二、 现场总线1．现场总线现场总线是一种通信方式灵活，以传输速率高、误码率低和抗干扰性强著称的工业控制网络。它主要解决现地智能仪器仪表与现地控制单元之间的数字通信、现场控制设备与上级计算机监控系统之间的通讯问题。现场总线继承了总线的特点，同时又具有微处理技术和软件技术的许多特点，具体体现如下：（1) 协议开放性。现场总线通信协议按照标准的ISO参考模型设计，能够实现不同厂商生产的设备互联，由统一的协议进行自由通信。（2)多型式网络拓扑。可实现总线型、环型、树型和星型等网络结构。（3)通信方式。现场总线为数字化双向通讯，传输距离远、信号精度高、抗干扰能力强，并能适用多种通讯介质。（4)智能化功能。现场总线不仅可以完成循环冗余校验CRC、介质访问、帧结构等，还可以进行适量的数据采集、计算及控制功能。2．CAN现场总线简介CANBUS是由德国BOSCH公司为工业生产总线的自动监控而开发的，是一种在自动化领域广泛使用的多线路协议和有效的支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN总线采用了一对平衡差分信号线进行通信，电路结构在平衡连接电缆两端串有终端电阻。CAN总线物理层采用双线差动形式，仅仅包括数据链路层和物理层。其中，数据链路层包括LLC（Logic LinkControl）子层和MAC（Media AccessControl）子层，它们是两个同等协议实体通过交换帧来相互通信。这两层的数据传输是依靠OSI模型中的服务进行的。物理层包括物理信令PLS（PhysicalSignaling）和媒体访问单元MAU（Medium AccessUnit）。PLS主要实现与位定时和同步相关的功能，MAU主要表示用于耦合节点至发送媒体的物理层的功能部分。MAU由物理媒体附属装置PMA（PhysicalMedium Attachment）和媒体相关接口 MDI（Medium DependentInterface）构成。CAN物理层结构图如下：
图1 CAN总线的物理层结构
三、 现场总线在泵站集控系统中的应用1．工程简介葛洲坝廊道泵站遍布整个葛洲坝，从大江右导墙到三江二号船闸，全长约3km，纵深分布在约50m高程的范围内。如果现地排水设施故障，不能及时发现并及时处理，可能引起水淹廊道等重大事故。如何提高运行设备与控制设备的可靠性、**性以及如何将分散分布的泵站运行设备进行有效的监控和管理，是分布式泵站控制所要解决的主要问题。葛洲坝分布式泵站集控系统的实际通信电缆总长近7km，采用了新一代贝加莱可编程计算机控制器PCC。在方案设计中，主控制器采用PCC2005，现地控制单元采用PCC2003。由于PCC的中央处理器上都集成有CAN接口，这就为CANBUS提供了很好的物理条件。上位机采用双机冗余，通过标准OPC实现与下位机进行数据交换。该系统解决了廊道泵站集控难的实际问题，并进行大坝渗水量统计分析，为管理者提供了分析决策参考数据。2． 系统结构特点葛洲坝分布式泵站集控系统总体上采用了两层网络、两段现场总线的分布式集控解决方案。其网络网络结构示意图如图2：图2 葛洲坝分布式泵站集控系统的网络结构示意图由图可以看出，系统的结构特点如下：（1)系统由两层构成，一层为集控层，一层为现地控制层。集控层由10M标准以太网和主控制器MCU组成，负责管理所有现地控制单元信息的收集，同时负责与上位机的数据交流任务。MCU在系统中也充当了网关机，实现规约转换的作用。现地控制层由两段网络和14个现地控制单元组成。总线的一段为大江CAN网络，一段为三江CAN网络。两段CAN总线负责采集现场泵站设备的所有数据，同时将现地单元预处理的实时数据送到MCU。（2)系统设置主控制器MCU。MCU上集成有以太网接口和CAN总线接口，指令处理周期为0.2μs，以满足数据处理的速度。MCU实现的通信规约转换，将系统中的总线结构转换为以太网结构。由于应用了网络分段方法，MCU又承担管理两段CAN现场总线的任务。（3)系统由两段CAN网络组成，两段CAN总线统一由主控制器MCU管理。采用这种网络结构不仅延伸了CAN网络分布的距离，而且扩展了节点的容量。理论上一条CAN网络上可扩展64个从站，如果应用双CAN网则可扩展128个CAN从站，这远远超过现场的要求。（4)MCU采用两路电源和UPS冗余供电方案，以保证网络核心正常工作。 3．通信规约配置葛洲坝分布式泵站集控系统的现场总线网络部分采用NET2000通信协议，使CPU或多处理器的接口信道上有*大可能的数据吞吐量。该协议由“NET2000”的结构成员进行配置。