CAN總線在自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.前言

隨著微機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的智能裝置在變電所中得到應(yīng)用，極大地提高了變電所測(cè)量和控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。變電所強(qiáng)電磁干擾的工作場(chǎng)所，對(duì)自動(dòng)化設(shè)備尤其是對(duì)其中涉及到的通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力提出了很高的要求。根據(jù)變電所中開(kāi)關(guān)設(shè)備和互感器的安裝方式、環(huán)境以及對(duì)系統(tǒng)自動(dòng)化程度的不同要求，整座變電所的測(cè)量控制系統(tǒng)一般采用集中與分散結(jié)合的方式構(gòu)成，控制既可以做到集中控制(在主控制室中的集中控制臺(tái)或屏上進(jìn)行)，也可對(duì)各開(kāi)關(guān)進(jìn)行分散控制(由安裝在開(kāi)關(guān)設(shè)備跟前的控制箱完成)。

變電所自動(dòng)化系統(tǒng)主要由各種開(kāi)關(guān)的智能控制單元、電氣參數(shù)測(cè)量單元和繼電保護(hù)裝置構(gòu)成，在這些智能化設(shè)備之間存在著信息交換的需要，同時(shí)整個(gè)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)還要與調(diào)度中心進(jìn)行信息交換。通信網(wǎng)絡(luò)在變電所測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)著及時(shí)準(zhǔn)確地傳送控制命令、及時(shí)反饋回控制結(jié)果、變電所電氣參數(shù)和設(shè)備各種狀態(tài)的任務(wù)，其重要性不言而喻。本文通過(guò)一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子，討論把CAN總線應(yīng)用于分布式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中方案的確定、軟硬件設(shè)計(jì)中注意的相關(guān)問(wèn)題。

2變電所測(cè)控自動(dòng)化系統(tǒng)的常用通信模式

2.1并行通信

并行通信模式多用于各種智能化儀器與微機(jī)之間的通訊，具有數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，系統(tǒng)造價(jià)、長(zhǎng)距離通信時(shí)抗干擾能力是制約其廣泛應(yīng)用于變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的主要原因之一。這種通信方式在變電所中，主要應(yīng)用在報(bào)表打印方面。

2.2串行通信

RS232，CCITTV.24，V.11等通信標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)被長(zhǎng)期而廣泛地應(yīng)用，較低的價(jià)格、較高抗干擾能力是他們的優(yōu)點(diǎn)，但較低的通信速率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式成為制約他們廣泛應(yīng)用于變電所自動(dòng)化系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要原因之一。RS232在變電所的各種測(cè)量、控制和保護(hù)裝置上應(yīng)用較多。

2.3現(xiàn)場(chǎng)總線

分布式變電所自動(dòng)化系統(tǒng)是由測(cè)量、控制和保護(hù)等智能單元構(gòu)成的一個(gè)有機(jī)整體，在整個(gè)變電所中分散安裝有針對(duì)以上特點(diǎn)，在最低層次上設(shè)計(jì)出的一種造價(jià)低廉、通信吞吐能力較強(qiáng)而又能有效抵御現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境電磁干擾的通信系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線由于在抗干擾能力、造價(jià)等方面的優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的重要選擇對(duì)象，現(xiàn)場(chǎng)總線有很多種，各有長(zhǎng)處，根據(jù)變電所自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)際情況，在應(yīng)用中選擇了控制器局域網(wǎng)。

控制器局域網(wǎng)是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的一種。CAN總線是一種多主(或無(wú)主)總線，總線上各節(jié)點(diǎn)均處于平等地位，該總線的一個(gè)顯著特點(diǎn)是無(wú)破壞性信息傳輸，最高通信速率可以達(dá)到1Mb/s，每次發(fā)送報(bào)文長(zhǎng)度8B，超過(guò)8B長(zhǎng)度的報(bào)文必須進(jìn)行分割和拼接處理。

