水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊方式分析

張應(yīng)亮

（陜西省旬陽(yáng)縣水利局 旬陽(yáng)縣 725700）

在水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，通常采用分布采集，集中處理的方式，即各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備獨(dú)自采集各種信息，再通過通訊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、處理，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也可接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)下發(fā)的控制命令，使得監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電廠設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)視、控制和管理功能。因此監(jiān)控計(jì)算機(jī)同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的通訊是整個(gè)水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的首要保證，而在實(shí)際應(yīng)用中由于通訊故障而造成計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓中很大一部分原因是通訊方案沒有考慮周全，因此根據(jù)通訊速率、可靠性、距離、節(jié)點(diǎn)數(shù)來選擇適當(dāng)?shù)耐ㄓ嵎绞绞瞧渫ㄓ嵳_的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 水電廠監(jiān)控系統(tǒng)通訊方式

水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)分散的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器（如傳感器、變送器、PLC、現(xiàn)地單元等）通過各種通訊方式連接到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中。當(dāng)前水電廠設(shè)備間通訊都采用串口通信（Serial Communication）方式即設(shè)備之間通過數(shù)據(jù)信號(hào)線、地線、控制線等，按位進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的一種通訊方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊采用物理層和數(shù)據(jù)鏈路層不同其通訊方式可分為以下幾種。

1.1 簡(jiǎn)單串口通訊方式

通訊方式物理層采用RS232、RS485或RS422。其中RS485應(yīng)用最為廣泛，該通訊方式物理層采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾性好；最大通信距離約為1 219 m（RS232最多只能傳輸15 m），最大傳輸速率為10 Mbps；最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)（RS422只能做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊）；采用屏蔽雙絞線傳輸，設(shè)備接口和通訊線纜價(jià)格經(jīng)濟(jì)。該通訊方式的數(shù)據(jù)鏈路層通訊協(xié)議簡(jiǎn)單，大部分通訊協(xié)議兼容MODBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。由于MODBUS協(xié)議為一主多從協(xié)議，所有的通訊只能由主設(shè)備發(fā)起，數(shù)據(jù)傳輸采用輪詢方式，沒有完善的差錯(cuò)控制和錯(cuò)誤重傳機(jī)制，傳輸效率較低。

由于該通訊方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比較高，對(duì)通訊質(zhì)量要求不高的設(shè)備最為適用。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)總線通訊方式

現(xiàn)場(chǎng)總線是連接智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)，主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。2003年4月，IEC61158 Ed.3現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)第3版正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定10種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線。其中在水電廠應(yīng)用比較廣泛的包括：CAN（Controller Area Net-work）現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線。CAN現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于保護(hù)系統(tǒng)，Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于PLC系統(tǒng)，以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用于站級(jí)設(shè)備之間的通訊。

（1）CAN現(xiàn)場(chǎng)總線。

由德國(guó)Bosch公司1993年推出,主要應(yīng)用于汽車監(jiān)控、制造業(yè)DCS系統(tǒng)等,CAN總線采用了多主競(jìng)爭(zhēng)模式總線結(jié)構(gòu)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn)，適用于實(shí)時(shí)性要求很高的小型網(wǎng)絡(luò)。CAN總線上任意節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主次，因此可在各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)自由通信。通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫€型結(jié)構(gòu)。

（2）PROFIBUS-DP 總線。

由德國(guó)Simens公司1987年推出,主要應(yīng)用于制造業(yè)DCS系統(tǒng)。產(chǎn)品分三類:FMS用于主站之間的通訊;DP用于制造行業(yè)從站之間的通訊；PA用于過程行業(yè)從站之間的通訊。在水電廠中主要使用DP類產(chǎn)品。PROFIBUS-DP總線各主站間總線控制權(quán)令牌傳遞，主站與從站間為主－從傳送。支持單主或多主系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆袠湫秃途€型結(jié)構(gòu)，或是兩種拓?fù)涞幕旌?，組網(wǎng)較為靈活，可組成一個(gè)大型通訊網(wǎng)絡(luò)。通信介質(zhì)可以是雙絞線或同軸電纜，總線上即可傳送數(shù)據(jù)又可通過總線給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電。

