現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。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展，在世界也處于領先地位，這是相關人員不斷努力和創新的結果。隨著科技的進一步發展，現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展概況進行了介紹，對現場總線控制技術的基本原理和現場總線的水電廠自動化系統構成進行了闡述，通過分析，并結合自身實踐經驗和相關理論知識，對未來我國水利水電自動化技術的發展方向進行了探討。

二、我國水利水電自動化技術的發展概況

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點。水利水電的開發不僅能減少生產污染、解決能源短缺問題，同時也能提高我國綜合經濟效益。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，最早出現在20世紀20年代的美國、瑞士等發達國家。自改革開放以來，我國水電建設取得了突飛猛進的發展。1979年我國成功建立了計算機監控系統，實現了水力發電站的自動經濟運行和安全監控。隨著計算機技術的迅速發展，水電自動化技術也日益強大。水力發電廠通過建立計算機監控系統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，實現電網對其系統內運行的水利發電廠進行遠程監測、控制、通信、調配、管理，保證了電力系統運行的安全性和經濟性。計算機監控技術由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，并發展到90年代初的開放分布式模式。

三、現場總線控制技術的基本原理

1.通信系統的協議模型

為了便于實現網絡的標準化，國際標準化組織ISO提出了開放系統互連參考模型，簡稱ISO/OSI模型。ISO/OSI模型將各種協議分為七層，自上而下依次為：物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。現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.工業控制領域中常用的幾種總線

工業中常用的總線：PROFIBUS、MODBUS、FF(基金會總線)等。

(1)PROFIBUS是一種國際化、開放式、不依賴于設備生產廠商的現場總線標準。廣泛使用于制造業自動化，流程工業自動化、樓宇自動化等。PROFIBUS含有三個兼容協議：PROFIBUS－DP（分散外圍設備）、PROFIBUS－PA（過程自動化）、PROFIBUS－FMS（現場總線報文規范）。PROFIBUS－DP是一種高速低成本通訊，用于設備控制系統與分散式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，可以使傳感器和執行器聯在一根總線上。主要用于現場級過程自動化，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控，構成控制和管理一體化系統，進行系統信息集成。是一個令牌網絡，實時多主網絡。

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

(3)基金會現場總線FF（FieldbusFoundation）以ISO/OSI開放系統互聯模式為基礎，取其物理層、數據鏈路層、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一規則，采用設備描述語言規定了通用的功能塊集。基金會現場總線的主要技術內容包括FF通信協議、用于完成開放互聯模式中第2-7層通信協議的通信棧、用于描述設備特性、參數、屬性及操作接口的DDL設備描述語言、設備描述字典、用于實現測量、控制、工程量轉換等功能的功能塊、實現系統組態、調度、管理等功能的系統軟件技術以及構筑集成自動化系統、網絡系統的系統集成技術。

四、現場總線的水電廠自動化系統構成

1.現場控制層

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

2.監控層

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

3.企業管理層

企業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絡環境下。集成企業的各種信息，實現與internet的連接。完成管理、決策和商務應用的各種功能。首先要將監控層實時數據庫中的信息轉入上層的關系數據庫中，這樣管理層用戶就能隨時查詢網絡運行狀態以及現場設備的工況，對生產過程進行實時的遠程監控。

五、未來我國水利水電自動化技術的發展方向

水庫綜合自動化系統一個復雜的系統工程，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技術進步迅速、發展迅猛，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，應進一步提高國產水電站自動化控制系統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結構、功能和性能指標，提高國產系統的競爭力，加大國產水電設備和軟件在國際市場的市場占有率。為了實現流域梯級水電站集控中心自動化，應在建立流域數據庫和遠程集控的基礎上，開展數據共享、信息挖掘綜合利用工作，提高流域梯級調度管理的現代化水平，充分發揮水利工程的防洪減災與經濟效益，開發滿足發電、防洪及其他綜合利用要求的流域水庫調度決策支持系統，實現水力發電站的優化

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

五、結束語

隨著現場總線技術的進一步發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揮更大的作用，讓我們拭目以待。

參考文獻

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