现场总线技术与水电自动化

刘娟 白永福

【摘要】我国的电力方面，水电所占的比重是比较大，尤其在我国北方一些地区。水电相比于火电，属于清洁能源，无污染，并且属于可再生资源，可以长久甚至是永远的利用下去。改革开放以来，我国的水电建设有了飞速的发展，在世界也处于领先地位，这是相关人员不断努力和创新的结果。随着科技的进一步发展，现场总线技术日趋成熟，在水电自动化有较好的应用。文章对现场总线技术与水电自动化进行分析，具有一定的借鉴意义。

【关键词】现场总线技术；水电；自动化

中图分类号：TN830 文献标识码： A

一、前言

文章对我国水利水电自动化技术的发展概况进行了介绍，对现场总线控制技术的基本原理和现场总线的水电厂自动化系统构成进行了阐述，通过分析，并结合自身实践经验和相关理论知识，对未来我国水利水电自动化技术的发展方向进行了探讨。

二、我国水利水电自动化技术的发展概况

众所周知，作为清洁能源，水电具有无污染、可再生和运行费用低等优点。水利水电的开发不仅能减少生产污染、解决能源短缺问题，同时也能提高我国综合经济效益。在全世界不可再生能源日益紧张的情况下，水电开发日渐受到各国关注。

水电自动化作为水电建设的一部分，最早出现在20世纪20年代的美国、瑞士等发达国家。自改革开放以来，我国水电建设取得了突飞猛进的发展。1979年我国成功建立了计算机监控系统，实现了水力发电站的自动经济运行和安全监控。随着计算机技术的迅速发展，水电自动化技术也日益强大。水力发电厂通过建立计算机监控系统对电厂的运行进行自动化管理，依靠计算机强大的综合处理能力，实现电网对其系统内运行的水利发电厂进行远程监测、控制、通信、调配、管理，保证了电力系统运行的安全性和经济性。计算机监控技术由20世纪80年代初的集中控制、功能分散模式，进入80年代的分层分布模式，并发展到90年代初的开放分布式模式。

三、现场总线控制技术的基本原理

1.通信系统的协议模型

为了便于实现网络的标准化，国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型，简称ISO/OSI模型。ISO/OSI模型将各种协议分为七层，自上而下依次为：物理层、链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。现场总线模型结构一般参照了ISO/OSI七层模型中的第1层(物理层)和第2层(链路层),部分涉及到第7层（应用层），另外增加了用户层。

2.工业控制领域中常用的几种总线

工业中常用的总线：PROFIBUS、MODBUS、FF(基金会总线)等。

(1)PROFIBUS是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛使用于制造业自动化，流程工业自动化、楼宇自动化等。PROFIBUS含有三个兼容协议：PROFIBUS－DP（分散外围设备）、PROFIBUS－PA（过程自动化）、PROFIBUS－FMS（现场总线报文规范）。PROFIBUS－DP是一种高速低成本通讯，用于设备控制系统与分散式I/O的通讯，使用PROFIBUS－DP可以取代24VDC或4~20mA信号传输。主要用于现场级和装置级的自动化。

PROFIBUS－PA专为过程自动化设计，可以使传感器和执行器联在一根总线上。主要用于现场级过程自动化，具有本质安全和总线供电特性。

PROFIBUS－FMS主要用于车间级或厂级监控，构成控制和管理一體化系统，进行系统信息集成。是一个令牌网络，实时多主网络。

(2)Modbus是由Modicon公司在1979年发明的，是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。Modbus有两种传送方式，RTU（RemoteTerminalUnit）方式和ASCⅡ方式。MODBUS把通信参与者规定为“主站”（MASTER）和“从站”（SLAVE）。主站可向多个从站发送通信请求，最多可达247个从站。每个从站都有自己的地址编号。

(3)基金会现场总线FF（FieldbusFoundation）以ISO/OSI开放系统互联模式为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为FF通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。用户层主要针对自动化测控应用的需要，定义了信息存取的统一规则，采用设备描述语言规定了通用的功能块集。基金会现场总线的主要技术内容包括FF通信协议、用于完成开放互联模式中第2-7层通信协议的通信栈、用于描述设备特性、参数、属性及操作接口的DDL设备描述语言、设备描述字典、用于实现测量、控制、工程量转换等功能的功能块、实现系统组态、调度、管理等功能的系统软件技术以及构筑集成自动化系统、网络系统的系统集成技术。

四、现场总线的水电厂自动化系统构成

1.现场控制层

现在控制层有电气控制设备和控制网络组成，电气控制设备对水电厂中的相关数据，如流量、温度、压力、水位高等信息进行收集，控制网络将相关数据进行收集和整合，并进行分析和树立，再将相应的数据反馈到电气控制设备进行相应的反馈操作。

2.监控层

监控层由高速以太网0t2总线)以及连接在总线上的担任监控作务的工作站或显示操作站组成。tt2层网络属于现场总线的高速现场级网络，主要用于连接现场智能设备(PLC、远程I／O、电动门、变频器等)、操作员站、工程师站等设备，完成监控级的通讯任务和比较复杂的控制策略。

3.企业管理层

企业管理层由各种服务器和客户机组成。其主要目的是在分布式网络环境下。集成企业的各种信息，实现与internet的连接。完成管理、决策和商务应用的各种功能。首先要将监控层实时数据库中的信息转入上层的关系数据库中，这样管理层用户就能随时查询网络运行状态以及现场设备的工况，对生产过程进行实时的远程监控。

五、未来我国水利水电自动化技术的发展方向

水库综合自动化系统一个复杂的系统工程，其涉及的学科、工程众多。随着水库综合调度自动化系统的建设，水利水电自动化水平将得到不断提高，其建设和管理要求也会日益严格。近几年我国水电站自动化控制系统技术进步迅速、发展迅猛，整体水平处于世界领先地位，并受到了国内用户的肯定。在国际市场方面，应进一步提高国产水电站自动化控制系统在国际市场的知名度，针对国外水电站的特点和实际需求来改进和完善系统结构、功能和性能指标，提高国产系统的竞争力，加大国产水电设备和软件在国际市场的市场占有率。为了实现流域梯级水电站集控中心自动化，应在建立流域数据库和远程集控的基础上，开展数据共享、信息挖掘综合利用工作，提高流域梯级调度管理的现代化水平，充分发挥水利工程的防洪减灾与经济效益，开发满足发电、防洪及其他综合利用要求的流域水库调度决策支持系统，实现水力发电站的优化

。在远距离引水工程调度自动化系统开发方面，应结合我国实际建设的需要，开展全线调度自动化系统运行管理关键技术的实用化研究和开发。

五、结束语

随着现场总线技术的进一步发展以及其在水电自动化应用的进一步深化，将会在水电站运行和控制上发挥更大的作用，让我们拭目以待。

参考文献

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