水電廠計算機監控系統通訊方式分析

張應亮

（陜西省旬陽縣水利局 旬陽縣 725700）

在水電廠計算機監控系統中，通常采用分布采集，集中處理的方式，即各個現場設備獨自采集各種信息，再通過通訊將采集到的數據傳輸給監控計算機進行分析、處理，同時現場設備也可接收監控計算機下發的控制命令，使得監控計算機實現對整個電廠設備運行的監視、控制和管理功能。因此監控計算機同現場設備之間實時、準確、可靠的通訊是整個水電廠計算機監控系統正常運行的首要保證，而在實際應用中由于通訊故障而造成計算機監控系統癱瘓中很大一部分原因是通訊方案沒有考慮周全，因此根據通訊速率、可靠性、距離、節點數來選擇適當的通訊方式是其通訊正確的關鍵技術之一。

1 水電廠監控系統通訊方式

水電廠監控系統中各個分散的現場設備和監測儀器（如傳感器、變送器、PLC、現地單元等）通過各種通訊方式連接到計算機監控中。當前水電廠設備間通訊都采用串口通信（Serial Communication）方式即設備之間通過數據信號線、地線、控制線等，按位進行傳輸數據的一種通訊方法。根據現場設備通訊采用物理層和數據鏈路層不同其通訊方式可分為以下幾種。

1.1 簡單串口通訊方式

通訊方式物理層采用RS232、RS485或RS422。其中RS485應用最為廣泛，該通訊方式物理層采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好；最大通信距離約為1 219 m（RS232最多只能傳輸15 m），最大傳輸速率為10 Mbps；最大支持32個節點（RS422只能做到點對點通訊）；采用屏蔽雙絞線傳輸，設備接口和通訊線纜價格經濟。該通訊方式的數據鏈路層通訊協議簡單，大部分通訊協議兼容MODBUS-RTU標準協議。由于MODBUS協議為一主多從協議，所有的通訊只能由主設備發起，數據傳輸采用輪詢方式，沒有完善的差錯控制和錯誤重傳機制，傳輸效率較低。

由于該通訊方式結構簡單，性價比較高，對通訊質量要求不高的設備最為適用。

1.2 現場總線通訊方式

現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的全數字、雙向、多站的通信系統，主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。2003年4月，IEC61158 Ed.3現場總線標準第3版正式成為國際標準，規定10種類型的現場總線。其中在水電廠應用比較廣泛的包括：CAN（Controller Area Net-work）現場總線、Profibus-DP現場總線和以太網現場總線。CAN現場總線應用于保護系統，Profibus-DP現場總線應用于PLC系統，以太網現場總線應用于站級設備之間的通訊。

（1）CAN現場總線。

由德國Bosch公司1993年推出,主要應用于汽車監控、制造業DCS系統等,CAN總線采用了多主競爭模式總線結構，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點，適用于實時性要求很高的小型網絡。CAN總線上任意節點可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息而不分主次，因此可在各節點之間實現自由通信。通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。網絡拓撲為線型結構。

（2）PROFIBUS-DP 總線。

由德國Simens公司1987年推出,主要應用于制造業DCS系統。產品分三類:FMS用于主站之間的通訊;DP用于制造行業從站之間的通訊；PA用于過程行業從站之間的通訊。在水電廠中主要使用DP類產品。PROFIBUS-DP總線各主站間總線控制權令牌傳遞，主站與從站間為主－從傳送。支持單主或多主系統。網絡拓撲有樹型和線型結構，或是兩種拓撲的混合，組網較為靈活，可組成一個大型通訊網絡。通信介質可以是雙絞線或同軸電纜，總線上即可傳送數據又可通過總線給現場設備供電。

（3）以太網和光纖以太網。

以太網是現有局域網中最通用的通信協議標準。以太網在互聯設備之間以（10~100）Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜以太網由于其低成本、高可靠性以及（10~100）Mbps的速率而成為水電廠應用最為廣泛的以太網技術。

以太網同CAN總線一樣采用多主競爭模式總線結構，但其采用破壞性解決總線存取沖突的方法，在重負荷中數據丟失嚴重。因此以太網能否在水電廠監控通訊系統應用經過長期的爭論，隨著IEC 60870-5-105以太網遠動通訊規約以及IEC 61850變電站通信網絡和系統的國際標準的頒布，以太網逐漸被水電廠監控系統設計人員所接受并應用于計算機監控系統中。由于以太網的（10~100）Mbps速率比其他總線快好幾倍，使得數據通訊極少達到重負荷狀態。

