摘要：现场总线技术是当今自动化领域的热点话题，也将成为电力系统的主流通讯控制技术。现场总线技术的迅猛发展正在给工业测控领域带来深刻变革。本文结合当今现场总线在电力系统的应用现状，对影响现场总线应用的关键因素作了深入的分析。
关键词：现场总线; 智能现场设备；OPC; 以太网；无线现场总线

Abstract: Fieldbus technology is a hot topic in auto field today, and it will become the main communication and control technology. The rapid development of fieldbus technology brings about a profound revolution to industrial measure and control field. The paper introduces the current applications for fieldbus technology to electric power system, and probes into some key factors of affecting the applications for fieldbus technology.
Key words: Fieldbus; Intelligent instrument; OPC; Ethernet; Wireless
fieldbus

1  引言

    21世纪是信息化的时代，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化是大势所趋。现场总线技术是20世纪80年代末90年代初发展起来的应用于过程自动化和制造自动化领域的现场设备互联网络通信技术。随着通信、计算机、网络和自动化控制等技术的发展，各行业正逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统。以现场总线为基础的综合控制系统在电力系统得到广泛的应用。
    现场总线作为顺应这种发展潮流而出现的技术目前已经比较成熟。但是现场总线技术存在许多不足，现有的现场总线标准过多，在今后一段时间内将会形成多种总线并存、相互竞争共同发展的格局。不同类型的现场总线设备均配有专用的通信协议,无法实现信息的无缝集成。本文分析了当今现场总线在电力系统的应用现状，讨论了有关影响现场总线在电力系统应用的几个关键问题，包括智能仪表智能现场设备的基础作用和技术壁垒、工业以太网络的应用以及OPC技术推广等。

2  现场总线特点

    现场总线是计算机网络适应工业现场环境的产物。它是用于现场仪表与控制系统和控制室之间的一种串行、全分散、全数字化、智能、双向、多变量、多点、多站的通信系统。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，共同实现自动控制功能的网络系统与控制系统。现场总线技术与办公网络环境下的网络技术的最大不同点是其实时性和准确性可以得到保证，因此其在工业控制环境中得到了广泛的应用。现场总线实现了用数字化通信代替4～20mA模拟仪表，将控制功能下放到现场，从而实现了彻底的分散控制，并实现了现场设备的远程控制和故障诊断。

3  现场总线在电力系统的应用现状

    为了增加产量、改善管理，提高企业的市场应变能力和竞争能力，以现场总线为基础的综合信息系统，即以现场总线为基础，利用先进的计算机网络通讯技术、控制技术来实现企业生产信息、控制信息、安全信息和管理信息的集成，在电力系统已经得到广泛的应用，根据电力企业的特点，有电网运行实时控制系统，包括电网自动发电控制系统及支持其运行的调度自动化系统，火电厂分布控制系统（DCS、BMS、DEH、CCS），水电厂计算机监控系统，变电所及集控站综合自动化系统，电网继电保护及安全自动装置，电力市场技术支持系统等。
    以现场总线为基础的综合信息系统一般具有三层系统结构，如图1所示。

图1  综合信息系统的三层系统结构

    现场总线是将自动化最底层（基础和过程自动化层）的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通讯网络，作为电厂网络底层的现场总线对现场环境有较强的适应性。将现场总线引入电力综合信息系统控制系统，不仅使安装、调试、维护更加容易，而且提高了系统的可靠性。现场总线的分散化，有效地降低了系统的故障率，并为电力系统的实现遥控、遥视及综合自动化提供了可能。现场总线在电力系统各综合信息系统的应用，大大节约了投资，而且使监控系统更加分散，不但提高了电力系统的自动化水平，而且对各部门实现"无人值班、少人值守"具有一定的意义。
    但是由于现场总线的功能单一和实现标准的不统一，基于现场总线的电力综合信息系统面临着在不同的现场环境下需要使用不同类型的现场总线的问题，同时多类型现场总线的使用又使得整个控制系统显得相当混乱，而且现场总线类型的选择本身也是个棘手的问题。为了现场总线能在我国的电力行业得到更加广泛的应用，下面对影响现场总线在电力系统应用的几个关键问题进行讨论。

