1 引言
随着计算机网络技术的飞速发展，集计算机、通信、超大规模集成电路、仪表和测试、过程控制技术于一体的现场总线技术也得到了迅猛的发展。加之现场总线适应了控制系统向分散化、网络化、智能化发展的方向，给自动化系统的最终用户带来更大的实惠和方便。自其出现之日起，就受到广泛关注，迅速成为世界范围内控制技术的热点，并成为多学科交叉领域的一个热门研究课题。
现场总线技术给仪表和自动化领域带来了深刻的影响，特别是用数字信号取代4～20mA的模拟信号和控制功能向现场的下移，使得传统的控制系统结构发生了根本性的变革。现场总线技术也为电力系统领域的分散式、开放式、智能式的自动化系统的设计和实现提供了新的途径和方法，也必将在电力系统的各个方面获得广泛的应用。
2 现场总线的概述
2.1 现场总线的定义
按照国际电工委员会IEC/ SC65C的定义，现场总线是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、双向传输、多分支结构的通讯网络”[1]。或者说，现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用总线连接，实现信息互换，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统，是计算机控制与通讯技术结合的产物，是新一代全数字、全分散和全开放的现场控制系统。它的本质含义表现在以下六个方面：现场通信网络、现场设备互联、互操作性、分散功能块、通信线供电和开放式互联网络。
因此，现场总线是面向工厂底层自动化及信息集成的数字化网络技术。
2.2 现场总线的特点
简单地概括现场总线技术的特点就是信号传输全数字、控制功能全分散、标准统一全开放、互操作性强、费用低等[2]。具体概述为：
(1)数字化的信号传输：使用数字化通信完成对现场设备的联络和控制，在网络通信中采用信息防撞与纠错技术，实现了高速及双向多点之间的可靠通信。
(2)功能转移：廉价的智能化现场设备的普及与基于现场的微处理器及标准数字通讯链路的发展相互促进，促使简单的控制任务迁移到控制现场，能够处理PID算法和控制逻辑的现场微处理器接管了大部分简单的控制任务。
(3)方便的互操作性：现场总线技术强调“互联”和“互操作性”。实现真正的“即接即用”，即所谓互操作性。这样，用户也能自由地集成现场总线控制系统，从而极大的方便了用户。
(4)开放的互联网络：现场总线为开放式互连网络，既可与同层网络互连，也可与不同层网络互连，不同制造商的网络互连十分简便，用户不必在硬件或软件上花多大力气。
(5)多种传输媒介和拓扑结构：现场总线技术由于采用数字通信方式，因此可采用多种传输介质进行通信。根据控制系统中节点的空间分布情况，可采用多种网络拓扑结构。这种多样性给自动化系统的施工带来了极大的方便。
(6)简化结构降低费用：现场总线技术由于采用智能仪表和总线传输方式，可以减少大量的隔离器，端子框及电缆等，从而降低系统复杂程度，节省施工费用。
2.3 现场总线的种类
由于现场总线的国际标准尚未建立，所以各种总线技术风起云涌，各具特色。尽管IEC经过长达15年的努力，推出了由IEC61158TS(H1)、ControlNet、PROFIBUS、P-Net、FF-HSE(H2)、SwiftNet、WorldFIP和Interbus八个部分组成的现场总线标准IEC61158，但离一个标准的目标有很大差距，并没有真正解决统一成单一现场总线的问题。与此同时，出于生产和商业的需要，诸如LonWorks、CAN、HART、Modbus等一些实力雄厚的总线产品也获得了广泛的应用。现主要介绍一下在电力系统中用的较多的几种总线技术。
2.3.1 基金会现场总线(FF)[3]
FF(Foundation FieldBus)是以美国Fisher-Rosemount公司为首的80多家公司制定的ISP协议和以Honeywell公司为首的150多家公司制定的World FIP协议在1994年合并成立的FF基金会。FF以ISO/OSI参考模型为基础，取其物理层、链路层、和应用层为FF通信模型的相应层次，并在此基础上增加了用户层。FF分为低速现场总线H1和高速现场总线H2两种通信速率。H1的传输速率为31.25Kbps，通信距离为1.9km，并且支持总线供电和本质安全性；H2的传输速率可为1M和1.5Mbps两种，通信距离分别为0.5km和0.75km。