2 各種通訊方式的性能分析

2.1 可靠性

通訊的可靠性是評價通訊方式的首要條件。

（1）簡單串口通訊的物理結構和通訊協議簡單，因此其故障率最低，但其通訊協議簡單、沒有可靠的差錯控制和故障重傳機制，在外界干擾大的情況下可靠性最低。

（2）CAN總線原設計用于汽車中各個智能設備的聯接,因此在物理層和數據鏈路層抗干擾性考慮較為周全。

（3）PROFIBUS-DP總線產品開發時間較早，限于當時計算機網絡水平，建立在IT網絡標準基礎上，隨著應用領域不斷擴大和用戶要求越來越高，該現場總線的產品只能在原有IT協議框架上進行局部的修改和補充，以致在控制系統內增加了很多轉換單元 （如各種耦合器），這為該產品可靠性帶來一定影響。

（4）以太網通訊方式原設計用于商業環境計算機之間通訊，使用的是CSMA／CD（帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問）的訪問控制方法，重負荷時實時性較差。通過采用工業以太網交換機將網絡結構由總線型改為星型，極大提高了通訊可靠性并使數據通訊的實時性達到工業級要求。交換機是根據源地址和目的地址來轉發數據，減少數據廣播也就減少了數據碰撞，因此提高了數據的實時性。但交換機也成為以太網通訊系統可靠性的瓶頸，若交換機故障則造成整個以太網通訊系統癱瘓。

2.2 故障自我恢復能力

監控系統運行于工業環境，設備或總線難免產生故障，如何實現故障自我恢復是評價通訊方式的一個重要指標。

（1）簡單串口通訊沒有故障自我恢復能力。

（2）CAN總線中，當設備通訊故障時其自行退出總線而不會對總線產生干擾。

（3）PROFIBUS-DP總線診斷功能能對故障進行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。

（4）以太網通訊方式由交換機實現總線診斷功能并自動隔離故障站點。為提高通訊的可靠性，大型水電廠都采用光纖自愈環網：在設備和交換機之間采用雙網線冗余備份，交換機之間采用光纖自愈環網，這使得以太網中任何一根通訊線故障都不會影響到整個以太網通訊部分的正常工作。

2.3 數據傳輸速度和距離

監控系統復雜程度越來越高，傳輸數據量隨之增大，對數據通訊速度要求也越高。

（1）簡單串口通訊的傳輸速率最低，由于其采用一主多從通訊方式，并且數據鏈路層通訊協議需設備CPU解釋，處理速度慢，因此一般為9 600 bps或19 200 bps。其傳輸距離可達到1 km。

（2）CAN總線的傳輸速率為1 Mbps。其傳輸距離為10 km。

（3）PROFIBUS-DP總線的傳輸速率可在 （9.6～12）Mbps范圍內選擇且當總線系統啟動時，所有連接到總線上的裝置應該被設成相同的速度。通訊速度和通訊距離有相關：波特率高，距離短；如500 m距離速率可為187.5 bps。100 m距離速率可為1.5 Mbps。

（4）以太網通訊方式的傳輸速率可為（10~100）Mbps,采用雙絞線為傳輸介質的以太網通訊10/100 Base-TX最遠傳輸距離為100 m。采用光纖為傳輸介質，10/100 Base-FX可以將傳輸距離提高到10 km。完全滿足大型水電廠監控系統的要求。

2.4 總線節點數

總線節點數為一根總線上最多可有多少節點，反映了各個通訊方式的節點容量。

（1）簡單串口通訊總線上最多可掛接32個節點。但一般最多掛接20個節點，否則每個設備的數據更新速率較慢。

（2）CAN總線上最多可掛接110個節點。

（3）PROFIBUS-DP總線上最多可掛接126個節點。

（4）以太網通訊方式理論上可掛接無數個節點，由于交換機接口的限制一般掛接20~30個節點。

3 結 論

本文分析了水電廠常用的幾種通訊方式，并從可靠性、故障恢復能力、數據傳輸速度和距離、總線節點數四個方面對這些通訊方式進行了分析比較。簡單串口通訊運用于數據量不大，速度要求不高的儀表和設備通訊，如溫度巡回檢測儀、電量采集儀、電度表、調速器、勵磁設備等儀表設備；CAN總線運用于故障管理系統同保護設備間通訊；PROFIBUS-DP總線運用于PLC節點分布較廣的系統如輔機系統。以太網通訊方式運用于分層分布式通訊結構中主機之間或主機同PLC之間通訊。但以上通訊方式的分類也是相對的，由上可見，各種通訊方式各有優缺點，共同組成了水電廠監控通訊系統。

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