基于現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)的一種電站監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)的一種電站監(jiān)控系統(tǒng) 基于現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)的一種電站監(jiān)控系統(tǒng)邵英，夏立 （海軍工程大學(xué)，武漢430033） 摘 要：從電站底層自動(dòng)化及信息集成技術(shù)角度，論述了現(xiàn)場總線技術(shù)的概念及特點(diǎn)，并基于現(xiàn)場總線技術(shù)，利用組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了一種電站監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)試運(yùn)行表明，效果良好。 關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；組態(tài)軟件；電站；監(jiān)控系統(tǒng)1 引言隨著技術(shù)的進(jìn)步與自動(dòng)化程度的不斷提高以及電力系統(tǒng)減員增效要求的提出，實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化從而達(dá)到無人值班，已成為電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。為滿足變電站綜合自動(dòng)化發(fā)展的需要，研制了一套基于現(xiàn)場總線的變電站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，并已運(yùn)行了一年多的時(shí)間，運(yùn)行狀況很好。 2 現(xiàn)場總線技術(shù)2

2、1現(xiàn)場總線技術(shù)概念根據(jù)國際電工委員會(huì)IEC1158定義，現(xiàn)場總線（Fieldbus）是“安裝在生產(chǎn)過程區(qū)域的現(xiàn)場設(shè)備儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)之間的一種串行，數(shù)字式，多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線”?；蛘哒f，現(xiàn)場總線是以單個(gè)分散的，數(shù)字化智能化的測(cè)量和控制設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用總線相連接，實(shí)現(xiàn)相互交換信息，共同完成自動(dòng)控制功能的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)。22現(xiàn)場總線技術(shù)的主要特點(diǎn) 現(xiàn)場總線與一般的工業(yè)控制模式相比，主要有以下特點(diǎn)： （1）數(shù)字化通信取代420 mA模擬信號(hào)； （2）有利于現(xiàn)場設(shè)備智能化；（3）集現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化及故障診斷為一體；（4）現(xiàn)場總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信向現(xiàn)場級(jí)的延伸。23現(xiàn)場

3、總線的種類目前國際上現(xiàn)有各種總線及總線標(biāo)準(zhǔn)不下兩百多種。具有一定影響和已占有一定市場份額的總線有如下幾種： （1）PROFIBUS現(xiàn)場總線1996年3月15日批準(zhǔn)為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，即DIN 50170 V2。PROFIBUS產(chǎn)品在世界市場上已被普遍接受，市場份額占?xì)W洲首位，年增長率25。目前支持PROFIBUS標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品超過1500多種，分別來自國際上250多個(gè)生產(chǎn)廠家。在世界范圍內(nèi)已安裝運(yùn)行的PROFIBUS設(shè)備已超過200萬臺(tái)。PROFIBUS主要應(yīng)用領(lǐng)域有：制造業(yè)自動(dòng)化，過程控制自動(dòng)化，電力自動(dòng)化，樓宇自動(dòng)化，鐵路交通信號(hào)系統(tǒng)。 （2）FF現(xiàn)場總線1994年由ISP基金會(huì)和World FIP（

4、北美）兩大集團(tuán)合并成立FF基金會(huì)，其宗旨在于開發(fā)出符合IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)的，唯一的國際現(xiàn)場總線（Fundation Field bus）。低速總線（H1）協(xié)議已于1996年發(fā)表。1997年5月建立了中國現(xiàn)場總線（FF）專業(yè)委員會(huì)，并籌建FF現(xiàn)場總線產(chǎn)品認(rèn)證中心。FF現(xiàn)場總線的應(yīng)用領(lǐng)域以過程自動(dòng)化為主，如：化工、發(fā)電廠實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、廢水處理、油田等行業(yè)。 （3）LONWORKS總線LONWORKS現(xiàn)場總線全稱為LONWORKS Networks，即分布式智能控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。希望推出能夠適合各種現(xiàn)場總線應(yīng)用場合的測(cè)控網(wǎng)絡(luò)。目前LONGWORKS應(yīng)用范圍廣泛，主要包括工業(yè)控制，樓宇自動(dòng)化，數(shù)據(jù)采集，SCA

5、DA系統(tǒng)等。國內(nèi)主要應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化方面。 （4）CANBUS現(xiàn)場總線CANBUS現(xiàn)場總線已由ISOTC22技術(shù)委員會(huì)批準(zhǔn)為國際標(biāo)準(zhǔn)IOS11898（通訊速率小于1 Mbps）和ISO 11519（通訊速率小于125 kbps）。CANBUS主要產(chǎn)品應(yīng)用于汽車制造、公共交通車輛、機(jī)器人、液壓系統(tǒng)、分散型IO。另外在電梯、醫(yī)療器械、工具機(jī)床、樓宇自動(dòng)化等場合均有所應(yīng)用。 （5）WorldFIP現(xiàn)場總線1996年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN 50170 V3）。WorldFIP現(xiàn)場總線適用范圍廣泛，在過程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、電力及樓宇自動(dòng)化方面都有很好的應(yīng)用。 （6）PNET現(xiàn)場總線1987年P(guān)NET標(biāo)準(zhǔn)

