現(xiàn)行在線監(jiān)測系統(tǒng)總線的研究與分析

李鋮

(四川宏業(yè)電力集團有限公司工程部，四川 成都 610091)

1 系統(tǒng)總線概述

在線監(jiān)測技術的發(fā)展促進了電力系統(tǒng)檢修從以時間為基礎的檢修體制(Time Based Main-tenance)過渡到以狀態(tài)為基礎的檢修體制(Condition Based Maintenance)［1，2］。系統(tǒng)總線作為在線監(jiān)測系統(tǒng)主從機之間實現(xiàn)雙向串行多節(jié)點數(shù)字通信的通道，起著非常重要的作用。采用總線技術可以為在線監(jiān)測系統(tǒng)搭建開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。

串行系統(tǒng)總線經(jīng)歷了從最初的RS－232到RS－485再到現(xiàn)在技術較為成熟的現(xiàn)場總線的變化。RS－232作為最早應用的異步串行通訊總線，雖然在最初的階段發(fā)揮了重大的作用，比如計算機串口即為RS－232，但由于本身電氣和機械特性的缺點導致被后來的RS－485所代替。RS－485傳輸距離遠，抗干擾能力強，通信速率較高，并且成本低廉，從其誕生開始市場占有率就非常高，而且目前仍然占據(jù)著重要位置。隨著信息技術、自動化技術的飛速發(fā)展，20世紀80年代中期以后，現(xiàn)場總線開始興起。作為一種專業(yè)的系統(tǒng)總線，現(xiàn)場總線能夠解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題，并為電力系統(tǒng)實現(xiàn)遙控、遙視及綜合自動化提供了可能。相比較RS－485，現(xiàn)場總線更加功能智能化和結構分散化。

雖然現(xiàn)場總線具有通信標準公開，系統(tǒng)具備開放性，設備間具有互可操作性;功能塊與結構的規(guī)范化使相同功能的設備間具有互換性;控制功能下放到現(xiàn)場，使控制系統(tǒng)結構具備高度的分散性等諸多優(yōu)點，但由于現(xiàn)場總線的發(fā)展沒有經(jīng)過一個統(tǒng)一標準的制約，造成了目前現(xiàn)場總線種類繁多的困局。現(xiàn)有的40余種現(xiàn)場總線中，比較出名的包括法國的 FIP、英國的ERA、德國西門子公司的ProfiBus、挪威的FINT、Echelon公司的 LonWorks、Phenix Contact公司的 InterBus、RoberBosch公司的 CAN、Rosemounr公司的 HART、CarloGarazzi公司的 Dupline、丹麥 ProcessData公司的P-net、PeterHans公司的 F-Mux，國際標準組織的 FF、WorldFIP、BitBus，美國的 DeviceNet與 Control-Net等等。為了有一個較為統(tǒng)一的局面，IEC在2003年4月頒布了61158 Ed.3的現(xiàn)場總線標準，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場總線。實際上，現(xiàn)場總線從誕生開始就受到各廠商自身利益甚至國家利益的影響，10種現(xiàn)場總線的同時存在意味著仍然沒有一種統(tǒng)一的標準。我國由于沒有相應的總線標準，市場也非?；靵y，制約了相應產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

電力系統(tǒng)在線監(jiān)測也存在的系統(tǒng)總線選取的問題，從已經(jīng)投入使用的在線監(jiān)測系統(tǒng)反映出，RS－485仍然是主要的選擇對象［3－8］，但由于 RS－485存在著某些不可避免的缺點，CAN和 LonWorks也有應用［9－11］。本文在對幾種系統(tǒng)總線進行分析和對比的基礎上，提出適用的系統(tǒng)總線，為在線監(jiān)測系統(tǒng)設計提供一定的參考。

2 幾種系統(tǒng)總線的特點分析

目前應用在在線監(jiān)測的系統(tǒng)總線，RS－485最多，其次是CAN和LonWorks，本文將主要分析這三種系統(tǒng)總線，同時FF(現(xiàn)場總線基金會)現(xiàn)場總線作為目前比較公認的國際標準，也有所分析。

