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结晶,是工业自动化事业发展需要。它将专用微处理器置入传统测量控制仪表,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、规范通信协议,位于现场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模拟信号标准。它在电力、冶金、石化、楼宇等方面自动化系统中具有广泛应用前景。
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重点工程之一,电力监控系统负责对会展中心高、低压配电室内各种用电设备集中监控与计量,先进系统和控制方案给会展中心提供高效、先进系统管理。
      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采集与脉冲量计量,DO模块实现开关分励脱扣及模拟屏驱动。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。
      本系统是PLC与现场总线并存系统,但可以看出,现场总线是该系统核心,也是该系统亮点之一。
      本系统使用智能设备有瑞士ABB公司REF-541综合三相过流保护继电器,法国SOCOMEC公司智能电网电量监控器,浙江科宏电气智能温控设备、福州利电气智能温控设备,上海华辰电气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
      传统控制系统模拟量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智能设备中,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,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。,采用现场总线系统,电缆、端子、槽盒、桥架用量大大减少,连线设计与接头校核工作量也大为减少。如需增加现场设备时,无需增设新电缆,可就近连接原有电缆上,减少了设计、安装费用。
      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,不使用现场总线系统,用传统控制系统模式,经我们估算,投资至少需要150万。[page]
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。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运行,诊断维护信息,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现场仪表承担,控制功能分散比较彻底,真正做到了“分散控制”。比如该系统智能温控设备,对变压器温度监测,它会发出命令启动风机降温高压跳闸,并不依赖上位机功能。
系统准确性和可靠性到提高
      现场总线设备智能化、数字化,与模拟信号相比,它从根本上提高了测量与控制精确度,减少了传送误差。同时,系统结构简化,设备连线减少,现场仪表内部功能加强,减少了信号往返传输,提高了系统工作可靠性。
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智能设备,各个设备以不同址加以区分。但会展中心2、4、5号低配室有三种不同协议智能表,那么两个通信口BASIC模块,不可避免要将两种不同协议设备挂一条总线上。我们针对这一问题作了分析与论证,认为协议不同智能设备,端口配置（包括波特率、数据位、奇偶校验、停止位、流控制）相同,便可以挂一条总线上工作。我们对所有设备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,并没有发生冲突情况。
      总线上设备增加,数据刷新周期会变长,系统实时性会降低,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。具体控制系统,不必一味追求系统实时性,要系统实际情况和客户具体要求,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,不同任务对实时性要求是不同。我们通信软件编制中,对不同任务也加以区分,采用“硬实时任务”优先处理算法,最终使系统各项指标均达到技术协议要求。
3、现场总线系统模式应用于其它系统设计构思
      厦门国际会展中心电力监控系统是现场总线技术楼宇自控领域成功应用,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设计构思。
      小区用户水电气表选用有脉冲输出功能产品,多路采集控制器负责计量某一区域或楼层用户三表脉冲数,并计算出每户用电量、用水量、用气量,RS-485总线上传至管理工作站。目前生产这种采集器厂家较多,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,投资也会相应增加。我公司给某大厦抄表系统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、统一标准方向发展
      以微处理器芯片为基础各种智能仪表,为现场信号数字化以及实现复杂应用功能提供了条件。但不同厂商所提供设备之间通信标准不统一,严重束缚了工厂底层网络发展。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,我们工程实施中针对5中不同通信协议分别开发出5种不同驱动程序,每种驱动程序调试方法也各不相同,这无疑增加了系统集成工作量。
      我国,各种智能设备生产厂家都提供了自己通信接口,但这些接口都很不规范,也没有做到统一。国外,现场总线技术统一标准已取了相当进展,自80年代以来,已形成了几种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局面。但发展共同遵循统一标准,真正形成一种开放互联系统才是大势所趋。