現(xiàn)場總線技術與水電自動化

劉娟 白永福

【摘要】我國的電力方面，水電所占的比重是比較大，尤其在我國北方一些地區(qū)。水電相比于火電，屬于清潔能源，無污染，并且屬于可再生資源，可以長久甚至是永遠的利用下去。改革開放以來，我國的水電建設有了飛速的發(fā)展，在世界也處于領先地位，這是相關人員不斷努力和創(chuàng)新的結果。隨著科技的進一步發(fā)展，現(xiàn)場總線技術日趨成熟，在水電自動化有較好的應用。文章對現(xiàn)場總線技術與水電自動化進行分析，具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】現(xiàn)場總線技術；水電；自動化

中圖分類號：TN830 文獻標識碼： A

一、前言

文章對我國水利水電自動化技術的發(fā)展概況進行了介紹，對現(xiàn)場總線控制技術的基本原理和現(xiàn)場總線的水電廠自動化系統(tǒng)構成進行了闡述，通過分析，并結合自身實踐經(jīng)驗和相關理論知識，對未來我國水利水電自動化技術的發(fā)展方向進行了探討。

二、我國水利水電自動化技術的發(fā)展概況

眾所周知，作為清潔能源，水電具有無污染、可再生和運行費用低等優(yōu)點。水利水電的開發(fā)不僅能減少生產(chǎn)污染、解決能源短缺問題，同時也能提高我國綜合經(jīng)濟效益。在全世界不可再生能源日益緊張的情況下，水電開發(fā)日漸受到各國關注。

水電自動化作為水電建設的一部分，最早出現(xiàn)在20世紀20年代的美國、瑞士等發(fā)達國家。自改革開放以來，我國水電建設取得了突飛猛進的發(fā)展。1979年我國成功建立了計算機監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了水力發(fā)電站的自動經(jīng)濟運行和安全監(jiān)控。隨著計算機技術的迅速發(fā)展，水電自動化技術也日益強大。水力發(fā)電廠通過建立計算機監(jiān)控系統(tǒng)對電廠的運行進行自動化管理，依靠計算機強大的綜合處理能力，實現(xiàn)電網(wǎng)對其系統(tǒng)內運行的水利發(fā)電廠進行遠程監(jiān)測、控制、通信、調配、管理，保證了電力系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性。計算機監(jiān)控技術由20世紀80年代初的集中控制、功能分散模式，進入80年代的分層分布模式，并發(fā)展到90年代初的開放分布式模式。

三、現(xiàn)場總線控制技術的基本原理

1.通信系統(tǒng)的協(xié)議模型

為了便于實現(xiàn)網(wǎng)絡的標準化，國際標準化組織ISO提出了開放系統(tǒng)互連參考模型，簡稱ISO/OSI模型。ISO/OSI模型將各種協(xié)議分為七層，自上而下依次為：物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層?，F(xiàn)場總線模型結構一般參照了ISO/OSI七層模型中的第1層(物理層)和第2層(鏈路層),部分涉及到第7層（應用層），另外增加了用戶層。

2.工業(yè)控制領域中常用的幾種總線

工業(yè)中常用的總線：PROFIBUS、MODBUS、FF(基金會總線)等。

(1)PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產(chǎn)廠商的現(xiàn)場總線標準。廣泛使用于制造業(yè)自動化，流程工業(yè)自動化、樓宇自動化等。PROFIBUS含有三個兼容協(xié)議：PROFIBUS－DP（分散外圍設備）、PROFIBUS－PA（過程自動化）、PROFIBUS－FMS（現(xiàn)場總線報文規(guī)范）。PROFIBUS－DP是一種高速低成本通訊，用于設備控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊，使用PROFIBUS－DP可以取代24VDC或4~20mA信號傳輸。主要用于現(xiàn)場級和裝置級的自動化。

PROFIBUS－PA專為過程自動化設計，可以使傳感器和執(zhí)行器聯(lián)在一根總線上。主要用于現(xiàn)場級過程自動化，具有本質安全和總線供電特性。

PROFIBUS－FMS主要用于車間級或廠級監(jiān)控，構成控制和管理一體化系統(tǒng)，進行系統(tǒng)信息集成。是一個令牌網(wǎng)絡，實時多主網(wǎng)絡。

(2)Modbus是由Modicon公司在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議。Modbus有兩種傳送方式，RTU（RemoteTerminalUnit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS把通信參與者規(guī)定為“主站”（MASTER）和“從站”（SLAVE）。主站可向多個從站發(fā)送通信請求，最多可達247個從站。每個從站都有自己的地址編號。