4  关键因素分析

4.1  更丰富的电力智能现场设备
    现场总线的出现给人们带来了机遇与挑战，但目前具备现场总线通信能力的智能电力现场设备品种还不够多，过渡时期虽然可通过接口和常规设备联接，但也失去了现场总线的本质优点。价格和常规设备相近的品种丰富的智能总线现场设备既是广泛使用现场总线技术的条件和动力，也是广泛使用现场总线技术导致的结果。新一代的电力总线现场设备将向着高度智能化、网络化、柔性化的趋势发展。日益发展的IT技术也使电力现场设备高度智能化成为可能。各种专用芯片的设计及应用，将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的嵌入式专用系统，及与虚拟仪器技术的结合，已成为现场设备智能化的新途径。将模糊控制、神经网络、专家系统等智能理论融入其中，通过对软件的改进，必将使电力现场设备的智能化程度更高，为实现真正的分散控制提供有力的保障。
    电力系统的现场总线现场设备包括智能化仪器仪表控制器和网络连接设备如智能变送器、智能执行器、智能控制调节、智能化断路器、带通信接口的变频器、网桥、中继器、连接接口卡等。现场总线控制系统中，智能变送器送出符合现场总线协议规定的数字信号。变送器不仅有检测、变换和补偿功能，而且还有运算和PID运算功能。智能执行器接受现场总线传过来的数字信号，经处理后直接控制生产过程。智能化断路器如智能化万能式断路器、智能化交流接触器、智能化重合控制器、智能化电动机保护器和起动器，这种电器都和一定的现场总线相连接。网桥完成总线转换，将不同总线集成于一个系统中。中继器将两个网段透明的连接起来，达到延长通信距离的目的。连接接口卡实现现场总线与监控设备等的连接。
    研制更多适合电力行业特点的现场总线现场设备，是推动现场总线在电力系统广泛应用的一个前提条件。设备生产厂商首先面临的是攻克现场总线现场设备的技术壁垒。大力开发高度智能化、网络化、柔性化的现场设备是推动现场总线技术发展的基础工作。
4.2  攻克电力智能现场设备的技术壁垒
    电力现场总线现场设备面临的是标准的不统一和产生设备的兼容性问题。电力现场总线现场设备，对于单独的现场总线，它既规定线路，又规定如何有效使用这种线路，还要提供错误检测和修复功能，它还是一种应用协议以及规定如何使用网络的应用别名。但是由于是在复杂的网络环境下使用单一的协议来实现这么多的功能，必然会导致标准的不统一和产生设备的兼容性问题，这也是目前现场总线的现状和亟待解决的问题之一。从设备生产厂商的角度来看，他们希望他们的产品能够通用于各种不同的系统中，但对于一个设备提供能对不同标准的支持需要在前期开发中大量的资源投入。比较理想的解决方案是对这些不同的工业网络（应用于不同的环境和场合）在设备级提供一种通用的开放的接口，开放系统互连模型是现场总线技术的基础，是现场总线现场设备的技术壁垒。
4.3  多种类型的现场总线的无缝集成
    虽然现场总线已经在电力系统自动化综合控制系统如变电站自动化领域有了不少成功的应用经验，但却包括了LonWorks、CAN、Profibus等多种互不兼容的现场总线标准,因此有必要集成各种现场总线系统，使其协同工作。为了解决同一控制系统中多种现场总线的集成问题，在一些工程中通常是利用某种标准技术（如OPC技术等）开发能够连接其现场总线的接口。OPC技术是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放接口标准和技术规范，它为不同的现场总线控制网络间提供了一个通用的OPC接口。不同类型的现场总线可以通过运用OPC技术，间接地实现信息的交互。这确实也是现今解决因多种现场总线标准不同而造成总线互操作极其困难的较佳方法之一，因而，这就使工业通信网络横向和纵向集成的实现变得简单。目前在电力系统已提出了一种基于交换式以太网技术的多现场总线集成的解决方案。通过以太网与现场总线在更底层的结合，使得控制系统体系结构更加扁平化。如何较好的解决电力工业企业现存的不同种类现场总线之间的互操作问题,使其协同工作，对于实现电力自动化系统的信息集成具有重大的现实意义。
4.4  无线通信技术与现场总线的集成
    电力工业生产现场存在大量传感器、控制器、执行器等，他们通常相当零散地分布在一个较大范围内。对由他们组成的工业控制底层网络来说，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输的任务比较简单，但实时性、快速性的要求较高。
    但在电力工业现场环境中还有许多无法靠"有线"方法实现连接的对象，需要用无线通信实现传感器信号或控制数据的传输。另外，在易腐蚀、强电等危险环境中，只能使用无线通信的方式。因此，研究工业控制环境下的无线数据通信技术是近年来新的发展趋势，其核心问题是如何实现无线通信技术与现场总线的集成。利用现有的无线移动通讯技术，在计算机网络通讯技术的支持下，结合现有的现场总线系统，实现一种在控制系统的现场设备层具有无线移动接入能力的、能传输多媒体信息的高性能无线现场总线，以解决电力环境下的诸如移动对象，危险环境对象与传统的有线连接对象之间的符合实时要求的、可靠的、兼顾多媒体大容量数据通讯和控制问题。

5  现场总线与Internet的连接前景

    随着以太网络在工控领域的逐步兴起，要将现场总线和Internet技术结合，尤其是TCP/IP结合起来。允许在一条总线上同时传递两种不同性质的信息，完全满足Internet传输和控制信息的实时传输互不干扰的要求。基于以太网络的 I/O模块大量出现，可以直接和以太网络连接，如果在模块内部嵌入WEB服务器，还可以通过浏览器直接访问，发展的前景十分诱人。但是在这方面，不能过分追求高新，而要结合电力行业的特点，以实用性、实时性、可靠性和安全性为主，才能切实可行地推动现场总线在电力工业的发展。

6  结语

    本文从实际应用角度出发，对现场总线在电力行业中应用几个关键问题进行了剖析。攻克现场总线现场设备的技术壁垒，大力发展智能化总线现场设备是现场总线测控系统的基础问题，也是影响现场总线在电力系统广泛应用的关键因素之一，要给现场予高度重视，并加大投入和研究的力度。将以太网络引入到现场控制级及OPC规范的普及，无线通信技术与现场总线的集成都是测控领域中的必然趋势，对现场总线在电力系统的应用有深远的影响。总之，现场总线技术在电力系统中将发挥越来越重要的作用。

参考文献:
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