2.1 RS485總線

EIA(Electronic Industries Association)于1983年頒布RS－485總線標準(RS為Recommended Standard的縮寫)。原本RS－485的提出是為了解決RS－232串行通信在傳輸距離和通信速率上的不足，其中增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。RS－485后命名為TIA/EIA －485 － A 標準，其主要特性如下［1，12－13］。

(1)RS－485中邏輯“1”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示;邏輯“0”以兩線間的電壓差為－(2～6)V表示。該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

(2)RS－485接口的最大傳輸距離標準值為1200m，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。

(3)RS－485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力強，即抗噪聲干擾性好。

(4)RS－485接口在總線上允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的RS－485接口方便地建立設備網(wǎng)絡。

(5)RS－485一般只需兩根連線，屏蔽雙絞線即可滿足要求。

(6)RS－485通信標準是屬于七層(OSI開放系統(tǒng)互聯(lián))模型的物理層的協(xié)議標準，并不涉及接插件、電纜或協(xié)議，因此用戶可根據(jù)需要建立自己的高層通信協(xié)議及符合協(xié)議標準的服務軟件。

2.2 CAN總線

CAN(Controller Area Network控制器局域網(wǎng))是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡，比如發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表設備、電子主干系統(tǒng)。由于CAN本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車工業(yè)，正在向過程控制、機械工業(yè)、紡織工業(yè)、機器人及傳感器等領域發(fā)展，目前已經(jīng)形成了國際標準(ISO11898)，現(xiàn)在很多半導體廠商推出的CPU中都內置了該控制器。CAN 具有如下特性［12－15］。(1)CAN的通信速率為5Kbps(10km)、1Mbps(40m)，節(jié)點數(shù)是110個，傳輸介質為雙絞線或光纜等。

(2)CAN采用點對點、一點對多點及全局廣播3種方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

(3)CAN可實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)且無主、從機之分，每個節(jié)點均可主動發(fā)送報文，用此特點可方便地構成多機備份系統(tǒng)。

(4)CAN采用非破壞性總線優(yōu)先級仲裁技術。當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)發(fā)送信息;按節(jié)點類型分成不同的優(yōu)先級字節(jié)數(shù)為8個，傳輸時間短，受干擾的概率低。

(5)CAN采用循環(huán)冗余校驗及其他檢錯措施，這樣不影響總線的正常工作。

2.3 LonWorks總線

LonWorks總線技術是美國Echelon公司1991年推出的局部操作網(wǎng)絡，并由Motorola、Toshiba公司共同倡導。LonWorks是將通信協(xié)議嵌入到一個芯片內，用戶采用該芯片及相關的配件就可設計出自己需要的各種應用節(jié)點，再利用各節(jié)點與路由器/中繼器等組成Lon-Works網(wǎng)絡。目前，它主要用于樓宇自動化、家庭自動化、保安系統(tǒng)、辦公設備、交通運輸、工業(yè)過程控制等行業(yè)。LonWorks主要特性如下［12，14－15］。

(1)LonWorks通信速率為 78Kbps(2700m)、1.25Mbps(130m)，節(jié)點數(shù)是3200個，傳輸介質為雙絞線、同軸電纜、光纜、電源線等。

(2)Lonwork采用LonTalk通信協(xié)議，該協(xié)議遵循國際標準化組織ISO定義的開放系統(tǒng)互聯(lián)OSI全部7層模型。

(4)Neuron芯片的編程語言為Neuron C，它是從ANSI C派生出來的。LonWorks提供給了一套開發(fā)工具 LonBuilder與 NodeBuilder。

(5)LonTalk協(xié)議提供5種基本類型的報文服務:確認(Acknowledge)、非確認(Unacknow-ledged)、請求/響應(Request/Response)、重復(Repeated)、非重復確認(Unacknowledged Repeated)。

(6)LonTalk協(xié)議的介質訪問控制子層(MAC)對CSMA做了改進，采用一種新的稱作Predictive P-Persistent CSMA的CSMA，根據(jù)總線負載隨即調整時間槽n(1～63)，從而在負載較輕時使介質訪問延遲最小化，而在負載較重時使沖突的可能最小化。

