1987年德國聯(lián)邦科技部集中了13家公司和5個研究所按ISO/OSI參考模型制訂現(xiàn)場總線的德國標準。PROFIBUS根據(jù)ISO/OSI參照模型省略了3至6層，增加了用戶層。第一層定義了物理的傳輸特，第二層定義了存取協(xié)議，第七層定義了應用功能。PROFIBUS在用戶層引進了功能模塊 （FB）、對象字典（OD）和設(shè)備描述語言（DDL），允許用戶對設(shè)備進行完全的內(nèi)部操作，從而可以實現(xiàn)設(shè)備的互操縱性。PROFIBUS以O(shè)SI模型為基礎(chǔ)，包含PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。DP型定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和用戶接口，主要應用于加工自動化領(lǐng)域，F(xiàn)MS定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，在樓宇、低壓開關(guān)等普通自動化領(lǐng)域應用范圍較廣，PA型采用了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，遵從IEC61158-2標準，專為過程自動化設(shè)計。其通信介質(zhì)為雙絞線和光纖，傳輸速率在9.6kbPs～12MbPs之間，最多可掛接127個節(jié)點。

1.4 CAN總線。CAN（控制器局域網(wǎng)絡）是ControllerAreaNetwork的縮寫。是由德國BOSCH公司開發(fā)的控制局域網(wǎng)，具有很高的可靠性、支持分布式實時控制的串行通信網(wǎng)絡。CAN總線采用了ISO/OSI模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。通信介質(zhì)支持雙絞線、同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps/40m，節(jié)點數(shù)可達110，相比于其他總線，CAN可靠性高、鏈路簡單、配置靈活、芯片資源豐富、成本低等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的運用。

2、采用CAN總線的變電站自動化控制系統(tǒng)

某10kv變電站是全戶內(nèi)式變電站，采用雙回路進線，互為冗余。主變?nèi)萘?×1 600 kVA（干式變壓器），10 kV出線6，400 V出線63，要求按無人值班變電站設(shè)計，采用綜合自動化方案。

2.1、系統(tǒng)功能要求

根據(jù)需要，除了設(shè)置一般的現(xiàn)場總線綜合自動化系統(tǒng)所需必要的與調(diào)度站的通信功能以及畫面顯示及打印功能外，還根據(jù)變電站的需要，設(shè)置如下主要功能：

實時數(shù)據(jù)采集與處理功。即通過各測控單元對現(xiàn)場的電壓、電流模擬量、脈沖量、溫度量等數(shù)據(jù)進行實時采集與處理，然后在測控單元對其進行必要的預處理，送往總控計算。

報警功能。即能夠?qū)ψ冸娬镜倪\行狀態(tài)進行時時監(jiān)測，當部分設(shè)備出現(xiàn)異常，能夠及時發(fā)現(xiàn)并報警，同時，在CRT顯示屏上自動推出報警畫面，為工作人員處理事故提供參考依據(jù)。

控制調(diào)節(jié)功能。這主要是指對斷路器、隔離開關(guān)、電容機組的投切、測控單元的遠投及遠動復位等進行自動控制，并對主變壓器的溫度進行自動調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)管理記錄功能。即對監(jiān)控范圍內(nèi)的主要設(shè)備的正常和非正常運行或操作進行自動記錄，如自動記錄斷路器的操作次數(shù)、主變壓器的溫度、電容器自動投切等。

自診斷、自恢復以及自動切換功能。即系統(tǒng)能夠?qū)ψ陨淼挠布④浖M行實時監(jiān)控，對出現(xiàn)的故障能夠自動診斷，并給出診斷信息，以便為工作人員的檢修提供可靠依據(jù)。同時當系統(tǒng)因為某種原因而死機，能夠自動實現(xiàn)軟硬件的自動恢復，保證系統(tǒng)正常運行。

2.2、通訊網(wǎng)絡

在這個系統(tǒng)中，采用的是CAN總線技術(shù)，上位機與中央總控裝置采用RS232串行通信，中央總控裝置與各個節(jié)點之間采用CAN總線通信，這使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并且各個節(jié)點之間互不影響，任何一個節(jié)點發(fā)生故障，不會影響到整個系統(tǒng)的運行，因此，系統(tǒng)可靠性高，易于擴展，層次分明，便于維護。系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡如下圖所示

2.3、系統(tǒng)硬件設(shè)置

該系統(tǒng)是由控制器通過CAN總線相連而組成的控制器局部網(wǎng)，因此CAN總線的設(shè)計就顯得極為重要。其中，CAN控制器的選取、CAN收發(fā)器以及抗干擾措施將成為設(shè)計的關(guān)鍵。

目前，市場上CAN總線器件主要有兩種，一種是集成CAN標準模塊的單片機，另一種是獨立的CAN控制器，前者具有電路接口相對簡單，外圍電路少等優(yōu)點；后者性能的擴展性比前者要好，但是外圍線路相對復雜。

為滿足系統(tǒng)功能需要，使得系統(tǒng)具有更好的可拓展性，設(shè)計以獨立CAN控制器SJA1000來設(shè)計系統(tǒng)，整個線路的主要組成部分為SJA1000、CAN總線驅(qū)動器82C250以及高速光電耦合器6N137。 SJA1000通過高速光耦6N137后與82C250相連，這樣，CAN總線上的節(jié)點被相互隔離，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同時，為了使得82C250免受過流的沖擊，82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個5-10Ω的大功率電阻與CAN總線相連，另外為了濾除總線上的高頻干擾，在CANH和CANL與地之間并聯(lián)2個30 nF的小電容。另外，電磁兼容領(lǐng)域中主要的干擾為瞬變干擾，它具有持續(xù)時間短，脈沖幅值能量大的特點，容易造成給電氣設(shè)備的損壞安全運行，因此，在82C250的Rs腳上有一個電阻能在16～140 kΩ之間進行調(diào)整的斜率電阻。

2.4、軟件流程

以CAN總線設(shè)計變電站自動控制系統(tǒng)，一方面系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，便于維護，另一方面，用戶的發(fā)送及接受程序也比較簡單，如下圖所示：

在發(fā)送時，用戶只需要將發(fā)送的數(shù)據(jù)按規(guī)定的格式組合成一幀報文，送入SJA1000發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動SJA1000發(fā)送即可。接受過程相對來說復雜一些，SJA1000報文的接收主要有2種方式：中斷接收方式和查詢接收方式，兩種方式的編程思路大體相同，無論采用哪種接受方式，都需要對總線關(guān)閉、錯誤報警、接受溢出等情況進行處理，在實際應用中采用查詢接受方式。

3、結(jié)語

變電站自動控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了全分布式管理，系統(tǒng)具有高度的開放性、互操作性、成本低等優(yōu)點，并且智能化程度也大大提高。在這個系統(tǒng)中，采用CAN總線協(xié)議設(shè)計的自動控制系統(tǒng)，有效解決了變電站自動控制系統(tǒng)中的通信問題，系統(tǒng)的可靠性穩(wěn)定性大大提高，在實際應用中，效果顯著。