6、成為開放式的完整標(biāo)準(zhǔn)，成為丹麥的國家標(biāo)準(zhǔn)。1996年成為歐洲總線標(biāo)準(zhǔn)的一部分（EN 50170 V1）。1997年組建國際PNET用戶組織，現(xiàn)有企業(yè)會(huì)員近百家，總部設(shè)在丹麥的Siekeborg，并在德國、英國、葡萄牙和加拿大等地設(shè)有地區(qū)性組織分部。PNET現(xiàn)場總線在歐洲及北美地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，其中包括石油化工、能源、交通、輕工、建材、環(huán)保工程和制造業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。24目標(biāo)電站的概況和現(xiàn)場總線的選取某電站系統(tǒng)主要由6臺(tái)1000 kW的主柴油發(fā)電機(jī)組、3個(gè)控制室以及一個(gè)電站集中控制室組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。針對(duì)上述狀況，本文采用的是CANBUS現(xiàn)場總線。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)CANBUS現(xiàn)場總線

7、技術(shù)中最核心的技術(shù)主要有： （1）一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)與系統(tǒng)，部件與部件之間用作通訊的連接線只有2條，信息傳遞采用串行編碼方式； （2）整個(gè)系統(tǒng)中的信息全部為數(shù)字量；（3）增加的分系統(tǒng)或部件在保證速度的前提下，只需往通訊線上掛接。正是由于這些技術(shù)，使得系統(tǒng)將具有極高的可靠性和非常簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)的CAN總線連接圖如圖2所示。采用這種現(xiàn)場總線可從現(xiàn)場設(shè)備獲取大量豐富信息，增強(qiáng)了現(xiàn)場級(jí)信息集成能力。它不單純?nèi)〈?20 mA信號(hào)，還可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、故障、參數(shù)信息傳送。系統(tǒng)除完成遠(yuǎn)程控制，還可完成遠(yuǎn)程參數(shù)化工作。 （1）控制器由于控制器對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)控是通過標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線通信完成，因此沒有必要

8、使用與控制器捆綁的IO模塊產(chǎn)品，可使用任何一家的具有現(xiàn)場總線接口的現(xiàn)場設(shè)備與控制器集成。因此控制器的主要指標(biāo)是高速指令處理能力和大存儲(chǔ)容量及現(xiàn)場總線通信接口。 （2）IO模塊插在控制器機(jī)架上的IO模塊由連接到現(xiàn)場總線上的分散式IO模塊所取代。分散式IO不再是控制器廠家的捆綁產(chǎn)品，而是第三方廠家的產(chǎn)品（如高防護(hù)等級(jí)，本征安全，可接受RTD、mV、高壓、大電流信號(hào)等）。 （3）現(xiàn)場設(shè)備具有程序及參數(shù)存儲(chǔ)、智能控制功能，具有現(xiàn)場總線接口?？刂破鲗⑾路乓欢ǖ目刂乒ぷ饔涩F(xiàn)場設(shè)備自身完成，控制器只作參數(shù)化及運(yùn)行監(jiān)測(cè)工作。如驅(qū)動(dòng)器、傳感器、變送器、具有專業(yè)控制算法的調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、HMI、電機(jī)啟動(dòng)及電流保

9、護(hù)裝置、輸配電保護(hù)裝置、高、低壓開關(guān)設(shè)備。 （4）軟件一方面，軟件不再與控制器、IO、現(xiàn)場設(shè)備等硬件捆綁，可運(yùn)行在通用的標(biāo)準(zhǔn)控制器硬件平臺(tái)上。另一方面軟件必須是開放式的，允許應(yīng)用程序的嵌入。本系統(tǒng)采用的就是具備此種特征的一種組態(tài)軟件“Intouch組態(tài)軟件”。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)41Intouch組態(tài)軟件簡介“Intouch組態(tài)軟件系統(tǒng)”是人機(jī)界面（HMI）產(chǎn)品。它主要有以下功能。 （1）分布式數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)分布式系統(tǒng)可同時(shí)支持多動(dòng)態(tài)DDE數(shù)據(jù)類型。使操作人員可以同時(shí)觀察和了解多個(gè)遠(yuǎn)程地點(diǎn)的信息； （2）分布式歷史記錄分布式歷史趨勢(shì)系統(tǒng)使現(xiàn)場工作人員能動(dòng)態(tài)地給趨勢(shì)圖表的每個(gè)筆確定不同的歷史文件數(shù)