2.4 FF總線

現(xiàn)場總線基金會(Fieldbus Foundation，F(xiàn)F)是國際公認的惟一不附屬于某企業(yè)的公正的非商業(yè)化的國際標準化組織，宗旨是制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準，無需專利許可，可供任何人使用。這是以美國Fisher－Rousemount公司為首的聯(lián)合了橫河、ABB、西門子、英維斯等80家公司制定的ISP協(xié)議和以Honeywell公司為首的聯(lián)合歐洲等地150余家公司制定的WorldFIP協(xié)議于1994年9月合并的。基金會現(xiàn)場總線采用國際標準化組織ISO的開放化系統(tǒng)互聯(lián)OSI的簡化模型(1，2，7層)，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層，另外增加了用戶層。FF主要特性如下［12］。

(1)物理層:基金會現(xiàn)場總線分低速H1和高速H2兩種通信速率。H1的傳輸速率為31.25kb/s，通信距離可達1900m(可加中繼器延長)，可支持總線供電，支持本質安全防爆環(huán)境。H2的傳輸速率為1Mb/s和2.5Mb/s兩種，其通信距離為750m和500m。傳輸速率為 31.25Kbps(1900m)、1Mbps(750m)、2.5Mbps(500m)。傳輸介質可采用有限電纜、光纜和無線通信，支持總線型、樹型和點－點型拓撲結構，信號采用曼切斯特編碼。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層:由上下兩部分組成，下層部分的功能是對傳輸介質傳送的信號進行發(fā)送、接收和控制;上層部分的功能是對數(shù)據(jù)鏈路進行控制。

(3)應用層:由訪問子層FAS和報文規(guī)范FMS組成。FAS提供3類服務:發(fā)布/索取、客戶機/服務器和報文分發(fā)。FMS規(guī)定了訪問應用進程AP和報文的格式與服務。

(4)用戶層:規(guī)定了標準的功能模塊供用戶組態(tài)使用。利用功能塊數(shù)據(jù)結構執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理、控制和輸出，因而給用戶帶來極大的方便。

可以看出，F(xiàn)F總線標準不僅僅是信號和通信標準，更是一個系統(tǒng)標準，這也是FF和其他現(xiàn)場總線系統(tǒng)標準的關鍵區(qū)別。

3）氣體管道維護。由于垃圾堆體的沉降而導致氣體導排管彎沉，以及HDPE材質的氣體導排管的線性膨脹系數(shù)高，在日間和夜間伸縮明顯，容易導致氣管支撐滑脫，氣管彎曲積水。氣體管道的維護主要是對氣體導排管內部的冷凝水進行疏導，保證氣體管道通暢，確保收氣效果。氣管冷凝水疏導工作為日常工作，需要每日進行巡檢，維護。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的特點

目前的在線監(jiān)測系統(tǒng)從結構上可以分為兩類:一種是分布式;一種是集中式。分布式將信號的處理下放各個現(xiàn)場單元，即在現(xiàn)場就完成模數(shù)轉換，綜合監(jiān)測主屏只負責數(shù)據(jù)的顯示和存儲等功能;集中式將現(xiàn)場獲取的狀態(tài)參數(shù)按照順序依次傳送到監(jiān)測主屏，由主控機完成信號的處理、顯示和存儲等功能，因為集中式只需在監(jiān)測主屏里面設置模數(shù)轉換模塊，因此成本更低，但是不可避免的會出現(xiàn)模擬信號在傳輸過程中存在衰減和受到電磁干擾的問題。集中式的系統(tǒng)總線只需承擔通訊功能，模擬信號通過專有的信號線傳送到監(jiān)測主屏，而分布式不僅要承擔通訊功能，還要承擔狀態(tài)數(shù)據(jù)的上傳功能。

表1 典型電力設備絕緣監(jiān)測特征參量

在線監(jiān)測對象和監(jiān)測的特征參量不同，獲取的狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)量大小也不同，比如避雷器的特征參量包含動作次數(shù)，這個在數(shù)據(jù)幀中僅需很少的字節(jié)就可以表征，但局部放電的監(jiān)測因為進行放電脈沖的采樣會有大量的狀態(tài)信息需要傳送，系統(tǒng)總線上的數(shù)據(jù)量很大。在電力系統(tǒng)中，通常需要進行在線監(jiān)測的電力設備包括:電力變壓器、電力電纜、斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電抗器及隔離刀閘等。GIS隨著廣泛的應用也成為監(jiān)測的對象，同時電廠的發(fā)電機也是主要的監(jiān)測對象。

