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場儀表， 從而構成虛擬控制站，徹底地實現了分散控制。現場總線FCS是一種全分布控制系統，以CAN總線為基礎設計的變電站自動化控制系統具有高度的開放性、戶操作性等優(yōu)點，在實際應用中，效果顯著。

關鍵詞：現場總線 CAN總線 變電站 自動化控制系統

變電站綜合自動化系統是變電站自動化監(jiān)控管理的重要設備，它綜合了計算機技術、自動控制技術和通訊技術等技術于一身，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，并且可以根據需要，附加其他功能。隨著現場總線（FCS）的逐步發(fā)展，現場總線也廣泛運用到變電站自動化控制系統中去，它在減少系統纜線，簡化系統安裝、維護以及管理方面所表現出的強大優(yōu)勢，收到越來越多的關注。

1、 現場總線概述

現場總線是一種全分布控制系統，基特性具有：開放性、互操作性與互用性、現場設備的智能化與功能自治性、系統結構的高度分散性、對現場環(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、基金會現場總線FF。FF（基金會現場總線）是Fieldbus Foundation的簡稱。采用了ISO/OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層，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，物理傳輸介質采用雙絞線、電纜、光纖和無線電，協議符合IEC61158-2標準，基金會現場總線FF主要應用于過程自動化領域。

1.2、LonWorks。LONWORKS（局部操作網絡），LON是LocalOperationNetwork的簡稱。1991年美國ECHERON公司推出該產品。LonWorks采用了ISO/OSI模型的全部7層通信協議，其技術核心是綜合通信、控制功能于一體的Neuron芯片，該芯片封裝了LonTalk協議，并且集成了3個8位處理器，分別負責介質訪問、網絡處理及應用處理。傳輸介質采用雙絞線、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)點數高達3200個，被譽為通用控制網絡。

1.3、PROFIBUS。PROFIBUS（過程現場總線）是ProcessFieldBus的簡稱。1987年德國聯邦科技部集中了13家公司和5個研究所按ISO/OSI參考模型制訂現場總線的德國標準。PROFIBUS根據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）和設備描述語言（DDL），允許用戶對設備進行完全的內部操作，從而可以實現設備的互操縱性。PROFIBUS以OSI模型為基礎，包含PROFIBUS-DP、PROFIBUS-FMS和PROFIBUS-PA。DP型定義了物理層、數據鏈路層和用戶接口，主要應用于加工自動化領域，FMS定義了物理層、數據鏈路層和應用層，在樓宇、低壓開關等普通自動化領域應用范圍較廣，PA型采用了物理層、數據鏈路層，遵從IEC61158-2標準，專為過程自動化設計。其通信介質為雙絞線和光纖，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（控制器局域網絡）是ControllerAreaNetwork的縮寫。是由德國BOSCH公司開發(fā)的控制局域網，具有很高的可靠性、支持分布式實時控制的串行通信網絡。CAN總線采用了ISO/OSI模型的物理層和數據鏈路層。通信介質支持雙絞線、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

某10kv變電站是全戶內式變電站，采用雙回路進線，互為冗余。主變容量2×1 600 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計，采用綜合自動化方案。

2.1、系統功能要求

根據需要，除了設置一般的現場總線綜合自動化系統所需必要的與調度站的通信功能以及畫面顯示及打印功能外，還根據變電站的需要，設置如下主要功能：

實時數據采集與處理功。即通過各測控單元對現場的電壓、電流模擬量、脈沖量、溫度量等數據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。即能夠對變電站的運行狀態(tài)進行時時監(jiān)測，當部分設備出現異常，能夠及時發(fā)現并報警，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。

控制調節(jié)功能。這主要是指對斷路器、隔離開關、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節(jié)。

系統管理記錄功能。即對監(jiān)控范圍內的主要設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、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。即系統能夠對自身的硬件、軟件進行實時監(jiān)控，對出現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。同時當系統因為某種原因而死機，能夠自動實現軟硬件的自動恢復，保證系統正常運行。

2.2、通訊網絡

在這個系統中，采用的是CAN總線技術，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，這使得系統結構簡單，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的運行，因此，系統可靠性高，易于擴展，層次分明，便于維護。系統通訊網絡如下圖所示

2.3、系統硬件設置

該系統是由控制器通過CAN總線相連而組成的控制器局部網，因此CAN總線的設計就顯得極為重要。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計的關鍵。

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。

為滿足系統功能需要，使得系統具有更好的可拓展性，設計以獨立CAN控制器SJA1000來設計系統，整個線路的主要組成部分為SJA1000、CAN總線驅動器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2個30 nF的小電容。另外，電磁兼容領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之間進行調整的斜率電阻。

2.4、軟件流程

以CAN總線設計變電站自動控制系統，一方面系統硬件設計簡單，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)送的數據按規(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、結語

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