（3）以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)。

以太網(wǎng)是現(xiàn)有局域網(wǎng)中最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以（10~100）Mbps的速率傳送信息包，雙絞線電纜以太網(wǎng)由于其低成本、高可靠性以及（10~100）Mbps的速率而成為水電廠應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)。

以太網(wǎng)同CAN總線一樣采用多主競(jìng)爭(zhēng)模式總線結(jié)構(gòu)，但其采用破壞性解決總線存取沖突的方法，在重負(fù)荷中數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重。因此以太網(wǎng)能否在水電廠監(jiān)控通訊系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)過長(zhǎng)期的爭(zhēng)論，隨著IEC 60870-5-105以太網(wǎng)遠(yuǎn)動(dòng)通訊規(guī)約以及IEC 61850變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的頒布，以太網(wǎng)逐漸被水電廠監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員所接受并應(yīng)用于計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。由于以太網(wǎng)的（10~100）Mbps速率比其他總線快好幾倍，使得數(shù)據(jù)通訊極少達(dá)到重負(fù)荷狀態(tài)。

2 各種通訊方式的性能分析

2.1 可靠性

通訊的可靠性是評(píng)價(jià)通訊方式的首要條件。

（1）簡(jiǎn)單串口通訊的物理結(jié)構(gòu)和通訊協(xié)議簡(jiǎn)單，因此其故障率最低，但其通訊協(xié)議簡(jiǎn)單、沒有可靠的差錯(cuò)控制和故障重傳機(jī)制，在外界干擾大的情況下可靠性最低。

（2）CAN總線原設(shè)計(jì)用于汽車中各個(gè)智能設(shè)備的聯(lián)接,因此在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層抗干擾性考慮較為周全。

（3）PROFIBUS-DP總線產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間較早，限于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)水平，建立在IT網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，隨著應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大和用戶要求越來越高，該現(xiàn)場(chǎng)總線的產(chǎn)品只能在原有IT協(xié)議框架上進(jìn)行局部的修改和補(bǔ)充，以致在控制系統(tǒng)內(nèi)增加了很多轉(zhuǎn)換單元 （如各種耦合器），這為該產(chǎn)品可靠性帶來一定影響。

（4）以太網(wǎng)通訊方式原設(shè)計(jì)用于商業(yè)環(huán)境計(jì)算機(jī)之間通訊，使用的是CSMA／CD（帶有碰撞檢測(cè)的載波偵聽多路訪問）的訪問控制方法，重負(fù)荷時(shí)實(shí)時(shí)性較差。通過采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由總線型改為星型，極大提高了通訊可靠性并使數(shù)據(jù)通訊的實(shí)時(shí)性達(dá)到工業(yè)級(jí)要求。交換機(jī)是根據(jù)源地址和目的地址來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)廣播也就減少了數(shù)據(jù)碰撞，因此提高了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。但交換機(jī)也成為以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)可靠性的瓶頸，若交換機(jī)故障則造成整個(gè)以太網(wǎng)通訊系統(tǒng)癱瘓。

2.2 故障自我恢復(fù)能力

監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行于工業(yè)環(huán)境，設(shè)備或總線難免產(chǎn)生故障，如何實(shí)現(xiàn)故障自我恢復(fù)是評(píng)價(jià)通訊方式的一個(gè)重要指標(biāo)。