不論是分布式還是集中式的監(jiān)測系統(tǒng)，同其他領域的自動化系統(tǒng)有所不同，它的特點主要表現(xiàn)在。

(1)可靠性要求高。在線監(jiān)測通常處于電磁干擾非常強烈的環(huán)境，系統(tǒng)總線必須能夠正確地發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，避免產(chǎn)生沖突。

(2)只進行監(jiān)測工作，沒有復雜的控制任務。在線監(jiān)測系統(tǒng)通常只向控制單元或者中心傳送設備工作狀態(tài)的參數(shù)，設備出現(xiàn)問題后只需報警交由控制中心人員進行處理，本身沒有控制作用，主從方式就可以滿足工作需要。

(3)實時性要求不高。高壓設備絕緣的劣化通常是漸進式發(fā)生的，除去特殊情況一般不會突然發(fā)生故障，因此在線監(jiān)測系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的實時獲取、傳輸和顯示上要求不高，每天也只需工作特定時段就可滿足監(jiān)測要求。

(4)采用巡檢方式。當需要獲取電力設備的狀態(tài)參數(shù)時，并不是同時獲得所有監(jiān)測對象的參數(shù)，而是由上位機發(fā)送指令，依次連接每一個現(xiàn)場單元，順序獲取每一個對象的狀態(tài)參數(shù)，因此在系統(tǒng)總線上不會出現(xiàn)在同一時刻多個設備監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送的情況。

(5)具有良好的擴充性。系統(tǒng)總線只需根據(jù)監(jiān)測對象的增加與減少增減相應的監(jiān)測節(jié)點，不必更改系統(tǒng)總線的物理結構，造成額外的成本支出。

(6)能夠方便的與電力系統(tǒng)綜合自動化系統(tǒng)有機兼容和接入。目前，電力系統(tǒng)控制越來越趨向于自動化和綜合化，在接口方面，在線監(jiān)測要能與綜合自動化系統(tǒng)能夠無縫連接，且與綜合自動化系統(tǒng)沒有硬件兼容問題。

在線監(jiān)測系統(tǒng)的這些要求，理論上 RS－485，CAN，Lonwork以及FF現(xiàn)場總線都能夠達到，并且還具有各自的優(yōu)點，如何確定應用哪種系統(tǒng)總線，需要權衡考慮，合理選取。

4 在線監(jiān)測系統(tǒng)總線的分析

RS－485采用平衡差分傳輸，抗干擾能力強，傳輸距離遠，適用于主從網(wǎng)絡，能允許掛接32個節(jié)點，變電站中所有電力設備都能夠作為一個節(jié)點單元，因此非常適合作為在線監(jiān)測的系統(tǒng)總線。對于變壓器、GIS和電力電纜等電力設備的局部放電等絕緣參量在分布式結構下進行在線監(jiān)測時，RS－485也能滿足局部放電的數(shù)據(jù)傳輸，文獻［16］中已經(jīng)將其作為局部放電模數(shù)轉換后數(shù)據(jù)傳輸?shù)目偩€。雖然RS－485作為傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)總線，就其先進性和技術性上確實不如現(xiàn)場總線技術，但是，它具有現(xiàn)場總線技術不能比擬的性能價格比，組建一個RS－485的系統(tǒng)網(wǎng)絡只需要很低的成本，硬件電路只需通過一個總線收發(fā)器就可以掛接到總線上，不同IC廠商的收發(fā)器可以直接互換，能夠在多種系統(tǒng)條件下工作。同時，RS485的物理層標準同時還被CAN、FF、LonWorks等總線采用，足見其底層應用的廣泛。但RS－485最大傳輸距離為1200m，這在比較大型的變電站或者發(fā)電廠作為系統(tǒng)總線時顯得捉襟見肘。隨著對電力系統(tǒng)可靠性要求的提高，監(jiān)控一體化成為電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，要求在線監(jiān)測獲得絕緣狀態(tài)參量后能夠通過專家系統(tǒng)判斷故障并自行切除，同時還能夠將這種功能下發(fā)到現(xiàn)場單元，在這種實時性要求很高的條件下RS－485也難以勝任。

