1  引言

  隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，集計算機、通信、超大規(guī)模集成電路、儀表和測試、過程控制技術于一體的現(xiàn)場總線技術也得到了迅猛的發(fā)展。加之現(xiàn)場總線適應了控制系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展的方向，給自動化系統(tǒng)的最終用戶帶來更大的實惠和方便。自其出現(xiàn)之日起，就受到廣泛關注，迅速成為世界范圍內控制技術的熱點，并成為多學科交叉領域的一個熱門研究課題。

  現(xiàn)場總線技術給儀表和自動化領域帶來了深刻的影響，特別是用數(shù)字信號取代4～20mA的模擬信號和控制功能向現(xiàn)場的下移，使得傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結構發(fā)生了根本性的變革?，F(xiàn)場總線技術也為電力系統(tǒng)領域的分散式、開放式、智能式的自動化系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)提供了新的途徑和方法，也必將在電力系統(tǒng)的各個方面獲得廣泛的應用。

 2  現(xiàn)場總線的概述

 2.1  現(xiàn)場總線的定義

  按照國際電工委員會IEC/ SC65C的定義，現(xiàn)場總線是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設備/儀表與控制室內的自動控制裝置/系統(tǒng)之間的一種串行、數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結構的通訊網(wǎng)絡”[1]?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個分散的、數(shù)字化、智能化的測量和控制設備作為網(wǎng)絡節(jié)點，用總線連接，實現(xiàn)信息互換，共同完成自動控制功能的網(wǎng)絡系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，是計算機控制與通訊技術結合的產(chǎn)物，是新一代全數(shù)字、全分散和全開放的現(xiàn)場控制系統(tǒng)。它的本質含義表現(xiàn)在以下六個方面：現(xiàn)場通信網(wǎng)絡、現(xiàn)場設備互聯(lián)、互操作性、分散功能塊、通信線供電和開放式互聯(lián)網(wǎng)絡。

  因此，現(xiàn)場總線是面向工廠底層自動化及信息集成的數(shù)字化網(wǎng)絡技術。

 2.2  現(xiàn)場總線的特點

  簡單地概括現(xiàn)場總線技術的特點就是信號傳輸全數(shù)字、控制功能全分散、標準統(tǒng)一全開放、互操作性強、費用低等[2]。具體概述為：

(1)數(shù)字化的信號傳輸：使用數(shù)字化通信完成對現(xiàn)場設備的聯(lián)絡和控制，在網(wǎng)絡通信中采用信息防撞與糾錯技術，實現(xiàn)了高速及雙向多點之間的可靠通信。

(2)功能轉移：廉價的智能化現(xiàn)場設備的普及與基于現(xiàn)場的微處理器及標準數(shù)字通訊鏈路的發(fā)展相互促進，促使簡單的控制任務遷移到控制現(xiàn)場，能夠處理PID算法和控制邏輯的現(xiàn)場微處理器接管了大部分簡單的控制任務。

(3)方便的互操作性：現(xiàn)場總線技術強調“互聯(lián)”和“互操作性”。實現(xiàn)真正的“即接即用”，即所謂互操作性。這樣，用戶也能自由地集成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，從而極大的方便了用戶。

(4)開放的互聯(lián)網(wǎng)絡：現(xiàn)場總線為開放式互連網(wǎng)絡，既可與同層網(wǎng)絡互連，也可與不同層網(wǎng)絡互連，不同制造商的網(wǎng)絡互連十分簡便，用戶不必在硬件或軟件上花多大力氣。

(5)多種傳輸媒介和拓撲結構：現(xiàn)場總線技術由于采用數(shù)字通信方式，因此可采用多種傳輸介質進行通信。根據(jù)控制系統(tǒng)中節(jié)點的空間分布情況，可采用多種網(wǎng)絡拓撲結構。這種多樣性給自動化系統(tǒng)的施工帶來了極大的方便。

(6)簡化結構降低費用：現(xiàn)場總線技術由于采用智能儀表和總線傳輸方式，可以減少大量的隔離器，端子框及電纜等，從而降低系統(tǒng)復雜程度，節(jié)省施工費用。