NET2000具有如下特点：（1)具有交叉连接通信的主从协议（2) 异步面向帧的协议（3)帧的*大长度为512byte网络配置仅需一次，所以应把其放在INIT-SP中，分布式泵站集控系统标准参数配置：主控通信配置：a.CAN1：Net2000[0>.device = “SS2.IF2” ;the subslot2 inMCUNet2000[0>.station = 1 ; station IDNet2000[0>.master = 1;master is 1; slave is 0Net2000[0>.baud = 50000 ; CAN standardbaudNet2000[0>.task.class = 1 ;the task process class is3Net2000[0>.can.basis = 1000 ;CAN basis beginning from 1000b.CAN2：Net2000[1>.device = “SS2.IF3” ;the subslot2 inMCUNet2000[1>.station = 2 ; station IDNet2000[1>.master = 1 ;master is 1; slave is 0Net2000[1>.baud = 50000 ; CAN standardbaudNet2000[1>.task.class = 1 ;the task process class is3Net2000[1>.can.basis = 1000 ;CAN basis beginning from 1000泵站通信配置：Net2000.device = “CAN” ; CAN in PCUNet2000.station = 3 ;station ID（3-9）Net2000.master = 0 ; master is 1; slave is0Net2000[1>.baud = 50000 ; CAN standardbaudNet2000[1>.task.class = 1 ;the task process class is3Net2000[1>.can.basis = 1000 ;CAN basis beginning from 1000 4．CAN通信机理通过CAN进行联网数据通信时，除了对CAN接口进行初始化来申请传输数据所需的资源外，还需要对数据进行指令操作，如Net2Read（），Net2Writ（）。CAN总线上数据发送过程如下：图3 CAN总线上数据发送过程处理传送队列，使用传送中断即（FIFO），造成传送队列满。如果节点不在总线上或网络上没有激活的节点，则采用定时对站点进行诊断或监听。5．现场总线应用中的关键设计（1）主控制器思想系统配置主控制器(MCU)，更有效的管理分布式数据库及相应的规约转换，保证网络数据准确可靠的实时传输，同时实现了由一个主控制器分段管理两段现场总线网络和两段现场总线网络之间的数据共享。（2）总线分段方法双CAN现场总线技术主要为了提高系统实时性和**性，有效的延伸CAN传送距离的一种共享网络数据库策略。即使没有信号中继和采用双绞通信介质，其传输距离也可达4000m左右（波特率50kbps）（3）通信协议结构化技术由于本系统引用NET2000通讯协议，也就是说PCC制造商有效的对底层通信格式进行打包，设计人员只须简单的引用结构NET2000中的成员即可配置好完整的通信协议，而不必再因为底层通信数据的帧驱动而大伤脑筋。NET2000不仅可以简单的进行CAN驱动，而且可以对PROFIBUS、MODBUS等进行驱动。（4）总线路由技术传统的控制器对每站进行调试或更新软件时，往往需要到现地与每站设备直接通信。但是对于如分布式廊道泵站这样的工程时，其调试的强度相当大。在本工程中采用总线路由技术，调试时可以通过主控制器MCU路由对下面的每站进行调试或更新软件。调试工作者只需设置对应的路由路径，就可对现地每站做相应的监视、控制和仿真。
四、 结束语葛洲坝分布式泵站集控系统是PCC在国内工程中现场总线*长的网络。由于采用了分层分段的现场总线、主控集中管理和总线路由的**思想，并很好的解决了葛洲坝的实际问题，于今年六月通过了省级科研成果鉴定。葛洲坝分布式泵站集控系统极大的减轻了运行维护人员的劳动强度，并实现了“减员增效”的目标，同时为大坝建筑设备的“无人值班”（少人值守）奠定基础。分布式泵站集控系统除了在泵站群控制系统中的应用之外，其现场总线思想可以在水电站自动化的其它方面得到较充分的利用。下面就水电站设备的现场总线应用作简要分析：（1）现场总线在闸门集控中的应用。大坝泄水闸门的特点一般是数量多，距离长。如果采用现场总线控制系统将会简化通信电缆，实现分布智能化控制。在闸门控制系统中*重要的自动化仪表是开度编码器、开度指示仪和闸门过载保护。该类仪表已数字化，能适应现场总线的要求，可实现智能化控制系统和总线控制系统。如德国P+F公司生产的CVM10多圈串行**编码器应具备CAN总线接口，可直接将其挂在CAN总线上。（2）现场总线在辅机中的应用在水电站油、水、气的各类辅助设备中，部分仪表已经智能化，可以适应现场总线要求。虽然多数仪表及自动化元件还需要改进，但目前大多数辅机自动化仪表及元件都是由CPU为核心构成，易实现智能化和数字化通信。因此，在辅机中实施现场总线监控系统工程可行的途径。（3）现场总线在变电所中的应用变电站综合自动化系统有多种模式，在实用中的成功案例不少。变电站的主要特点是电磁干扰强。传统的串行网络可靠性低、误码率高、实时性差，而采用现场总线控制系统，能够克服这些缺点。再加上电量仪表基本智能化，适应于数字化通信和现场总线要求。可以说变电站是*具备条件应用现场总线技术的。现场总线在水电站的应用有着广阔的前景，由此可以想象，水电站自动化控制系统必将进入一个新的开放式分布式的智能化控制阶段。