導(dǎo)語(yǔ)：現(xiàn)場(chǎng)總線智能模塊分析論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，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(dòng)化系統(tǒng)通訊方案的設(shè)計(jì)，討論了WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的性能及其在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線

1引言

微機(jī)化分散式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)所具有的自動(dòng)化程度高、組態(tài)靈活、運(yùn)行可靠、占地少、投資省、設(shè)計(jì)維護(hù)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)已成為業(yè)內(nèi)的共識(shí)。在變電所自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展中，除了單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，保護(hù)技術(shù)的成熟等因素外，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的興起和普及起到了極為重要的作用?？梢哉f(shuō)以現(xiàn)場(chǎng)總線為基礎(chǔ)的全數(shù)字測(cè)量控制系統(tǒng)是21世紀(jì)自動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)。正是由于傳輸高效、通訊可靠、接口靈活的現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)傳統(tǒng)串行通訊方式(如RS232/RS485)的改進(jìn)，為信息繁雜、組態(tài)靈活、運(yùn)行高速的分散式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)提供了通訊上的保證。同時(shí)，選擇不同的通訊方式、選擇不同的現(xiàn)場(chǎng)總線也相應(yīng)決定了整個(gè)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。

2通訊方式比較

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線種類繁多，國(guó)際上各大集團(tuán)出于對(duì)現(xiàn)有市場(chǎng)利益的追逐，統(tǒng)一的現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)遲遲不能出臺(tái)。2000年IEC1158國(guó)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，形成多種總線共同競(jìng)爭(zhēng)的局面。

國(guó)內(nèi)不同的自動(dòng)化廠家出于不同的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)，總線的選用也不一致，雖然這些總線均以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的開(kāi)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(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)對(duì)目前國(guó)內(nèi)使用較多的通訊方式的比較，參見(jiàn)表1，并針對(duì)智能模塊化變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際通訊需要，筆者認(rèn)為WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線是一種較為理想的現(xiàn)場(chǎng)總線。

3WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用

WorldFIP現(xiàn)場(chǎng)總線組織于1987年成立，其前期產(chǎn)品是法國(guó)的FIP(FactoryInstrumentationProtocol)，后采納現(xiàn)場(chǎng)總線國(guó)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(dú)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(gè)成員，如阿爾斯通、施耐德、霍尼韋爾等。1999年6月，中國(guó)WorldFIP技術(shù)推廣中心在北京成立，因此WorldFIP在我國(guó)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(shí)時(shí)性、同步性、可靠性、安全性等特點(diǎn)，能較好的滿足智能模塊之間的通訊要求。

表1常見(jiàn)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?fù)潢P(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(wèn)CSMA/CDCSMA/CD令牌主從

檢錯(cuò)碼CRCCRCCRC無(wú)

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(cuò)錯(cuò)誤檢測(cè)故障點(diǎn)切錯(cuò)多級(jí)冗余

WorldFIP的傳輸速率可達(dá)到31.25kbit/s、1Mbit/s、2.5Mbit/s，通訊介質(zhì)為工業(yè)級(jí)屏蔽雙絞線，利用光纖通訊速率可達(dá)到5Mbit。每個(gè)網(wǎng)段可包含64個(gè)節(jié)點(diǎn)末端距離可達(dá)1km，通過(guò)中繼器，可連接多至4個(gè)網(wǎng)段。這樣的物理層設(shè)計(jì)完全可以滿足變電所自動(dòng)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(wèn)控制方式上沒(méi)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(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè))技術(shù)，而是采用令牌訪問(wèn)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(shí)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(jì)的通訊要求。

智能模塊化變電所自動(dòng)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(cè)量、開(kāi)關(guān)量測(cè)量、開(kāi)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(jí)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(shí)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(shí)時(shí)，可靠的共享；有些信息屬突發(fā)事件但要求及時(shí)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(gè)模塊設(shè)定一個(gè)IP，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)指定某個(gè)模塊成為"信息生產(chǎn)者"，此時(shí)其它的模塊都可以成為一個(gè)"信息消費(fèi)者"。通過(guò)總線仲裁器按一定時(shí)序?yàn)槊總€(gè)生產(chǎn)者分配一個(gè)時(shí)段，逐個(gè)呼叫每個(gè)"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(wèn)控制方式不具備CAN網(wǎng)等CSMA/CD方式的總線在多主通訊、報(bào)文主動(dòng)上傳等方面的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)它也避免了通訊沖突，避免了沖突所帶來(lái)的重發(fā)及等待延時(shí)，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、同步共享，這對(duì)于需要模塊組態(tài)，協(xié)同工作的模塊化設(shè)計(jì)是非常需要的，同時(shí)WorldFIP也為非周期突發(fā)的信息提供了較好的通信方案。

實(shí)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(yán)格按照臨界時(shí)間變量傳輸，臨界時(shí)間的控制不受其他報(bào)文傳輸?shù)挠绊?。接下?lái)傳輸對(duì)同步性要求不太高的周期性數(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(gè)測(cè)控模塊組態(tài)成的主變測(cè)控單元為例簡(jiǎn)單介紹WorldFIP的通訊過(guò)程。斷路器的狀態(tài)、有載檔位由入模塊測(cè)量，電壓、電流等信息則由模擬量模塊測(cè)量，測(cè)量結(jié)果在完成諸如負(fù)荷控制、有載調(diào)壓、備自投等功能時(shí)有較高的實(shí)時(shí)性要求，信息格式固定。這類信息應(yīng)按臨界時(shí)間變量進(jìn)行傳輸，它們嚴(yán)格按設(shè)定的臨界時(shí)間進(jìn)行傳遞。遙信事件只在狀態(tài)變化時(shí)進(jìn)行傳輸，可作為周期性異步事件進(jìn)行傳輸，而對(duì)于設(shè)置類報(bào)文、自診斷類報(bào)文，操作類報(bào)文、記錄類報(bào)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(bào)文，臨界時(shí)間數(shù)據(jù)不能保證準(zhǔn)確的臨界時(shí)間，而WorldFIP允許周期性報(bào)文和非周期報(bào)文，同步信息和異步信息，互不干擾也在一體總線上同時(shí)傳遞，就好像不同類型的信息有各自的信道一樣。

同時(shí)由于不同模塊的各種測(cè)量結(jié)果嚴(yán)格按時(shí)序出現(xiàn)在總線上，可近似地認(rèn)為總線上有一個(gè)以時(shí)序?yàn)樗饕?，臨界時(shí)間變量的同步實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而方便地實(shí)現(xiàn)在功能單元或子系統(tǒng)內(nèi)的信息共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)諸如負(fù)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(dòng)化裝置的通訊要求，針對(duì)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(dòng)幀同步，由鏈路層自行屏蔽非法應(yīng)答報(bào)文。

(4)CRC幀校驗(yàn)可確保，低于10-12的幀錯(cuò)率。

(5)仲裁器冗余。仲裁器自動(dòng)轉(zhuǎn)移使一個(gè)總線上允許有多個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)控總線報(bào)文，無(wú)縫連接Internet，同時(shí)又不影響實(shí)時(shí)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(jì)十分簡(jiǎn)單。通訊模塊上設(shè)計(jì)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(hù)。主CPU通過(guò)設(shè)置BA總線通訊調(diào)度表設(shè)定總線通訊時(shí)序，通過(guò)讀寫(xiě)命令寄存器和FIF0即可完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。交流測(cè)量模塊、開(kāi)關(guān)量測(cè)量模塊、遠(yuǎn)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(xiě)MICROFIP的接口存儲(chǔ)器即可完成數(shù)據(jù)及信息報(bào)文的收發(fā)。