現場總線技術在樓宇自動化領域的應用研究

1、引言
      現場總線技術是電子、儀器儀表、計算機技術和網絡技術發展結晶,是工業自動化事業發展需要。它將專用微處理器置入傳統測量控制儀表, 使它們各自都具有數字計算和數字通信能力,采用可簡單連接雙絞線等作為總線,把多個測量控制儀表連成網絡系統,并按公開、規范通信協議,位于現場多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間,實現全數字化、雙向多變量數字通信,一改過去長時間運用4-20mA模擬信號標準。它在電力、冶金、石化、樓宇等方面自動化系統中具有廣泛應用前景。
2、廈門會展電力監控系統介紹
      廈門國際會展中心電力監控系統工程是會展中心智能化工程中重點工程之一,電力監控系統負責對會展中心高、低壓配電室內各種用電設備集中監控與計量,先進系統和控制方案給會展中心提供高效、先進系統管理。
      廈門國際會展中心電力監控系統工程由西安協同公司承接實施,西安協同公司針對該系統各種設備接口復雜、技術專業性強等特點,精心設計、科學組織、克服困難、不斷創新,最終圓滿完成了工程實施。該系統優良率為92%,居28個子系統之首,受到建設單位一致好評。
2.1　系統組成及功能
      系統由一臺中央工作站、六臺監控分站、一條“DH+”總線組成,采用集散型系統設計。監控分站選用美國AB公司SLC500控制器,控制器配有DI、DO 及BASIC通信模塊。DI模塊完成低壓開關狀態采集與脈沖量計量,DO模塊實現開關分勵脫扣及模擬屏驅動。BASIC通信模塊帶有兩個獨立可編程RS- 485通信口,可外掛兩條RS-485總線與各種智能設備構成現場總線結構。本系統中BASIC通信模塊主要完成如下監控功能;
      三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、功率因數、有功電度、變壓器溫度、浮充電壓、環境溫度；開關狀態,故障、報警、跳閘信號;開關分、合閘控制。
      本系統是PLC與現場總線并存系統,但可以看出,現場總線是該系統核心,也是該系統亮點之一。
      本系統使用智能設備有瑞士ABB公司REF-541綜合三相過流保護繼電器,法國SOCOMEC公司智能電網電量監控器,浙江科宏電氣智能溫控設備、福州利電氣智能溫控設備,上海華辰電氣智能高頻開關直流屏。
2.2　系統特點及優點
節省硬件投資與施工費用
      傳統控制系統模擬量采集一般選用各種變送器,將模擬量轉換為4-20mA標準電流信號,然后經模數轉換單元,最終送往中央工作站。現場總線系統中,所有上述功能全都集成于一體化智能設備中,采用現場總線系統,不需購置大量硬件設備,節省空間,節省投資。
      現場總線系統接線十分簡單,一條電纜便可連接多個設備,而傳統控制系統,每個變送器都需單獨電纜傳送信號。,采用現場總線系統,電纜、端子、槽盒、橋架用量大大減少,連線設計與接頭校核工作量也大為減少。如需增加現場設備時,無需增設新電纜,可就近連接原有電纜上,減少了設計、安裝費用。
      廈門國際會展中心電力監控系統實際I/O點數為1000點,模擬量為370點,我公司實施這一系統用了105萬,不使用現場總線系統,用傳統控制系統模式,經我們估算,投資至少需要150萬。
系統維護方便
      現場總線系統結構簡單,故障環節少,施工維護方便?，F場智能設備具有自診斷和簡單處理能力,維護人員可以查詢設備運行,診斷維護信息,早期分析故障原因并快速排除,縮短了維護停工周期。
控制功能分散
      傳統控制系統控制功能主要由控制室設備承擔,現場總線系統控制功能基本上由智能化現場儀表承擔,控制功能分散比較徹底,真正做到了“分散控制”。比如該系統智能溫控設備,對變壓器溫度監測,它會發出命令啟動風機降溫高壓跳閘,并不依賴上位機功能。
系統準確性和可靠性到提高
      現場總線設備智能化、數字化,與模擬信號相比,它從根本上提高了測量與控制精確度,減少了傳送誤差。同時,系統結構簡化,設備連線減少,現場儀表內部功能加強,減少了信號往返傳輸,提高了系統工作可靠性。
2.3　技術難點及經驗總結
      一條RS-485總線理論上只允許掛有相同通信協議智能設備,各個設備以不同址加以區分。但會展中心2、4、5號低配室有三種不同協議智能表,那么兩個通信口BASIC模塊,不可避免要將兩種不同協議設備掛一條總線上。我們針對這一問題作了分析與論證,認為協議不同智能設備,端口配置（包括波特率、數據位、奇偶校驗、停止位、流控制）相同,便可以掛一條總線上工作。我們對所有設備端口進行了統一配置,通信軟件編制作了相應調整,分別對不同設備進行讀寫控制,最終系統運行正常,并沒有發生沖突情況。
      總線上設備增加,數據刷新周期會變長,系統實時性會降低,要提高實時性,則要增加硬件投資,如增加通信模塊或提高系統配置。具體控制系統,不必一味追求系統實時性,要系統實際情況和客戶具體要求,使系統各項指標滿足要求即可。例如會展中心高配室,一條RS-485總線同時連接20臺REF-541,要進行讀取數據、采集報警、開關分、合閘控制等多任務,不同任務對實時性要求是不同。我們通信軟件編制中,對不同任務也加以區分,采用“硬實時任務”優先處理算法,最終使系統各項指標均達到技術協議要求。
3、現場總線系統模式應用于其它系統設計構思
      廈門國際會展中心電力監控系統是現場總線技術樓宇自控領域成功應用,那么該控制系統模式能否應用于其它系統呢?下面給出樓宇自動化抄表系統設計構思。
      小區用戶水電氣表選用有脈沖輸出功能產品,多路采集控制器負責計量某一區域或樓層用戶三表脈沖數,并計算出每戶用電量、用水量、用氣量,RS-485總線上傳至管理工作站。目前生產這種采集器廠家較多,價格也比較便宜。當然也可以采用小型PLC來實現,這樣系統性能會大幅度提升,投資也會相應增加。我公司給某大廈抄表系統建議方案中便采用這種模式。
4、現場總線技術將朝著開放系統、統一標準方向發展
      以微處理器芯片為基礎各種智能儀表,為現場信號數字化以及實現復雜應用功能提供了條件。但不同廠商所提供設備之間通信標準不統一,嚴重束縛了工廠底層網絡發展。廈門會展電力監控系統來講,該系統涉及到國內外智能設備共有5種,我們工程實施中針對5中不同通信協議分別開發出5種不同驅動程序,每種驅動程序調試方法也各不相同,這無疑增加了系統集成工作量。
      我國,各種智能設備生產廠家都提供了自己通信接口,但這些接口都很不規范,也沒有做到統一。國外,現場總線技術統一標準已取了相當進展,自80年代以來,已形成了幾種有影響的現場總線技術：
1、基金會現場總線；
2、LonWorks；
3、Profibus；
4、CAN；
5、HART。
      預計今后一段時間內,會出現幾種現場總線標準共存、同一生產現場有幾種異構網絡互連通訊局面。但發展共同遵循統一標準,真正形成一種開放互聯系統才是大勢所趨。