(3)基金會現(xiàn)場總線FF（FieldbusFoundation）以ISO/OSI開放系統(tǒng)互聯(lián)模式為基礎，取其物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層為FF通信模型的相應層次，并在應用層上增加了用戶層。用戶層主要針對自動化測控應用的需要，定義了信息存取的統(tǒng)一規(guī)則，采用設備描述語言規(guī)定了通用的功能塊集?；饡F(xiàn)場總線的主要技術內容包括FF通信協(xié)議、用于完成開放互聯(lián)模式中第2-7層通信協(xié)議的通信棧、用于描述設備特性、參數(shù)、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典、用于實現(xiàn)測量、控制、工程量轉換等功能的功能塊、實現(xiàn)系統(tǒng)組態(tài)、調度、管理等功能的系統(tǒng)軟件技術以及構筑集成自動化系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)的系統(tǒng)集成技術。

四、現(xiàn)場總線的水電廠自動化系統(tǒng)構成

1.現(xiàn)場控制層

現(xiàn)在控制層有電氣控制設備和控制網(wǎng)絡組成，電氣控制設備對水電廠中的相關數(shù)據(jù)，如流量、溫度、壓力、水位高等信息進行收集，控制網(wǎng)絡將相關數(shù)據(jù)進行收集和整合，并進行分析和樹立，再將相應的數(shù)據(jù)反饋到電氣控制設備進行相應的反饋操作。

2.監(jiān)控層

監(jiān)控層由高速以太網(wǎng)0t2總線)以及連接在總線上的擔任監(jiān)控作務的工作站或顯示操作站組成。tt2層網(wǎng)絡屬于現(xiàn)場總線的高速現(xiàn)場級網(wǎng)絡，主要用于連接現(xiàn)場智能設備(PLC、遠程I／O、電動門、變頻器等)、操作員站、工程師站等設備，完成監(jiān)控級的通訊任務和比較復雜的控制策略。

3.企業(yè)管理層

企業(yè)管理層由各種服務器和客戶機組成。其主要目的是在分布式網(wǎng)絡環(huán)境下。集成企業(yè)的各種信息，實現(xiàn)與internet的連接。完成管理、決策和商務應用的各種功能。首先要將監(jiān)控層實時數(shù)據(jù)庫中的信息轉入上層的關系數(shù)據(jù)庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網(wǎng)絡運行狀態(tài)以及現(xiàn)場設備的工況，對生產(chǎn)過程進行實時的遠程監(jiān)控。

五、未來我國水利水電自動化技術的發(fā)展方向

水庫綜合自動化系統(tǒng)一個復雜的系統(tǒng)工程，其涉及的學科、工程眾多。隨著水庫綜合調度自動化系統(tǒng)的建設，水利水電自動化水平將得到不斷提高，其建設和管理要求也會日益嚴格。近幾年我國水電站自動化控制系統(tǒng)技術進步迅速、發(fā)展迅猛，整體水平處于世界領先地位，并受到了國內用戶的肯定。在國際市場方面，應進一步提高國產(chǎn)水電站自動化控制系統(tǒng)在國際市場的知名度，針對國外水電站的特點和實際需求來改進和完善系統(tǒng)結構、功能和性能指標，提高國產(chǎn)系統(tǒng)的競爭力，加大國產(chǎn)水電設備和軟件在國際市場的市場占有率。為了實現(xiàn)流域梯級水電站集控中心自動化，應在建立流域數(shù)據(jù)庫和遠程集控的基礎上，開展數(shù)據(jù)共享、信息挖掘綜合利用工作，提高流域梯級調度管理的現(xiàn)代化水平，充分發(fā)揮水利工程的防洪減災與經(jīng)濟效益，開發(fā)滿足發(fā)電、防洪及其他綜合利用要求的流域水庫調度決策支持系統(tǒng)，實現(xiàn)水力發(fā)電站的優(yōu)化

。在遠距離引水工程調度自動化系統(tǒng)開發(fā)方面，應結合我國實際建設的需要，開展全線調度自動化系統(tǒng)運行管理關鍵技術的實用化研究和開發(fā)。

五、結束語

隨著現(xiàn)場總線技術的進一步發(fā)展以及其在水電自動化應用的進一步深化，將會在水電站運行和控制上發(fā)揮更大的作用，讓我們拭目以待。

參考文獻

[1]楊憲.關于現(xiàn)場總線技術及應用的探討［J］.自動化信息，2011（12）：23-25.[2]曾紅.總線網(wǎng)絡控制技術與應用［J］.西安電子科技大學出版社，2011（34）：112-113.

[3]王之垣.我國水電站自動化技術的發(fā)展現(xiàn)狀 [J].水力科技.2010（12）：22-23.

[4]劉祜.淺析現(xiàn)場總線技術在水利自動控制技術方面的應用[J].2010（98）：78-80.