CAN總線及其在水電站自動化的應用
關鍵詞：CAN PLC PCC 現場總線 水電站自動化
1. 引言：
水電站綜合自動化系統（包括電站機組、變壓器、廠變、公共設備等的保護、檢測、控制等）是電站安全、優質、高效運行的重要保證。隨著計算機及電子技術的迅猛發展和日益成熟，性能先進，運行可靠穩定的電站微機綜合自動化系統得到廣泛的應用。逐步替代了傳統的繼電保護與自動化設備。微機保護與常規繼電保護的根本區別在于其實現了數字化，即通過對主設備運行狀態參量的實時、快速數字處理，完成故障診斷、保護動作。根據國家有關大力發展中小型水電站建設，西電東送的發展戰略，本文吸取當今先進的電站設計思想，在分析相關技術文獻、資料的基礎上提出了一種利用當今先進的現場總線技術，計算機網絡技術和可編程計算機控制器PCC技術的水電站自動化監控系統。確保復雜的機組啟停控制，變壓器保護等系統得以可靠的實現。同時以模塊化的設計保證系統功能的靈活擴充。該系統適合中小型水電站，系統的功能層次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先對當今的現場總線技術之一CAN總線進行了概述。其次對利用上述先進技術設計的水電站自動化監控系統的功能特性加以分析和說明。
2. CAN總線及其特性
現場總線作為一個發展熱點，它的出現將對傳統的工業自動化帶來革命，從而開始工業控制的新紀元。但眾多的現場總線往往使生產者和用戶無所適從。是否已納入IEC標準，系統的開放性，技術能否得到有力的支持，價格是否有競爭力等已成為人們選用何種總線的主要依據。由于CAN總線具有通信速率高，可靠性高，連接方便和性能價格比高等諸多特點，推動其應用開發的迅速發展，其推廣應用反過來又促使器件生產商不斷推出新的CAN總線產品。使其逐步形成系列。鑒于CAN總線的普及性，選擇CAN作為總線控制網。
從物理結構上看，CAN屬于總線式通訊網絡，與BITBUS，RS485相似，又有本質區別。它是一種專門用于工業自動化領域的網絡，不同于以太網等管理和信息處理用網絡。其物理特性及網絡協議特性更強調工業自動化的底層監測及控制。它采用了最新的技術及獨特的設計，其可靠性和性能超過了已陳舊的現場通訊技術，如RS485，BITBUS等。CAN具有下列主要特性：
. CAN插卡可任意插在PC，XT，AT兼容機上，方便地構成分布式監控系統。
. CAN可以多主方式工作，這一方式與大型網絡的peer to peer方式相類似，從而與開放結構相吻合。網絡上任意一個節點均可在任意時刻主動地向網絡其它節點發送信息，而不分主從，通訊方式靈活。利用這一特點也可以方便地構成（容錯）多機備份系統。
. CAN無破壞性的基于優先權的仲裁，可滿足不同的實時要求，有效避免了總線沖突。
. CAN可以點對點，一點對多點（成組）及全局廣播等幾種方式傳送和接收數據。
. CAN直接通信距離最遠可達10km/5kbps,通訊速率最高可達1Mbps/40m。
. CAN上節點數理論值為2000個，實際上以110個以下為宜。
. CAN采用短幀結構，第一幀有效字節為8個，這樣傳輸時間短，受干擾概率低，重新發送時間短。
. CAN每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，保證了數據的出錯率極低。
. CAN可以實現非破壞性總線仲裁和錯誤鑒定。總線沖突和錯誤鑒定均由CAN控制器自分解塊，而且這一過程對用戶完全透明并能區分暫時性和永久性故障，自動關閉故障點 這一點在多傳輸情況下，通過數據融合技術可以彌補由于傳輸或設備故障造成的信息缺損。
.通訊介質采用雙絞線，無特殊要求。
3. 系統設計方案比較
水電站自動化監控系統是提高電站綜合自動化水平的重要因素，是根據無值班、少人值守的原則設計的。系統綜合運用先進的計算機技術、通信技術、現場總線技術、PLC技術、及軟件工程設計方法，使系統配置靈活，簡單，用戶操作方便。與傳統的水電站自動化監控系統相比，我們改傳統方法中將現場綜合電量裝置、保護裝置及溫度巡檢裝置通過RS485總線接到工控機上為將這些裝置與PCC相連，通過PCC聯到上位監控系統，使得整個現地單元自成一個獨立的系統層次。增加了系統的穩定性和可靠性。避免了系統數據的丟失，同時簡化了系統的結構，節約了系統硬件成本，更加利于資金不足的地區自建小型水電站。下面我們給出兩種結構的框圖。
4.電站自動化監控系統的實現
4.1系統構成
