现场总线技术在楼宇自动化领域的应用与研究

1、引言

现场总线技术是电子、仪器仪表、计算机技术和网络技术发展的结晶,是工业自动化事业发展的需要。它将专用微处理器置入传统的测量控制仪表,使它们各自都具有数字计算和数字通信能力,采用可简单连接的双绞线等作为总线,把多个测量控制仪表连成网络系统,并按公开、规范的通信协议,在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间,实现全数字化、双向多变量数字通信,一改过去长时间运用4-20mA的模拟信号标准。它在电力、冶金、石化、楼宇等方面的自动化系统中具有广泛的应用前景。

2、厦门会展电力监控系统介绍

厦门国际会展中心电力监控系统工程是会展中心智能化工程中的重点工程之一,电力监控系统负责对会展中心的高、低压配电室内的各种用电设备的集中监控与计量,通过先进的系统和控制方案给会展中心提供高效、先进的系统管理。

厦门国际会展中心电力监控系统工程由西安协同公司承接实施,西安协同公司针对该系统各种设备接口复杂、技术专业性强等特点,精心设计、科学组织、克服困难、不断创新,最终圆满完成了工程实施。该系统优良率为92%,居28个子系统之首,受到建设单位的一致好评。

2.1　系统组成及功能

系统由一台中央工作站、六台监控分站、一条“DH+”总线组成,采用集散型系统设计。监控分站选用美国AB公司的SLC500控制器,控制器配有DI、DO及BASIC通信模块。DI模块完成低压开关状态的采集与脉冲量的计量,DO模块实现开关的分励脱扣及模拟屏的驱动。BASIC通信模块带有两个独立可编程RS-485通信口,可外挂两条RS-485总线与各种智能设备构成现场总线结构。本系统中BASIC通信模块主要完成如下监控功能;

三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数、有功电度、变压器温度、浮充电压、环境温度；开关状态,故障、报警、跳闸信号;开关分、合闸控制

本系统虽然是PLC与现场总线并存的系统,但可以看出,现场总线是该系统的核心,也是该系统的亮点之一。

本系统使用的智能设备有瑞士ABB公司的REF-541综合三相过流保护继电器,法国SOCOMEC公司的智能电网电量监控器,浙江科宏电气的智能温控设备、福州利得电气的智能温控设备,上海华辰电气的智能高频开关直流屏。

2.2　系统特点及优点

●节省硬件投资与施工费用

传统控制系统对于模拟量的采集一般选用各种变送器,将模拟量转换为4-20mA标准电流信号,然后经模数转换单元,最终送往中央工作站。现场总线系统中,所有上述功能全都集成于一体化的智能设备中,因此采用现场总线系统,不需购置大量硬件设备,节省空间,节省投资。　

现场总线系统接线十分简单,通过一条电缆便可连接多个设备,而传统控制系统,每个变送器都需单独电缆传送信号。因此,采用现场总线系统,电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少,连线设计与接头校核的工作量也大为减少。如需增加现场设备时,无需增设新的电缆,可就近连接在原有的电缆上,减少了设计、安装的费用。

厦门国际会展中心电力监控系统实际I/O点数为1000点,模拟量为370点,我公司实施这一系统用了105万,如果不使用现场总线系统,而是用传统控制系统模式,经我们估算,投资至少需要150万。

●系统维护方便

现场总线系统结构简单,故障环节少,施工维护方便。由于现场智能设备具有自诊断和简单处理能力,维护人员可以查询设备的运行,诊断维护信息,以便早期分析故障原因并快速排除,缩短了维护停工周期。

●控制功能分散

传统控制系统控制功能主要由控制室设备承担,现场总线系统控制功能基本上由智能化的现场仪表承担,控制功能分散的比较彻底,真正做到了“分散控制”。比如该系统的智能温控设备,通过对变压器温度的监测,它会发出命令启动风机降温或者高压跳闸,并不依赖上位机的功能。

●系统准确性和可靠性得到提高

由于现场总线设备的智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制的精确度,减少了传送误差。同时,由于系统结构简化,设备连线减少,现场仪表内部功能加强,减少了信号的往返传输,提高了系统的工作可靠性。

2.3　技术难点及经验总结

一条RS-485总线理论上只允许挂有相同通信协议的智能设备,各个设备以不同地址加以区分。但会展中心2、4、5号低配室有三种不同协议的智能表,那么对于只有两个通信口的BASIC模块,不可避免要将两种不同协议的设备挂在一条总线上。我们针对这一问题作了分析与论证,认为协议不同的智能设备,如果端口配置（包括波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制）相同,便可以挂在一条总线上工作。我们对所有设备的端口进行了统一配置,通信软件编制作了相应调整,分别对不同设备进行读写控制,最终系统运行正常,并没有发生冲突的情况。

随着总线上设备的增加,数据刷新的周期会变长,系统实时性会降低,如果要提高实时性,则要增加硬件投资,如增加通信模块或提高系统配置。对于具体的控制系统,不必一味追求系统实时性,要根据系统的实际情况和客户的具体要求,使系统各项指标满足要求即可。例如会展中心高配室,一条RS-485总线同时连接20台REF-541,要进行读取数据、采集报警、开关分、合闸控制等多任务,不同任务对实时性的要求是不同的。我们在通信软件编制中,对不同任务也加以区分,采用“硬实时任务”优先处理的算法,最终使系统各项指标均达到技术协议的要求。

3、现场总线系统模式应用于其它系统的设计构思

厦门国际会展中心电力监控系统是现场总线技术在楼宇自控领域的成功应用,那么该控制系统模式能否应用于其它系统呢?下面给出楼宇自动化抄表系统的设计构思。

小区用户水电气表选用有脉冲输出功能的产品,多路采集控制器负责计量某一区域或楼层用户三表的脉冲数,并计算出每户用电量、用水量、用气量,通过RS-485总线上传至管理工作站。目前生产这种采集器的厂家较多,价格也比较便宜。当然也可以采用小型PLC来实现,这样系统性能会大幅度提升,但是投资也会相应增加。我公司给某大厦抄表系统的建议方案中便采用这种模式。

4、现场总线技术将朝着开放系统、统一标准的方向发展

以微处理器芯片为基础的各种智能仪表,为现场信号的数字化以及实现复杂的应用功能提供了条件。但不同厂商所提供的设备之间的通信标准不统一,严重束缚了工厂底层网络的发展。对于厦门会展电力监控系统来讲,该系统涉及到国内外智能设备共有5种,我们在工程实施中针对5中不同的通信协议分别开发出5种不同的驱动程序,每种驱动程序的调试方法也各不相同,这无疑增加了系统集成的工作量。

在我国,各种智能设备的生产厂家都提供了自己的通信接口,但这些接口都很不规范,也没有做到统一。在国外,现场总线技术统一标准已取得了相当进展,自80年代以来,已形成了几中有影响的现场总线技术：

1、基金会现场总线；

2、LonWorks；

3、PROFIBUS；

4、CAN；

5、HART。

预计在今后一段时间内,会出现几种现场总线标准共存、同一生产现场有几种异构网络互连通讯的局面。但发展共同遵循的统一标准,真正形成一种开放互联系统才是大势所趋。