3.CAN總線應(yīng)用方案的確定、硬件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

目前變電所許多測(cè)量、控制和保護(hù)裝置多數(shù)帶有串行通信接口，在硬件平臺(tái)和應(yīng)用軟件方面的開(kāi)發(fā)趨于成熟，采用何種通信網(wǎng)絡(luò)，就不能不兼顧原有系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后，提出如圖1所示的系統(tǒng)方案。

該方案考慮了原有的測(cè)量、控制和保護(hù)等裝置，軟硬件上不作改動(dòng)，只是在原裝置與網(wǎng)絡(luò)之間增加一個(gè)RS232和CAN總線的轉(zhuǎn)換器，考慮到變電所網(wǎng)絡(luò)信息的吞吐量不大，該轉(zhuǎn)換器以51單片機(jī)為核心，利用單片機(jī)的RS232接口與微機(jī)測(cè)量、微機(jī)控制和微機(jī)保護(hù)進(jìn)行通信，在51單片機(jī)上擴(kuò)展一個(gè)CAN總線接口，所需的+5V電源也從測(cè)量、控制和保護(hù)裝置中獲得(51的RS232接口芯片采用單一+5V電源的那種)。此外，主控臺(tái)以工業(yè)控制機(jī)為核心，同時(shí)擔(dān)負(fù)變電所內(nèi)部通信管理任務(wù)和與遠(yuǎn)方調(diào)度中心的通信任務(wù)，在工業(yè)控制機(jī)中直接選用一塊CAN總線插卡就可以了。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)發(fā)周期短，無(wú)需對(duì)原有測(cè)量、控制和保護(hù)裝置進(jìn)行大的改動(dòng)。值得注意的是，CAN總線對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)是有限制的。另外，在選擇通信速率時(shí)，也要考慮通信距離的限制，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)系統(tǒng)通信流量的評(píng)估和變電所實(shí)際情況，選擇通信速率為50kb/s，對(duì)應(yīng)的通信距離限制為1.3km。

4.CAN總線應(yīng)用中編程注意事項(xiàng)

CAN總線協(xié)議根據(jù)接口芯片不同可以有版本2.0A和2.0B兩種，兩者差別不大，對(duì)于應(yīng)用者來(lái)說(shuō)，更重要的是如何收發(fā)信息。

在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)中，有些信息的字節(jié)數(shù)可以比較短(如開(kāi)關(guān)變位信號(hào)的傳送)，在8B內(nèi)，這種報(bào)文可以一次發(fā)送完畢。而有些信息的字節(jié)數(shù)較長(zhǎng)(如測(cè)量數(shù)據(jù))，無(wú)法把一幀報(bào)文一次發(fā)送完畢，因此，在發(fā)送軟件模塊中需要進(jìn)行把報(bào)文分成幾段，每次發(fā)送一段。同樣地，在接收時(shí)，需要進(jìn)行判別，如果是在8B長(zhǎng)度內(nèi)的報(bào)文，則無(wú)需另外處理，如果報(bào)文內(nèi)容的字節(jié)數(shù)超過(guò)8B，就對(duì)所接收的信息進(jìn)行報(bào)文恢復(fù)處理。為了對(duì)報(bào)文進(jìn)行恢復(fù)，在進(jìn)行報(bào)文幀打包時(shí)，在報(bào)文中加入報(bào)文長(zhǎng)度內(nèi)容。只有完全接收完畢的報(bào)文才送入報(bào)文解析處理環(huán)節(jié)中。

在應(yīng)用中應(yīng)該注意的另外一個(gè)問(wèn)題是，CAN總線控制器在實(shí)際運(yùn)行中，存在著進(jìn)入總線脫離狀態(tài)的可能，在應(yīng)用軟件中應(yīng)加入訪問(wèn)總線狀態(tài)的模塊，如果發(fā)現(xiàn)控制器處于總線脫離狀態(tài)，要及時(shí)對(duì)總線控制器進(jìn)行復(fù)歸操作。

5.結(jié)語(yǔ)

本文所提以CAN總線網(wǎng)絡(luò)為核心的變電所自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)調(diào)試后投入實(shí)際運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)通信速率采用50kb/s，運(yùn)行情況良好，控制響應(yīng)快、狀態(tài)變位上傳迅速，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。