摘 要： 介紹了現場總線系統的技術特點；并結合工程實例介紹了現場總線監測監控系統中關鍵硬件的設計原理以及運行于工控機上的應用軟件的設計方法；最后介紹了基于現場總線的變電站電量監測監控系統的應用前景。
關鍵詞： 現場總線 監測 監控 變電站
1 現場總線系統的組成與技術特點
現場總線是一種互聯現場自動化設備及其控制系統的雙向數字通信協議。一個現場總線系統可以看成是一個由數字通信設備和監測監控設備組成的分布式系統。實際上，現場總線就是一種計算機網絡，這個網絡上的每一個節點就是一個智能化設備。現場總線由網絡通信、功能模塊、對象字典和設備描述、網絡管理、系統管理等部分組成。
現場總線技術是三C技術(Computer、Control、Communication)從控制層發展到工藝設備現場的技術結果，現場總線技術的特點如下：
(1)全數字化通信
傳統集散控制系統(DCS)是“半數字”系統，許多I/O模板接收或送出4～20mA模擬信號；而現場總線控制系統(FCS)是一個“純數字”系統，信號傳輸實現全數字化，提高了信號的可靠性、準確性，實現了檢錯、糾錯功能。
(2)可互操作性和互用性
可互操作是指實現互聯設備間、系統間的信息傳送和溝通，而互用性則意味著對不同生產廠家的性能類似的設備可進行互換。
(3)完全的分散性
DCS是一個“半分散式”系統，它是采用一個或多個“控制單元”對多回路進行控制，其控制部分分散到一些控制板上，每個控制板上又有多個回路。現場總線采用的則是完全分散體系，它的控制單元全部分散到現場，控制回路由現場設備實現，在現場總線中又同時允許在控制室中用數字通信的方式進行操作與調整。
2 基于現場總線的變電站監測監控系統的設計
隨著技術的進步與自動化程度的不斷提高以及電力系統“減人增效”要求的提出，實現變電站綜合自動化從而達到無人值班，已成為電力系統發展的趨勢。為滿足變電站綜合自動化發展的需要，我們研制了一套基于現場總線的變電站實時監測監控系統，并已在現場運行了一年多的時間，運行狀況很好。該系統由前端智能單元、工控機、網絡通信適配器、專用Modem及相應軟件組成，其系統結構如圖1所示。
2.1 關鍵硬件的設計
基于現場總線的變電站實時監測監控系統的關鍵硬件是前端智能單元和網絡通信適配器。
前端智能單元采用Intel80C196KC 16位系統架構，主要包括采集控制邏輯、模擬信號處理、開關量輸入輸出處理、通信處理、系統監測與保護、實時時鐘及電源等部分。為了提高系統的可靠性和抗干擾能力，所有數字邏輯的處理全部集成在單片高密度、超大規模的可編程邏輯陣列中。為了使前端智能單元能在惡劣的電磁環境下可靠地工作，除了使電路設計、器件選擇、布線布局、屏蔽隔離等環節盡可能完善外，本系統還可隨時對前端智能單元的運行狀態進行監測，以確保在意外故障發生時不誤操作和丟失數據。應該特別指出的是，本系統的前端智能單元安裝在戶外的端子箱內(就在PT、CT下面)。
前端智能單元的硬件框圖如圖2所示。
網絡通信適配器插在工控機的擴展槽上，實現前端智能單元和工控機之間的高速數據交換。網絡通信適配器由16位微處理器、中央控制邏輯、影象數據區、用戶讀寫數據區、并行接口邏輯和串行接口邏輯等部分組成，其原理框圖如圖3所示。
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2.2 軟件開發與數據管理
對本系統的開發，筆者采用Visual Basic 5.0作為主要開發工具，利用Visual C++5.0編制動態鏈接庫(DLL)完成底層操作。
Visual Basic 5.0是Microsoft公司最新推出的32位Windows開發工具，它非常適合于開發監測監控系統。Visual Basic不僅是一種語言，而且是一個集應用程序開發、測試和糾錯等功能于一體的集成式開發環境。在程序設計上，Visual Basic 5.0具有事件驅動的特性。另外，它還提供一種高級的出錯處理技術，以防止最終毀壞應用程序。Visual Basic 5.0具有藝術性的智能化開發環境，可以幫助用戶毫不費力地編寫代碼。其快速提示與幫助功能使用戶不必記憶成千上萬的屬性和方法。Visual Basic 5.0采用拖放式編輯，使編程效率顯著提高。它包含本地代碼編譯器，可以用很高速度創建基于Windows95/98和WindowsNT4.0的應用程序。它也可以生成“盤式”目錄安裝文件，這樣便能方便地制作發行盤。
本系統軟件主要包括以下幾個模塊：
(1)硬件與網絡測試模塊
在工控機啟動時，首先由硬件與網絡測試模塊檢測硬件和網絡的運行狀態，判斷相關硬件和網絡是否正常。當硬件或網絡不正常時給出響應的提示。
(2)系統初始化模塊
設置變電站的一些可能變化的初始參數，如電流互感器變比、電壓互感器變比等。
(3)系統與線路運行方式設置模塊
一個變電站中往往有幾個不同電壓等級的母線和若干條不同電壓等級的線路，它們的接線方式也不盡相同，有三相三線制接法，有三相四線制接法，也有 三相三線制和三相四線制混合使用的接法。線路的接線方式不同，其測量方法也有所不同。另外，PT和CT二次側接入前端智能單元的組合方式也因變電站的變化而各不相同。系統與線路運行方式設置模塊的作用就是根據系統和線路的運行狀況進行相應的設置，以確保獲得正確數據。
(4)數據采集與輸出模塊
從前端智能單元讀取各種數據，同時還要完成數字量的輸出以實現控制功能。
(5)數據管理與維護模塊
本程序對數據的管理采取了數據庫的方式，將要記錄的數據全部存放在.mdb數據庫中。該數據庫是Access數據庫。因此，可以利用Access閱讀和修改數據庫，并可在Access環境下創建各種圖表和曲線。本程序將創建數據庫、打開數據庫、寫數據庫、關閉數據庫等操作都做成函數的形式，以便隨時使用。
(6)圖形、曲線、報表顯示與打印模塊
顯示與打印變電站主接線、電壓曲線、負荷曲線、頻率曲線以及各種棒圖、電壓日報表、負荷日報表等各種報表。
(7)歷史記錄查詢模塊
用于查詢各種歷史數據和變位記錄。
(8)與調度中心的通信模塊
完成變電站與調度中心的數字通信，向調度中心傳送遙信、遙測和電度量，同時接收調度中心下傳的各種數據和命令。
3 基于現場總線的變電站監測監控系統的優點
采用基于現場總線的變電站監測監控系統，既可避免使用大量電纜將PT、CT二次側電參數傳送至中控室；又可減少線損造成的誤差，提高測量精度；還可取代中控室，使之節約占地面積與基建投資。該系統與傳統的變電站監測監控系統相比，具有如下特點：
(1)前端智能單元可安裝于CT或PT端子箱內，對所采集的數據就地處理，數字化傳送；
(2)網絡由兩根雙絞線組網，故障率低，通信波特率高；
(3)解決了傳統監測系統中CT、PT到中控室間的壓降問題，測量精度高；
(4)抗干擾能力強，能在戶外惡劣條件下運行；
(5)結構簡單，體積小，安裝、維修方便。
參考文獻
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