嵌入式系统/ARM技术中的现场总线技术在电力自动化中的应用
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2020-12-06
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嵌入式系统嵌入式系统/ARM技术中的现场总线技术在电力自动化中的应技术中的现场总线技术在电力自动化中的应
用用
1、概述 现场总线（Fieldbus）是当前自动化领域的热门话题，被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技
术的飞速发展，引起了自动化系统结构的变革，随着工业电网的日益复杂，人们对电网的安全要求也越来越
高，现场总线控制技术作为一门新兴的控制技术必将取代过去的控制方式而应用在电力自动化中。 2、现场
总线 现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双
向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。 现场总线系统FCS
称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动模拟信
1、概述
现场总线（Fieldbus）是当前自动化领域的热门话题，被誉为自动化领域的计算机局域网。信息技术的飞速发展，引起了
自动化系统结构的变革，随着工业电网的日益复杂，人们对电网的安全要求也越来越高，现场总线控制技术作为一门新兴的控
制技术必将取代过去的控制方式而应用在电力自动化中。
2、现场总线
现场总线是80年代末、90年代初国际上形成的，用于生产现场、在微机化测量控制设备之间的实现双向串行多节点数字
通信的系统，也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。
现场总线系统FCS称为第五代控制系统，人们一般把50年代前的气动信号控制系统PCS称作第一代，把4～20mA等电动
模拟信号控制系统称为第二代，把数字计算机集中式控制系统称为第三代，而把70年代中期以来的集散式分布控制系统DCS
称作第四代。现场总线控制系统FCS作为新一代控制系统，一方面，突破了DSC系统采用通信专用网络的局限，采用了基于
公开化、标准化的解决方案，克服了封闭系统所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中与分散相结合的集散系统结构，变成了
新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场。可以说，开放性、分散性与数字通讯是现场总线系统最显著的特征。
2.1 特点
现场总线技术是计算机，网络通讯、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制和生产管理等现代高科技迅猛发展的综合
产物，因此现场总线的内涵现在已远远不是指这一根通讯线或一种通讯标准。现场总线的控制系统在精度、可靠性、经济性等
许多方面都要比传统的控制系统要优越得多，其主要特点如下。
A 系统的开放性。
传统的控制系统是个自我封闭的系统，一般只能通过工作站的串口或并口对外通讯。在ＦＣＳ中, 工作站同时靠挂于现场
总线和局域网两层网络，通过后者可以与其它计算机系 统或网络进行高速信息交换，以实现资源共享。另外，现场总线的技
术标准是对所有制造商和用户公开的，没有专利许可要求，实行技术共享。它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统相
连。用户可按自己的需要和对象把来自不同供应商的产品组成大小随意的系统。
B 可操作性与互用性
不同厂家生产的DCS产品不能互换，要想更新技术和设备，只能全部更换。FCS可实现互连设备间、系统间的信息传送
与沟通，可实行点对点，一点对多点的数字通信。不同生产厂家的性能类似的设备可进行互换而实现互用。
C 现场设备的智能化与功能自治性
传统的DCS至少要有操作站、控制站和现场设备三层结构，它的信号传递是模拟信号的单向传递，信号在传递过程中产
生的误差较大，另外系统难以迅速判断故障而带故障运行。在FCS中采用双向数字通讯，它将传感测量、补偿计算、工程量处
理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时诊断设备的运行状态。
D 系统结构的高度分散性
由于FCS现场设备本身已可完成自动控制的基本功能，使得现场总线已构成一种新的全分布式控制系统的体系结构。从根
本上改变了原有DCS集中与分散相结合的集散控制系统体系，简化了系统结构，提高了可靠性。
E 对现场环境的适应性
现场总线作为工厂底层网络工作在现场设备前端, 是专为在现场环境工作而设计的，它可支持双绞线、同轴电缆、光缆、
射频、红外线、电力线等，具有较强的抗干扰能力，能采用两线制实现送电与通信，并可满足本质安全防爆要求等。
2.2 LonWorks现场总线简介
LonWorks是一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国Echelon公司推出并由它们与摩托罗拉、东芝公司共同倡导，
于1990年正式公布而形成的。它采用了ISO／OSI模型的全部七层通讯协议，采用了面向对象的设计方法，这是以往的现场总
线所不支持的，具体就是通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，其通讯速率从300bps至1.5Mbps不等，直接通信距
离可达到2700m(78kbps，双绞线)，支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通信介质，并开发相应的本
安防爆产品，被誉为通用控制网络。
LonWorks技术所采用的LonTalk协议被封装在称之为神经元（Neuron）的芯片中并得以实现。集成芯片中有3个8位
CPU；一个用于完成开放互连模型中第1～2层的功能，称为媒体访问控制处理器，实现介质访问的控制与处理；第二个用于
完成第3～6层的功能，称为网络处理器，进行网络变量处理的寻址、处理、背景诊断、函数路径选择、软件计量时、网络管
理，并负责网络通信控制、收发数据包等；第三个是应用处理器，执行操作系统服务与用户代码。芯片中还具有存储信息缓冲
区，以实现CPU之间的信息传递，并作为网络缓冲区和应用缓冲区。
LonWorks公司的技术策略是鼓励各OEM开发商运用LonWorks技术和神经元芯片，开发自己的应用产品，据称目前已有
2600多家公司在不同程度上卷入了LonWorks技术：1000多家公司已经推出了LonWorks产品。它被广泛应用在楼宇自动化、
家庭自动化、保安系统、办公设备、运输设备、工业过程控制等行业。为了支持LonWorks与其它协议和网络之间的互连与互
操作，该公司正在开发各种网关，以便将LonWorks与以太网、FF、Profibus等互连为系统。
另外，在开发智能通信接口、智能传感器方面，LonWorks神经元芯片也具有独特的优势。
LonWorks技术已经被美国暖通工程师协会ASHRE定为建筑自动化协议BACnet的一个标准。美国消费电子制造商协会也
已通过决议，以LonWorks技术为基础制定了EIA-709标准。
这样，LonWorks已经建立了一套从协议开发、芯片设计、芯片制造、控制模块开发制造、OEM控制产品、最终控制产
品、分销、系统集成等一系列完整的开发、制造、推广、应用体系结构，吸引了数万家企业参与到这项工作中来，这对于一种
技术的推广、应用有很大的促进作用。
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