CAN是4種總線中傳輸距離最長的(能夠達到10km)，所以非常適合大型的變電站或者發(fā)電廠。CAN規(guī)約中數(shù)據(jù)長度有限制，數(shù)據(jù)幀最多只能為8個，因此每個數(shù)據(jù)幀只能發(fā)送8個字節(jié)有用信息。在線監(jiān)測中為了獲取足夠的信息，比如現(xiàn)場的溫濕度值再加上地址和檢驗值，下位機向上位機發(fā)送的幀格式可能大于8個字節(jié)，這樣造成CAN使用起來不方便。CAN總線只規(guī)定了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層3層，因此要真正方便地實現(xiàn)各種集成也不是很容易。

LonWorks采用神經(jīng)元芯片，并將LonTalk通訊協(xié)議固化在芯片中，節(jié)點間可以對等通信，但若采用LonWorks總線，首先需要購買一套昂貴的開發(fā)工具平臺Lon Builder和Node Builder，并且要求開發(fā)人員要求有很豐富的網(wǎng)絡知識和經(jīng)驗，這無形之中增加了在線監(jiān)測系統(tǒng)的成本，制約了LonWorks總線的應用。而且，LonWorks總線不在IEC61158中推薦的總線標準之內，其最終應用前景很難預料。

FF總線因為有廣大企業(yè)的支持成為目前應用前景最好的總線技術，適合于通信任務比較復雜、安全性能要求比較高的工業(yè)過程控制場合，而且已經(jīng)成熟的運用，但目前并未進行在線監(jiān)測領域，因此還需觀望。

實質上，RS－485標準只對接口的電氣特性做出規(guī)定，而不涉及接插件、電纜或協(xié)議，在此基礎上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議;而現(xiàn)場總線是一個定義了硬件接口和通信協(xié)議的標準，要有相同的硬件接口和通信協(xié)議才能互相連接。雖然現(xiàn)場總線技術相比RS－458存在著技術上的眾多優(yōu)勢，但實際上現(xiàn)場總線自身標準的不統(tǒng)一卻抑制了這種發(fā)展，各個廠商的產(chǎn)品互不兼容，同時，昂貴的價格也讓客戶望而卻步。現(xiàn)場總線因為加入現(xiàn)場處理單元其成本是RS－485的數(shù)倍，而一般情況下在線監(jiān)測的投入并不大，因此也不會在現(xiàn)場總線上面投入更多的資金。相比之下，RS－485原理簡單，一般的人員只需閱讀相關資料就可進行設計。RS－485只涉及物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，對高層沒有要求，這就留給設計人員很大的想象和設計空間，能夠充分研發(fā)符合用戶需要的產(chǎn)品，做到成本與效益的完美結合。

5 結論

(1)RS－485因為其原理簡單、布網(wǎng)方便、成本低廉仍然是目前在線監(jiān)測系統(tǒng)總線的首選，并且由于許多設備繼續(xù)沿用這種總線在系統(tǒng)升級或者擴充時不會造成系統(tǒng)兼容問題。

(2)RS－485比較適用于中小型變電站在線監(jiān)測系統(tǒng);現(xiàn)場總線比較適用于大型的變電站和發(fā)電廠。

(3)目前現(xiàn)場總線的標準并沒有統(tǒng)一，購買的產(chǎn)品很可能與現(xiàn)有產(chǎn)品產(chǎn)生兼容問題，因此對現(xiàn)場總線的選取需要慎重考慮。同時，相關部門還應該加快我國現(xiàn)場總線應用標準的制定工作，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

(4)隨著信息技術和控制技術的發(fā)展以及監(jiān)控一體化的客觀要求，今后在線監(jiān)測系統(tǒng)總線應該轉向現(xiàn)場總線，在其基礎上仔細分析、合理選取。

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