智能化配电系统中的多现场总线技术

一、概述

现场总线是近年来自动化领域中发展很快的互连通信网络，具有协议简单开放、容错能力强、实时性高、安全性好、成本低、适于频繁交换等特点。目前，国际上各种各样的现场总线有几百种之多，统一的国际标准尚未建立。较著名的有基金会现场总线（FF）、HART现场总线、CAN现场总线、LONWORKS现场总线、PROFIBUS现场总线、MODBUS、PHEONIX公司的INTERBUS、AS－INTERFACE总线等。

智能化配电系统就是通信网络把众多的带有通信接口的中、低压开关和控制设备与主计算机连接起来，由计算机进行智能化管理，实现集中数据处理、集中监控、集中分析和集中调度的新型配电系统。智能化配电系统一般由主计算机、通信网络、智能化开关和控制设备三部分组成。

从目前国内外智能化配电系统所应用的现场总线来看，主要有PROFIBUS－DP、MODBUS、LONWORKS等，而FF、HART、CAN等现场总线在智能化配电系统中应用则较少。以上系统基本上都是采用单一的现场总线技术，即整个智能化配电系统中只采用一种现场总线，整个系统构造比较单一。

随着自动化技术和通信技术的发展，带有通信接口的产品应用量越来越大，而且随着用户对配电系统可靠性和灵活性的更高要求，加上各现场总线本身的特点以及相关的产品品种繁多，因此在一些工程的智能化配电系统中，采用一种现场总线总线的智能化产品往往不能满足应用的全面要求，多现场总线产品共存于一个智能化配电系统已成为一个现实的问题。

由于多现场总线系统中不同类型的产品均配专用的通信协议，有的厂家还专门为自己的产品开发了专用的通信卡、通信控制器等专用设备，因此，整个系统中的产品由于通信协议不同无法直接和主控单元进行通信，这严重防碍了用户的选择。对用户而言,如果在一个智能化配电系统中每一种智能化产品均选择其专用的通信卡或通信控制器，一个智能化系统将变得支离破碎，组态性和灵活性均较差，而且在系统进行改造或升级时，将要花费用户更多的时间和费用。因此，多现场总线技术在一个智能化配电系统中的应用已成为一个重要的研究课题。

二、多现场总线技术

目前，在一些工程中通常的做法是在某种现场总线的基础上开发能连接其他公司现场总线的接口产品。由于现场总线国际标准尚未建立，多种类型的现场总线枚不胜数，需要开发大量的接口产品才能满足不同工程需要。如果仅以FF、CAN、LONWORKS、PROFIBUS－DP、MODBUS五种著名现场总线为例，要使它们中任意两种不同现场总线能统一于一个智能化配电系统中，仅是协议转换器这种接口产品就要有二十种之多，如果一个系统中有三种或三种以上不同现场总线产品，那麻烦则更大。不少企业，包括一些国际上的大公司为了解决来自不同厂家的产品兼容性问题，都投入了巨大的精力和财力，但成效甚微。

针对上述在智能化配电系统开发中遇到的实际问题，我们提出了通用型现场总线协议控制器这种全面的解决方案，通过硬件和软件的方法共同对现场总线协议进行处理，解决智能化配电系统中多现场总线的兼容性问题，其目的是为了能将不同现场总线的产品和谐地融入一个系统中，充分发挥不同产品的长处，为那些希望使用不同厂家优质产品的用户提供更大的灵活性。

通用型现场总线协议控制器是现场级的通用通信管理设备，由它把各个现场设备连成网络，并负责现场设备上位机之间的信息传递。由于其是通用性的，只需通过相应的CPU及接口电路和软件就可以完成多种现场总线协议的转换，实现与不同厂家的现场设备进行通信。

三、现场总线协议控制器

通过多种方案的比较，采用模块化结构和多CPU工作方式来设计通用型现场总线协议控制器。因为模块化的结构可以使系统有较强的扩展能力，为系统将来的升级换代带来便利。

通用型现场总线协议控制器主要由底板和插卡组成，其中底板带有电源以及扩展槽和固定支架等，并且系统总线也是在底板,扩展槽和底板上的信号线构成。插卡分三种，分别为主控板、协议板、接口板，其中主控板和协议板带CPU。主控板负责管理整个系统以及与上位机的通信，通用型现场总线协议控制器通过RS232接口与上位机连接，主控板通过它与上位机进行信息交换，主要包括：管理系统总线，给协议板和接口板分配系统资源，与协议板进行信息交换，对来自协议板的数据进行处理，等待上位机提取。协议板是通用型现场总线协议控制器的关键部分，所有与现场设备的通信都由它完成。协议板可以提供多种现场总线协议，一般一块协议板只能进行一种现场总线协议的通信。接口板从属于某一协议板，为协议板提供通信接口。用户可以根据实际情况进行选择，接口种类有RS232、RS422、RS485等。通用型现场总线协议控制器与上位机以及与现场设备的通信都采用串行方式，而通信控制器内部各插卡之间通过系统总线来完成。其中主控板与各协议板的通信采用主从式。主控板通过系统总线分别与协议板进行通信，各协议板之间不能进行通信。

通信过程如下：主控板在系统总线上，通过广播方式发送协议板号来呼叫与之通信的协议板，每块协议板上有协议板号识别电路，只有与发送的协议板号相符的协议板才响应主控板，从而实现主控板与协议板的通信。当用户增加新的协议设备时，不必改动硬件，只需在增加的新的协议板上设置好协议板号，并在上位机的组态中添加相应的系统信息存入计算机即可。协议板和接口之间的信息传递通过系统中的局部总线来完成。

四、应用实例

通用型现场总线协议控制器已经在我们最新开发的CE2000电站综合自动化系统中完成，并与多种产品进行了通信联网试验。系统中的主要产品有：美国西屋公司采用INCOM（MODBUS）通信协议的智能化产品、德国西门子公司和德国默勒公司采用PROFIBUS－DP通信协议的智能化产品、南京因泰来公司采用其内部通信协议INTBUS的综合数字保护继电器产品。

整个系统由配各种智能化开关柜的硬件系统和软件系统两部分组成。硬件包括各种智能化开关柜、通用型现场总线协议控制器、上位控制计算机。软件由主控程序、通讯界面和人机界面三部分组成。根据以上硬件设备的配置情况，在上位机上输入系统配置信息，通过串行口传递给控制器主板。主控板将系统配置信息分类传递给各协议板，各协议板收到系统信息后与所属硬件设备进行通信，将采集到的数据经主控板传送到上位机，并通过主控板接受上位机命令。

五、结束语

现场总线作为自动化领域的一次革命，它的意义和产生的效益是非常巨大的。积极开展各种现场总线技术的研究和应用，特别是加强对于一些已有成功经验的现场总线在智能化配电系统中的开发与应用，对于开关柜制造厂家来说可以避免很多弯路和资源浪费，是适合我国国情的一个实用的发展途径。

CE2000电站综合自动化系统采用多现场总线技术，全中文操作界面，具有很高的通用性和灵活性以及较低的成本，使其具有非常高的应用价值，可以使用户方便、灵活地构成一个实用可靠的智能化配电系统，其优良的可扩展性使其能够适应通信技术发展的潮流，满足不同用户的需要。