導(dǎo)語：現(xiàn)場總線智能模塊分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：本文結(jié)合智能模塊化變電所自動化系統(tǒng)通訊方案的設(shè)計，討論了WorldFIP現(xiàn)場總線的性能及其在變電所自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：WorldFIP現(xiàn)場總線

1引言

微機化分散式變電所自動化系統(tǒng)所具有的自動化程度高、組態(tài)靈活、運行可靠、占地少、投資省、設(shè)計維護簡單等諸多優(yōu)點已成為業(yè)內(nèi)的共識。在變電所自動化技術(shù)的發(fā)展中，除了單片機技術(shù)的發(fā)展，保護技術(shù)的成熟等因素外，現(xiàn)場總線技術(shù)的興起和普及起到了極為重要的作用。可以說以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字測量控制系統(tǒng)是21世紀自動化控制系統(tǒng)的主流，其中當(dāng)然也包括電力系統(tǒng)的變電所自動化系統(tǒng)。正是由于傳輸高效、通訊可靠、接口靈活的現(xiàn)場總線對傳統(tǒng)串行通訊方式(如RS232/RS485)的改進，為信息繁雜、組態(tài)靈活、運行高速的分散式變電所自動化系統(tǒng)提供了通訊上的保證。同時，選擇不同的通訊方式、選擇不同的現(xiàn)場總線也相應(yīng)決定了整個變電所自動化系統(tǒng)的不同特點。

2通訊方式比較

目前，現(xiàn)場總線種類繁多，國際上各大集團出于對現(xiàn)有市場利益的追逐，統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能出臺。2000年IEC1158國際標(biāo)準(zhǔn)中將FF的H1，F(xiàn)RHSE、Profibus,Interbus,P-net,Wordfip,ControlNet,Smift-Net等8種總線均列入國際標(biāo)準(zhǔn)，形成多種總線共同競爭的局面。

國內(nèi)不同的自動化廠家出于不同的設(shè)計側(cè)重點，總線的選用也不一致，雖然這些總線均以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)的模型為考慮基礎(chǔ)，支持多種通信介質(zhì)，但由于總線類型、具體協(xié)議各不相同，總線的選擇也無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

通過對目前國內(nèi)使用較多的通訊方式的比較，參見表1，并針對智能模塊化變電所自動化系統(tǒng)的實際通訊需要，筆者認為WorldFIP現(xiàn)場總線是一種較為理想的現(xiàn)場總線。

3WorldFIP現(xiàn)場總線的應(yīng)用

WorldFIP現(xiàn)場總線組織于1987年成立，其前期產(chǎn)品是法國的FIP(FactoryInstrumentationProtocol)，后采納現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IECT158-2成為WorldFIP。1994年，WorldFIP的北美部分與ISP合并成立FF(FieldBusFoundation)，歐洲部分WorldFIP仍保持獨立，但可與FF通訊連接。目前WorldFIP組織有包括一些世界著名大公司在內(nèi)的100多個成員，如阿爾斯通、施耐德、霍尼韋爾等。1999年6月，中國WorldFIP技術(shù)推廣中心在北京成立，因此WorldFIP在我國應(yīng)有較好的應(yīng)用前景。

WorldFIP選擇OSI中的應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，具有高速性、實時性、同步性、可靠性、安全性等特點，能較好的滿足智能模塊之間的通訊要求。

表1常見通訊方式的比較

特性以太網(wǎng)CANWorldFIP485

數(shù)據(jù)編碼曼徹斯特不歸零曼徹斯特不歸零

通信方式全雙式/半雙工半雙工半雙工半雙工

拓撲關(guān)系網(wǎng)絡(luò)形總線形總線形總線形

傳輸介質(zhì)同軸電纜/光纖/網(wǎng)纜雙絞線同軸電纜、光纖屏蔽雙絞線光纖雙絞線光纖

介質(zhì)訪問CSMA/CDCSMA/CD令牌主從

檢錯碼CRCCRCCRC無

體系結(jié)構(gòu)OSI全部7層OSI1,2層OSI1，2，7層-

容量11064×432或16

容錯錯誤檢測故障點切錯多級冗余

WorldFIP的傳輸速率可達到31.25kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s，通訊介質(zhì)為工業(yè)級屏蔽雙絞線，利用光纖通訊速率可達到5Mbit。每個網(wǎng)段可包含64個節(jié)點末端距離可達1km，通過中繼器，可連接多至4個網(wǎng)段。這樣的物理層設(shè)計完全可以滿足變電所自動化系統(tǒng)內(nèi)智能模塊間通訊的要求。

WorldFIP的鏈路層與Ethernet網(wǎng)類似，使用曼徹斯特碼傳輸。但WorldFIP在介質(zhì)訪問控制方式上沒有使用Ethernet網(wǎng)及CAN網(wǎng)等通訊方式所采用的CSMA/CD(載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測)技術(shù)，而是采用令牌訪問方式。WorldFIP網(wǎng)絡(luò)由仲裁器和若干用戶站組成。以WorldFIP特有的"信息生產(chǎn)者"/"信息使用?quot;模式為核心實現(xiàn)通訊調(diào)度和數(shù)據(jù)交換，這種方式較好地滿足了智能模塊化設(shè)計的通訊要求。

