水电厂计算机监控系统通讯方式分析
2010-04-08张应亮
张应亮
(陕西省旬阳县水利局 旬阳县 725700)
在水电厂计算机监控系统中,通常采用分布采集,集中处理的方式,即各个现场设备独自采集各种信息,再通过通讯将采集到的数据传输给监控计算机进行分析、处理,同时现场设备也可接收监控计算机下发的控制命令,使得监控计算机实现对整个电厂设备运行的监视、控制和管理功能。因此监控计算机同现场设备之间实时、准确、可靠的通讯是整个水电厂计算机监控系统正常运行的首要保证,而在实际应用中由于通讯故障而造成计算机监控系统瘫痪中很大一部分原因是通讯方案没有考虑周全,因此根据通讯速率、可靠性、距离、节点数来选择适当的通讯方式是其通讯正确的关键技术之一。
1 水电厂监控系统通讯方式
水电厂监控系统中各个分散的现场设备和监测仪器(如传感器、变送器、PLC、现地单元等)通过各种通讯方式连接到计算机监控中。当前水电厂设备间通讯都采用串口通信(Serial Communication)方式即设备之间通过数据信号线、地线、控制线等,按位进行传输数据的一种通讯方法。根据现场设备通讯采用物理层和数据链路层不同其通讯方式可分为以下几种。
1.1 简单串口通讯方式
通讯方式物理层采用RS232、RS485或RS422。其中RS485应用最为广泛,该通讯方式物理层采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗噪声干扰性好;最大通信距离约为1 219 m(RS232最多只能传输15 m),最大传输速率为10 Mbps;最大支持32个节点(RS422只能做到点对点通讯);采用屏蔽双绞线传输,设备接口和通讯线缆价格经济。该通讯方式的数据链路层通讯协议简单,大部分通讯协议兼容MODBUS-RTU标准协议。由于MODBUS协议为一主多从协议,所有的通讯只能由主设备发起,数据传输采用轮询方式,没有完善的差错控制和错误重传机制,传输效率较低。
由于该通讯方式结构简单,性价比较高,对通讯质量要求不高的设备最为适用。
1.2 现场总线通讯方式
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统,主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。2003年4月,IEC61158 Ed.3现场总线标准第3版正式成为国际标准,规定10种类型的现场总线。其中在水电厂应用比较广泛的包括:CAN(Controller Area Net-work)现场总线、Profibus-DP现场总线和以太网现场总线。CAN现场总线应用于保护系统,Profibus-DP现场总线应用于PLC系统,以太网现场总线应用于站级设备之间的通讯。
(1)CAN现场总线。
由德国Bosch公司1993年推出,主要应用于汽车监控、制造业DCS系统等,CAN总线采用了多主竞争模式总线结构,具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点,适用于实时性要求很高的小型网络。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次,因此可在各节点之间实现自由通信。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤。网络拓扑为线型结构。
(2)PROFIBUS-DP 总线。
由德国Simens公司1987年推出,主要应用于制造业DCS系统。产品分三类:FMS用于主站之间的通讯;DP用于制造行业从站之间的通讯;PA用于过程行业从站之间的通讯。在水电厂中主要使用DP类产品。PROFIBUS-DP总线各主站间总线控制权令牌传递,主站与从站间为主-从传送。支持单主或多主系统。网络拓扑有树型和线型结构,或是两种拓扑的混合,组网较为灵活,可组成一个大型通讯网络。通信介质可以是双绞线或同轴电缆,总线上即可传送数据又可通过总线给现场设备供电。
(3)以太网和光纤以太网。
以太网是现有局域网中最通用的通信协议标准。以太网在互联设备之间以(10~100)Mbps的速率传送信息包,双绞线电缆以太网由于其低成本、高可靠性以及(10~100)Mbps的速率而成为水电厂应用最为广泛的以太网技术。