 2.3 現(xiàn)場總線的種類

  由于現(xiàn)場總線的國際標準尚未建立，所以各種總線技術風起云涌，各具特色。盡管IEC經(jīng)過長達15年的努力，推出了由IEC61158TS(H1)、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE(H2)、SwiftNet、WorldFIP和Interbus八個部分組成的現(xiàn)場總線標準IEC61158，但離一個標準的目標有很大差距，并沒有真正解決統(tǒng)一成單一現(xiàn)場總線的問題。與此同時，出于生產(chǎn)和商業(yè)的需要，諸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些實力雄厚的總線產(chǎn)品也獲得了廣泛的應用。現(xiàn)主要介紹一下在電力系統(tǒng)中用的較多的幾種總線技術。

  2.3.1  基金會現(xiàn)場總線(FF)[3]

  FF(Foundation FieldBus)是以美國Fisher-Rosemount公司為首的80多家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的150多家公司制定的World FIP協(xié)議在1994年合并成立的FF基金會。FF以ISO/OSI參考模型為基礎，取其物理層、鏈路層、和應用層為FF通信模型的相應層次，并在此基礎上增加了用戶層。FF分為低速現(xiàn)場總線H1和高速現(xiàn)場總線H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25Kbps，通信距離為1.9km，并且支持總線供電和本質安全性；H2的傳輸速率可為1M和1.5Mbps兩種，通信距離分別為0.5km和0.75km。

  FF總線具有一定的權威性、廣泛性和公正性，因而在電力實驗系統(tǒng)、化工、廢水處理、油田等過程自動化領域獲得廣泛應用。

  2.3.2  PROFIBUS總線

  PROFIBUS( Process Field Bus)即過程現(xiàn)場總線技術是以德國SIEMENS為主的10多家公司共同推出，1996年3月被批準為歐洲標準，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS組成PROFIBUS系列。DP用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O通信，傳輸速率為9.6Ｋbps～12Mbps，傳輸距離12Mbps為0.1km，1.5Mbps為0.4km；PA用于過程自動化，并有本質安全區(qū)域，傳輸速率為31.25Kbps；FMS用于生產(chǎn)車間級的監(jiān)控網(wǎng)絡，執(zhí)行數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)交換。

  PROFIBUS總線技術應用于電力、制造業(yè)自動化、流程工業(yè)自動化和樓宇、交通等自動化領域。

  2.3.3  LonWorks總線

  LonWorks(Local Operating Network)是美國Echelon公司推出的、具有強勁實力的現(xiàn)場總線技術，它采用的LonTalk協(xié)議被封裝在稱為Neuron神經(jīng)元芯片而得以實現(xiàn)。它采用ISO/OSI模型的全部七層通訊協(xié)議及面向對象的設計方法，通過網(wǎng)絡變量把網(wǎng)絡通信簡化為參數(shù)設置，其通信速率范圍為3Kbps～1.5Mbps，直接通信距離可達2.7km。Lon Works網(wǎng)絡包括現(xiàn)場控制節(jié)點(這些節(jié)點可以是直接采用神經(jīng)元芯片作為通信的處理器和測控處理器，也可以是基于神經(jīng)元芯片的HostBase節(jié)點)、通信介質和通信協(xié)議。

  Lonworks總線應用廣泛，主要包括樓宇自動化、數(shù)據(jù)采集、SCADA系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、家庭自動化、保安系統(tǒng)等領域。

  2.3.4  CAN總線[4]

  CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)絡。最初是由德國的BOSCH公司為解決1994年6月控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)出的一種串行數(shù)據(jù)總線。已由ISO/TC22技術委員會批準為國際標準ISO11898和ISO11519。CAN總線的最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用這種方法的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡內的節(jié)點個數(shù)在理論上不受***。CAN總線仍遵循ISO/OSI的標準參考模型。分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。通信速率高達1Mbps/40ｍ，直接傳輸距離最遠可達5Kbps/10km，可掛接110個設備。

  CAN總線主要應用于電力、汽車制造、公共交通車輛、機器人、液壓系統(tǒng)和分散型I/O，另外，在電梯、醫(yī)療器械、工具機床和樓宇自動化等場合也有應用。