硬件系統采用快速交換式以太網組成局域網，系統的實時監控功能分布于縱向的三個層次上，現地層實現數據的采集及控制功能，監控層則通過網絡實現全站的監視和控制功能，系統的這種分層、分布式硬件體系保證了其系統性能的穩定可靠。
4.1.1全站監控層構成
全站監控層為電站實時監控中心。其負責整個電站的集中監控功能，具有實時及歷史數據處理功能，并預留與地調或梯調進行通信等功能。
監控層由一臺前臺調度機，一臺數據處理機，調度機和數據處理機選用臺灣研華公司的原裝工控機，兩臺飛利蒲21‘‘彩顯，兩臺實達24針中英文寬行打印機構成。前臺調度機與數據處理機之間通過以太網相連進行通信。數據處理機預留接口與地調或梯調進行通信。前臺調度機與現地單元（LCU）之間通過現場總線CAN網進行數據交換。
4.1.2 現地控制單元（LCU）
現地控制單元本次設計按一般情況包括三套機組LCU和一套公用LCU。因系統的設計是開放式結構，可以根據系統的實際情況增刪設備。機組LCU、公用LCU與上位監控層通過CAN總線相連，實現數據的上傳和下發。
考慮到LCU的基本構成是相似的，我們以一套為例來對其構成進行說明。LCU由一套可編程計算機控制器PCC、一臺溫度巡檢裝置、一臺綜合電量檢測裝置及轉速測量裝置和各種保護裝置構成。其中，PCC一方面通過I/O 模塊測取模擬量、開關量、脈沖量等信號，另一方面利用其Frame driver 功能，通過RS485總線獲取溫度巡檢裝置、綜合電量檢測裝置及轉速測量裝置和各種保護裝置的測 量信號。并把它們通過CAN總線上傳給上位管理機。
可編程計算機控制器PCC是選用貝加萊的PCC2005系列。PCC為項目開發者的控制應用程序（APM）提供了兆字節級的存儲容量。如此大的存儲容量，對于我們存放通過RS485總線獲取的大量的溫度巡檢裝置、綜合電量檢測裝置及轉速測量裝置和各種保護裝置的測量信號提供了可能。同時，其實時多任務系統和多種編程風格同時混用的特性，為我們的程序開發提供了便利。
4.2系統功能
4.2.1 監控系統上位軟件實現功能：
·數據采集：接收LCU定時采集及預處理過的信號，包括開關量，模擬量， 脈沖量，溫度量及其它非電量等。
·數據處理：數據計算，越限報警，變位報警，電度累計，功率累計，電壓合格率等。
·報表生成與打印：包括事故﹑故障一覽表，狀態變位統計一覽表，操作一覽表，模擬量越限一覽表，自診斷一覽表，設備運行工況表，電能報表等。
·機組順序控制：實現機組順序起，?？刂啤嗦菲?，隔離開關的合閘/分閘等操作。
·機組有功功率，無功功率調節：現地單元可根據顯示操作面板的有功，無功給定值或上位機下達的有功，無功給定值，按相應調節規律（如PID）進行有功、無功的閉環控制。另外可根據用戶要求進行成組調節。
·可與上級調度部門通信，實現遙測與遙信等功能。
·時鐘同步：現地控制單元、自動化裝置、上位機采用統一的時鐘，保證時間同步性。
4.2.2現地控制單元LCU的功能
·數據采集和處理
通過LCU上的開入模塊、模入模件、綜合電量裝置、溫度巡檢裝置和保護裝置分別采集狀態量（DI）、中斷量（SOE）、脈沖量、電度量、交流量、模擬量和溫度量，并進行數據的多重濾波、合法性檢查、數據的轉換、運算和上交操作。
·控制與操作
LCU 根據所采入的信息或上位機下達的命令，進行數據處理、啟動流程，并下發控制、操作命令，所有的控制、操作命令通過PCC的開出模件驅動開出繼電器來執行，從而實現自動控制發電機的啟停、并列解列、輔設啟停和開關操作。其中機組的緊急停機、事故停機流程則直接置于PCC系統上，以此提高系統響應的快速性和準確性。
5. 結束語
隨著能源的匱乏煤和石油日益減少及人們環保意識的加強，水利發電因其電能低成本，沒有污染、運行方式靈活，可以發電、防洪、灌溉、綜合利用水利資源等優勢，得到越來越多的應用。水電站自動化的水平決定了其安全可靠性及低成本的運行。本文以中小型水電站為參考點，改過去一個現地單元配一套監控站為以現地單元PCC為順控、數采的核心，并兼任將數據上傳上位監控站，三套現地單元和一套公用單元通過CAN總線由上位監控站統一監控管理。這種結構模式不但可以降低投資成本，而且因其層次清晰，模塊化配置減少了系統故障的發生。對于在目前我國地方投資不足的情況下加快中小型水電站的建設步伐是很有促進作用的。
參考文獻
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