以太网同CAN总线一样采用多主竞争模式总线结构,但其采用破坏性解决总线存取冲突的方法,在重负荷中数据丢失严重。因此以太网能否在水电厂监控通讯系统应用经过长期的争论,随着IEC 60870-5-105以太网远动通讯规约以及IEC 61850变电站通信网络和系统的国际标准的颁布,以太网逐渐被水电厂监控系统设计人员所接受并应用于计算机监控系统中。由于以太网的(10~100)Mbps速率比其他总线快好几倍,使得数据通讯极少达到重负荷状态。
2 各种通讯方式的性能分析
2.1 可靠性
通讯的可靠性是评价通讯方式的首要条件。
(1)简单串口通讯的物理结构和通讯协议简单,因此其故障率最低,但其通讯协议简单、没有可靠的差错控制和故障重传机制,在外界干扰大的情况下可靠性最低。
(2)CAN总线原设计用于汽车中各个智能设备的联接,因此在物理层和数据链路层抗干扰性考虑较为周全。
(3)PROFIBUS-DP总线产品开发时间较早,限于当时计算机网络水平,建立在IT网络标准基础上,随着应用领域不断扩大和用户要求越来越高,该现场总线的产品只能在原有IT协议框架上进行局部的修改和补充,以致在控制系统内增加了很多转换单元 (如各种耦合器),这为该产品可靠性带来一定影响。
(4)以太网通讯方式原设计用于商业环境计算机之间通讯,使用的是CSMA/CD(带有碰撞检测的载波侦听多路访问)的访问控制方法,重负荷时实时性较差。通过采用工业以太网交换机将网络结构由总线型改为星型,极大提高了通讯可靠性并使数据通讯的实时性达到工业级要求。交换机是根据源地址和目的地址来转发数据,减少数据广播也就减少了数据碰撞,因此提高了数据的实时性。但交换机也成为以太网通讯系统可靠性的瓶颈,若交换机故障则造成整个以太网通讯系统瘫痪。
2.2 故障自我恢复能力
监控系统运行于工业环境,设备或总线难免产生故障,如何实现故障自我恢复是评价通讯方式的一个重要指标。
(1)简单串口通讯没有故障自我恢复能力。
(2)CAN总线中,当设备通讯故障时其自行退出总线而不会对总线产生干扰。
(3)PROFIBUS-DP总线诊断功能能对故障进行快速定位,诊断信息在总线上传输并由主站采集。
(4)以太网通讯方式由交换机实现总线诊断功能并自动隔离故障站点。为提高通讯的可靠性,大型水电厂都采用光纤自愈环网:在设备和交换机之间采用双网线冗余备份,交换机之间采用光纤自愈环网,这使得以太网中任何一根通讯线故障都不会影响到整个以太网通讯部分的正常工作。
2.3 数据传输速度和距离
监控系统复杂程度越来越高,传输数据量随之增大,对数据通讯速度要求也越高。
(1)简单串口通讯的传输速率最低,由于其采用一主多从通讯方式,并且数据链路层通讯协议需设备CPU解释,处理速度慢,因此一般为9 600 bps或19 200 bps。其传输距离可达到1 km。
(2)CAN总线的传输速率为1 Mbps。其传输距离为10 km。
(3)PROFIBUS-DP总线的传输速率可在 (9.6~12)Mbps范围内选择且当总线系统启动时,所有连接到总线上的装置应该被设成相同的速度。通讯速度和通讯距离有相关:波特率高,距离短;如500 m距离速率可为187.5 bps。100 m距离速率可为1.5 Mbps。
(4)以太网通讯方式的传输速率可为(10~100)Mbps,采用双绞线为传输介质的以太网通讯10/100 Base-TX最远传输距离为100 m。采用光纤为传输介质,10/100 Base-FX可以将传输距离提高到10 km。完全满足大型水电厂监控系统的要求。
2.4 总线节点数
总线节点数为一根总线上最多可有多少节点,反映了各个通讯方式的节点容量。
(1)简单串口通讯总线上最多可挂接32个节点。但一般最多挂接20个节点,否则每个设备的数据更新速率较慢。
(2)CAN总线上最多可挂接110个节点。
(3)PROFIBUS-DP总线上最多可挂接126个节点。
(4)以太网通讯方式理论上可挂接无数个节点,由于交换机接口的限制一般挂接20~30个节点。
3 结 论
本文分析了水电厂常用的几种通讯方式,并从可靠性、故障恢复能力、数据传输速度和距离、总线节点数四个方面对这些通讯方式进行了分析比较。简单串口通讯运用于数据量不大,速度要求不高的仪表和设备通讯,如温度巡回检测仪、电量采集仪、电度表、调速器、励磁设备等仪表设备;CAN总线运用于故障管理系统同保护设备间通讯;PROFIBUS-DP总线运用于PLC节点分布较广的系统如辅机系统。以太网通讯方式运用于分层分布式通讯结构中主机之间或主机同PLC之间通讯。但以上通讯方式的分类也是相对的,由上可见,各种通讯方式各有优缺点,共同组成了水电厂监控通讯系统。
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