 2.4  現(xiàn)場總線的關鍵技術[5]

  現(xiàn)場總線技術有賴于以下技術的發(fā)展：

(1)ASIC(專用集成電路) 儀表專用的大規(guī)模集成電路是現(xiàn)場儀表智能化，系統(tǒng)硬件小型化和軟件化的基礎。

(2)現(xiàn)場設備智能化 智能化的儀表和閥門除其原有功能之外，還以軟件的形式實現(xiàn)了控制、運算、通訊等功能。

(3)微型計算機技術

(4)通訊技術 有賴于建立統(tǒng)一的總線和網(wǎng)絡的通訊標準。

(5)OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的對象鏈接嵌入技術) OLE和OPC都是微軟公司開發(fā)的通用軟件，用于實現(xiàn)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享，使得客戶應用程序能夠用一致的方式從現(xiàn)場設備中讀取數(shù)據(jù)。

 3  現(xiàn)場總線在電力系統(tǒng)的具體應用

  現(xiàn)場總線技術發(fā)展至今，其應用范圍已涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個領域，顯示了強大的生命力?？紤]到電力系統(tǒng)環(huán)境特殊，需要一種可靠、實時性強、容易操作的測控網(wǎng)，并且應能把上層的管理網(wǎng)和前端的測控網(wǎng)連接起來。再結合現(xiàn)場總線技術的特點和應用場合，主要用于低層設備通信的現(xiàn)場總線在變電站、電廠和配電開關電器中都獲得了很好的應用。這對利用現(xiàn)有設備，進一步提高電網(wǎng)經(jīng)濟效益，都有十分重要的意義。

 3.1  基于現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)

  變電站自動化系統(tǒng)是90年代發(fā)展起來的多專業(yè)綜合技術，是電網(wǎng)運行管理中的一次變革[6]，是當代電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

  隨著變電站內繼電保護、監(jiān)測、控制、計量和事故記錄等領域使用基于微處理機的智能電子器件(Intelligent Electronic Device，簡稱IED)越來越廣泛，傳統(tǒng)的RS485或BITBUS的通信方式已不能滿足提高變電站自動化水平的要求?，F(xiàn)場總線以其獨特的優(yōu)勢在變電站自動化中進行通信聯(lián)系已是必然趨勢。

  目前，國內外已有許多廠家開發(fā)出基于CAN和LonWorks總線的變電站自動化控制系統(tǒng)，取得了良好的效果。如我國的四方公司在1993年已推出基于LonWorks總線的CSC2000型變電站綜合自動化系統(tǒng)，并已在珠海、嘉興和西安等地的220kV及110kV的變電站投入運行。山東工業(yè)大學與美國 Hathaway公司合作設計的 FJKB-900分散式電力監(jiān)控保護器就是一個以LonWorks技術為基礎的集測量、控制、保護系統(tǒng)為一體的裝置。它作為配電自動化系統(tǒng)中的柱上 RTU(遠程終端單元)和變電站自動化系統(tǒng)中的前沿控制機，已在美國許多地方的電力公司投入運行，我國山東恒臺電業(yè)局也引入了此裝置。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型變電站控制系統(tǒng)中使用LON總線，更新了原有SPA總線。美國的iIex System Inc公司亦生產(chǎn)采用LonWorks現(xiàn)場總線的變電站自動化系統(tǒng)，其集成節(jié)點為串口節(jié)點，具有豐富的通信規(guī)約，可以與不同廠家、不同網(wǎng)絡的智能電子儀表（IED）相連。也有按實際情況采用RS485和現(xiàn)場總線等多種通信方式，即對數(shù)據(jù)量小、實時性要求不高的現(xiàn)場設備使用RS485，而對實時性要求高的現(xiàn)場設備使用現(xiàn)場總線。例如，南瑞集團開發(fā)的 BJ系列變電站綜合自動化系統(tǒng)就是采用多種通信方式。

3.2  基于現(xiàn)場總線的智能化配電與控制系統(tǒng)