（1）簡(jiǎn)單串口通訊沒有故障自我恢復(fù)能力。

（2）CAN總線中，當(dāng)設(shè)備通訊故障時(shí)其自行退出總線而不會(huì)對(duì)總線產(chǎn)生干擾。

（3）PROFIBUS-DP總線診斷功能能對(duì)故障進(jìn)行快速定位，診斷信息在總線上傳輸并由主站采集。

（4）以太網(wǎng)通訊方式由交換機(jī)實(shí)現(xiàn)總線診斷功能并自動(dòng)隔離故障站點(diǎn)。為提高通訊的可靠性，大型水電廠都采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)：在設(shè)備和交換機(jī)之間采用雙網(wǎng)線冗余備份，交換機(jī)之間采用光纖自愈環(huán)網(wǎng)，這使得以太網(wǎng)中任何一根通訊線故障都不會(huì)影響到整個(gè)以太網(wǎng)通訊部分的正常工作。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸速度和距離

監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)雜程度越來越高，傳輸數(shù)據(jù)量隨之增大，對(duì)數(shù)據(jù)通訊速度要求也越高。

（1）簡(jiǎn)單串口通訊的傳輸速率最低，由于其采用一主多從通訊方式，并且數(shù)據(jù)鏈路層通訊協(xié)議需設(shè)備CPU解釋，處理速度慢，因此一般為9 600 bps或19 200 bps。其傳輸距離可達(dá)到1 km。

（2）CAN總線的傳輸速率為1 Mbps。其傳輸距離為10 km。

（3）PROFIBUS-DP總線的傳輸速率可在 （9.6～12）Mbps范圍內(nèi)選擇且當(dāng)總線系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有連接到總線上的裝置應(yīng)該被設(shè)成相同的速度。通訊速度和通訊距離有相關(guān)：波特率高，距離短；如500 m距離速率可為187.5 bps。100 m距離速率可為1.5 Mbps。

（4）以太網(wǎng)通訊方式的傳輸速率可為（10~100）Mbps,采用雙絞線為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)通訊10/100 Base-TX最遠(yuǎn)傳輸距離為100 m。采用光纖為傳輸介質(zhì)，10/100 Base-FX可以將傳輸距離提高到10 km。完全滿足大型水電廠監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

2.4 總線節(jié)點(diǎn)數(shù)

總線節(jié)點(diǎn)數(shù)為一根總線上最多可有多少節(jié)點(diǎn)，反映了各個(gè)通訊方式的節(jié)點(diǎn)容量。

（1）簡(jiǎn)單串口通訊總線上最多可掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)。但一般最多掛接20個(gè)節(jié)點(diǎn)，否則每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)更新速率較慢。

（2）CAN總線上最多可掛接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（3）PROFIBUS-DP總線上最多可掛接126個(gè)節(jié)點(diǎn)。

（4）以太網(wǎng)通訊方式理論上可掛接無數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)，由于交換機(jī)接口的限制一般掛接20~30個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié) 論

本文分析了水電廠常用的幾種通訊方式，并從可靠性、故障恢復(fù)能力、數(shù)據(jù)傳輸速度和距離、總線節(jié)點(diǎn)數(shù)四個(gè)方面對(duì)這些通訊方式進(jìn)行了分析比較。簡(jiǎn)單串口通訊運(yùn)用于數(shù)據(jù)量不大，速度要求不高的儀表和設(shè)備通訊，如溫度巡回檢測(cè)儀、電量采集儀、電度表、調(diào)速器、勵(lì)磁設(shè)備等儀表設(shè)備；CAN總線運(yùn)用于故障管理系統(tǒng)同保護(hù)設(shè)備間通訊；PROFIBUS-DP總線運(yùn)用于PLC節(jié)點(diǎn)分布較廣的系統(tǒng)如輔機(jī)系統(tǒng)。以太網(wǎng)通訊方式運(yùn)用于分層分布式通訊結(jié)構(gòu)中主機(jī)之間或主機(jī)同PLC之間通訊。但以上通訊方式的分類也是相對(duì)的，由上可見，各種通訊方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，共同組成了水電廠監(jiān)控通訊系統(tǒng)。

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