智能模塊化變電所自動化系統(tǒng)中的"模塊"是指一組具備一定基本功能(如交流量測量、開關(guān)量測量、開關(guān)控制等)、具有統(tǒng)一通訊接口的智能模塊，它是"組裝"上一級功能單元或子系統(tǒng)的"基石"，因此它們之間的通訊可按其功能、時效分為幾類標(biāo)準(zhǔn)通訊方式。有些信息要求周期性同步掃描，以供各模塊實時，可靠的共享；有些信息屬突發(fā)事件但要求及時上送。WorldFIP總線較好地滿足這樣的要求。

WorldFIP在網(wǎng)段內(nèi)為每個模塊設(shè)定一個IP，并在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)指定某個模塊成為"信息生產(chǎn)者"，此時其它的模塊都可以成為一個"信息消費者"。通過總線仲裁器按一定時序為每個生產(chǎn)者分配一個時段，逐個呼叫每個"信息生產(chǎn)者"向網(wǎng)上傳送相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，從而使功能單元或小系統(tǒng)內(nèi)的信息得以同步可靠的共享。

當(dāng)然WorldFIP采用令牌式介質(zhì)訪問控制方式不具備CAN網(wǎng)等CSMA/CD方式的總線在多主通訊、報文主動上傳等方面的優(yōu)勢，但同時它也避免了通訊沖突，避免了沖突所帶來的重發(fā)及等待延時，保證了數(shù)據(jù)的實時、同步共享，這對于需要模塊組態(tài)，協(xié)同工作的模塊化設(shè)計是非常需要的，同時WorldFIP也為非周期突發(fā)的信息提供了較好的通信方案。

實際上WorldFIP將信息分為周期性同步數(shù)據(jù)，周期性異步數(shù)據(jù)和非周期性信息包。同步數(shù)據(jù)嚴格按照臨界時間變量傳輸，臨界時間的控制不受其他報文傳輸?shù)挠绊憽＝酉聛韨鬏攲ν叫砸蟛惶叩闹芷谛詳?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將按事件變量的方式傳輸。最后呼叫那些非周期性的信息包。

下面以由多個測控模塊組態(tài)成的主變測控單元為例簡單介紹WorldFIP的通訊過程。斷路器的狀態(tài)、有載檔位由入模塊測量，電壓、電流等信息則由模擬量模塊測量，測量結(jié)果在完成諸如負荷控制、有載調(diào)壓、備自投等功能時有較高的實時性要求，信息格式固定。這類信息應(yīng)按臨界時間變量進行傳輸，它們嚴格按設(shè)定的臨界時間進行傳遞。遙信事件只在狀態(tài)變化時進行傳輸，可作為周期性異步事件進行傳輸，而對于設(shè)置類報文、自診斷類報文，操作類報文、記錄類報文等則歸入非周期的信息包發(fā)送。

在典型的"令牌傳遞"總線中，總線全部用于傳遞報文，臨界時間數(shù)據(jù)不能保證準(zhǔn)確的臨界時間，而WorldFIP允許周期性報文和非周期報文，同步信息和異步信息，互不干擾也在一體總線上同時傳遞，就好像不同類型的信息有各自的信道一樣。

同時由于不同模塊的各種測量結(jié)果嚴格按時序出現(xiàn)在總線上，可近似地認為總線上有一個以時序為索引，臨界時間變量的同步實時數(shù)據(jù)庫，從而方便地實現(xiàn)在功能單元或子系統(tǒng)內(nèi)的信息共享，進而實現(xiàn)諸如負荷控制、有載調(diào)壓、備自投、防誤操作等綜合功能。

WorldFIP總線除了在性能上滿足智能模塊化變電所自動化裝置的通訊要求，針對安全可靠性方面也有著充分的考慮，WorldFIP總線包含多種冗余措施，最大限度地提高總線通訊可靠性。

(1)介質(zhì)冗余，WorldFIP支持雙電纜冗余，由網(wǎng)管控制總線的投退。

(2)誤碼自檢，當(dāng)誤碼退出設(shè)定值后，物理層中斷鏈路層并通告網(wǎng)管。

(3)鏈路層自動幀同步，由鏈路層自行屏蔽非法應(yīng)答報文。

(4)CRC幀校驗可確保，低于10-12的幀錯率。

(5)仲裁器冗余。仲裁器自動轉(zhuǎn)移使一個總線上允許有多個仲裁器互為備用。

此外WorldFIP廠家還提供網(wǎng)管裝置和軟件及內(nèi)嵌WEB服務(wù)器，可實時監(jiān)控總線報文，無縫連接Internet，同時又不影響實時數(shù)據(jù)的傳送。

WorldFIP總線的應(yīng)用：

FULLFIP2芯片可作為仲裁器或用戶站通訊控制芯片。MICROFIP芯片只能作為用戶站通訊控制芯片。兩者均可完成WorldFIP總線全部鏈路層及網(wǎng)管功能。FIELDRIVE和FIELDTR則完成接口芯片到屏蔽電纜之間的聯(lián)接。

具體應(yīng)用中，系統(tǒng)設(shè)計十分簡單。通訊模塊上設(shè)計有FULLFIP2芯片及相應(yīng)接口芯片。FULLFIP2完成網(wǎng)絡(luò)收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)管理及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)維護。主CPU通過設(shè)置BA總線通訊調(diào)度表設(shè)定總線通訊時序，通過讀寫命令寄存器和FIF0即可完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。交流測量模塊、開關(guān)量測量模塊、遠方控制模塊則選用MICROFIP芯片及相應(yīng)接口芯片，模塊CPU按照指定地址讀寫MICROFIP的接口存儲器即可完成數(shù)據(jù)及信息報文的收發(fā)。