  帶有總線接口的開關電器的出現(xiàn)，使得進行智能化配電成為現(xiàn)實。智能化配電與控制系統(tǒng)就是用現(xiàn)場總線把許多帶有通信接口的開關電器和控制設備與計算機連接起來，由計算機實現(xiàn)遙控、遙測、通信的新型配電與控制系統(tǒng)。智能化配電與控制系統(tǒng)一般由主控制器（PLC、PC機等）、通信網(wǎng)絡、智能化開關電器和控制設備三大部分組成。

  現(xiàn)階段成熟的產(chǎn)品有西屋公司的IMPACC (Integrated Monitoring Protection and Controlled Communication)系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)采用Modbus現(xiàn)場總線技術，可以連接達1000個匹配設備，通信距離可達2300m（雙絞線），系統(tǒng)擴容簡便“即插即用”。IMPACC系統(tǒng)擁有多種可通信智能化控制器及儀表，這些匹配儀表都內置有INCOM芯片，該芯片能直接與IMPACC系統(tǒng)總線相連完成雙向通信功能。IMPACC系統(tǒng)通過現(xiàn)場或遠離現(xiàn)場的中央控制室來實現(xiàn)對設備和元件的檢測、保護和控制通信。通過現(xiàn)有的各種軟件，操作人員可以得到各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)自己的安全等級對設備進行控制。IMPACC系統(tǒng)主要特點有：完善的監(jiān)測、控制能力；具有故障預警、關時報警、維護報警及故障診斷信息；先進的電能管理系統(tǒng)等。

  另外，ABB公司基于LonWorks總線的INSUM系統(tǒng)也很成熟，使得智能化配電與控制已經(jīng)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮很大的作用。

 3.3  基于現(xiàn)場總線的供電和電業(yè)管理系統(tǒng)的展望

  隨著市場競爭的加劇，企業(yè)為提高經(jīng)濟效益，增強競爭力，需要進行生產(chǎn)經(jīng)營的整體優(yōu)化，把生產(chǎn)過程、企業(yè)管理、市場營銷等各個環(huán)節(jié)組織為一個系統(tǒng)，從全局角度制定各功能層次的實施策略，實現(xiàn)一體化目標下的綜合自動化。

  以往主要應用在電廠熱控系統(tǒng)及對其他輔助系統(tǒng)和設施的監(jiān)控中的DCS由于技術上的原因，使得現(xiàn)場設備監(jiān)控的實時性及現(xiàn)場測控網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送和管理難以滿足復雜的電業(yè)管理的需要，從而造成大多數(shù)電廠的控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理系統(tǒng)分離的局面?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)FCS的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了分布式控制，使控制系統(tǒng)的結構發(fā)生了根本的變化。由于控制功能的下移，一般的控制功能可在智能變送器和智能執(zhí)行器間完成。復雜的控制功能和連鎖控制功能可通過插卡上的CPU或現(xiàn)場控制站上的CPU完成。一些原由上位機完成的高級應用軟件也可由FCS來完成。加上設備級的現(xiàn)場總線測控網(wǎng)絡的實時性和可靠性得以滿足，這就促進了企業(yè)管理功能和過程控制功能的融合，使得一體化目標下的綜合自動化成為可能。不久的將來，企業(yè)網(wǎng)絡可能將逐步過渡到完全的 Internet與現(xiàn)場總線的集成化結構，實現(xiàn)從現(xiàn)場測控到企業(yè)內部信息系統(tǒng)的集成化以及與企業(yè)外部信息連通的集成化。

 4  結語

  現(xiàn)場總線采用網(wǎng)絡技術、微處理等先進技術實現(xiàn)現(xiàn)場設備的智能化、通訊數(shù)據(jù)化，開創(chuàng)了自動化系統(tǒng)的新紀元。

  本文指出在電力系統(tǒng)的各個方面不僅采用現(xiàn)場總線通訊技術，關鍵是用新一代的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的分散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成，并對現(xiàn)場總線技術在供電和電業(yè)管理系統(tǒng)中的應用進行了展望。其最終的形式就是形成一個全數(shù)字化、全分散式、全開放、可互操作和開放式的新一代電力自動化系統(tǒng)。

（轉載）