10、據(jù)源； （3）動(dòng)態(tài)分辨率轉(zhuǎn)換能在一種分辨率下開發(fā)應(yīng)用程序，而無需改動(dòng)應(yīng)用程序就能在另一種分辨率下運(yùn)行。應(yīng)用程序還可以不按顯示分辨率而按用戶定義的分辨率運(yùn)行； （4）動(dòng)態(tài)引用定址可以通過改變數(shù)據(jù)源的引用字段來動(dòng)態(tài)地尋址標(biāo)記名的多個(gè)數(shù)據(jù)源； （5）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開發(fā)新的遠(yuǎn)程開發(fā)功能提供了大型多節(jié)點(diǎn)的安裝，包括從一個(gè)開發(fā)工作站上修改網(wǎng)上的所有節(jié)點(diǎn)的能力。42電站監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)電站監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠現(xiàn)場總線（CAN總線）接收硬件設(shè)備數(shù)據(jù)，由“Intouch組態(tài)軟件”系統(tǒng)完成軟件編程。具體系統(tǒng)連接框圖如圖3所示。從圖中可以看到，需研制的控制軟件主要包括：Udboard通訊程序，引導(dǎo)程序，變量定義程序，實(shí)時(shí)

11、監(jiān)測(cè)顯示軟件等部分。其工作流程大體為：硬件開關(guān)或按鈕的動(dòng)作被數(shù)據(jù)變化并監(jiān)測(cè)程序檢測(cè)到以后，經(jīng)Udboard通訊程序傳至位于計(jì)算機(jī)內(nèi)的引導(dǎo)程序。引導(dǎo)程序?qū)⒂布顟B(tài)變化轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的變量數(shù)據(jù)變化之后，傳給運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，以便從屏幕上直接觀察開關(guān)或按鈕的動(dòng)作情況。 （1）信號(hào)的傳輸本系統(tǒng)按每8個(gè)數(shù)字量一個(gè)控制單元庫，每一個(gè)模擬量一個(gè)控制單元庫，進(jìn)行庫的編號(hào)和板的標(biāo)號(hào)，并以單元庫為單位進(jìn)行CAN總線的數(shù)據(jù)通訊，這就大大優(yōu)化了數(shù)據(jù)通訊方式。通訊速度與通訊數(shù)據(jù)量是一對(duì)矛盾，過大的數(shù)據(jù)量必然導(dǎo)致通訊速度的下降。為此，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用了信號(hào)動(dòng)態(tài)傳輸和屏蔽技術(shù)。信號(hào)動(dòng)態(tài)傳輸技術(shù)，是指通過軟件編程

12、，使CAN總線只傳輸數(shù)據(jù)或狀態(tài)發(fā)生變化的變量，對(duì)數(shù)據(jù)或狀態(tài)沒有發(fā)生變化的變量暫時(shí)不予傳輸。這種動(dòng)態(tài)傳輸方式可大大減少數(shù)據(jù)傳輸量，明顯提高通訊速度，滿足電站操作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。屏蔽技術(shù)，是指在反應(yīng)速度要求極高的操作或數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)情況時(shí)，通過軟件編程，使CAN總線只傳輸與之有關(guān)的幾十個(gè)變量，短時(shí)屏蔽掉其余所有與之無關(guān)同時(shí)也不被操作人員當(dāng)時(shí)所注意的變量。這樣的設(shè)計(jì)方法能完全滿足在本電站操作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為數(shù)不多的對(duì)反應(yīng)速度要求極高的情況。 （2）引導(dǎo)程序設(shè)計(jì)單元庫所表示的硬件信息計(jì)算機(jī)是無法識(shí)別的，因此，編制引導(dǎo)程序的目的，是建立一種硬件單元和變量名之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)變量的變化而識(shí)別硬件單元的變化，從而進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。 （3）操作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件操作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是對(duì)監(jiān)測(cè)畫面中的每一個(gè)儀表、按鈕、開關(guān)、指示燈等進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)，使其動(dòng)作與實(shí)物完全對(duì)應(yīng)，方便集中控制室對(duì)整個(gè)電站的遙控與監(jiān)測(cè)。5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果所設(shè)計(jì)的電站監(jiān)控系統(tǒng)在以模擬器的形式進(jìn)行了為期一年的試運(yùn)行，結(jié)果表明整套電站監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，操作使用方便。同時(shí)，集中控制室的電站操作監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)人員的操作進(jìn)行正確地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，效果極