FF总线具有一定的权威性、广泛性和公正性，因而在电力实验系统、化工、废水处理、油田等过程自动化领域获得广泛应用。
2.3.2 PROFIBUS总线
PROFIBUS( Process Field Bus)即过程现场总线技术是以德国SIEMENS为主的10多家公司共同推出，1996年3月被批准为欧洲标准，由PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-FMS组成PROFIBUS系列。DP用于设备级控制系统与分散式I/O通信，传输速率为9.6Ｋbps～12Mbps，传输距离12Mbps为0.1km，1.5Mbps为0.4km；PA用于过程自动化，并有本质安全区域，传输速率为31.25Kbps；FMS用于生产车间级的监控网络，执行数据量较大的数据交换。
PROFIBUS总线技术应用于电力、制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通等自动化领域。
2.3.3 LonWorks总线
LonWorks(Local Operating Network)是美国Echelon公司推出的、具有强劲实力的现场总线技术，它采用的LonTalk协议被封装在称为Neuron神经元芯片而得以实现。它采用ISO/OSI模型的全部七层通讯协议及面向对象的设计方法，通过网络变量把网络通信简化为参数设置，其通信速率范围为3Kbps～1.5Mbps，直接通信距离可达2.7km。Lon Works网络包括现场控制节点(这些节点可以是直接采用神经元芯片作为通信的处理器和测控处理器，也可以是基于神经元芯片的Hostbase节点)、通信介质和通信协议。
Lonworks总线应用广泛，主要包括楼宇自动化、数据采集、SCADA系统、变电站自动化系统、家庭自动化、保安系统等领域。
2.3.4 CAN总线[4]
CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络。最初是由德国的BOSCH公司为解决1994年6月控制与测试仪器间的数据交换而开发出的一种串行数据总线。已由ISO/TC22技术委员会批准为国际标准ISO11898和ISO11519。CAN总线的最大特点是废除了传统的站地址编码，采用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不受***。CAN总线仍遵循ISO/OSI的标准参考模型。分为物理层、数据链路层和应用层。通信速率高达1Mbps/40ｍ，直接传输距离最远可达5Kbps/10km，可挂接110个设备。
CAN总线主要应用于电力、汽车制造、公共交通车辆、机器人、液压系统和分散型I/O，另外，在电梯、医疗器械、工具机床和楼宇自动化等场合也有应用。
2.4 现场总线的关键技术[5]
现场总线技术有赖于以下技术的发展：
(1)ASIC(专用集成电路) 仪表专用的大规模集成电路是现场仪表智能化，系统硬件小型化和软件化的基础。
(2)现场设备智能化 智能化的仪表和阀门除其原有功能之外，还以软件的形式实现了控制、运算、通讯等功能。
(3)微型计算机技术
(4)通讯技术 有赖于建立统一的总线和网络的通讯标准。
(5)OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的对象链接嵌入技术) OLE和OPC都是微软公司开发的通用软件，用于实现系统间的数据共享，使得客户应用程序能够用一致的方式从现场设备中读取数据。
3 现场总线在电力系统的具体应用
现场总线技术发展至今，其应用范围已涵盖了工业生产和社会生活的各个领域，显示了强大的生命力。考虑到电力系统环境特殊，需要一种可靠、实时性强、容易操作的测控网，并且应能把上层的管理网和前端的测控网连接起来。再结合现场总线技术的特点和应用场合，主要用于低层设备通信的现场总线在变电站、电厂和配电开关电器中都获得了很好的应用。这对利用现有设备，进一步提高电网经济效益，都有十分重要的意义。
3.1 基于现场总线的变电站自动化系统
变电站自动化系统是90年代发展起来的多专业综合技术，是电网运行管理中的一次变革[6]，是当代电网发展的必然趋势。
随着变电站内继电保护、监测、控制、计量和事故记录等领域使用基于微处理机的智能电子器件(Intelligent Electronic Device，简称IED)越来越广泛，传统的RS485或BITBUS的通信方式已不能满足提高变电站自动化水平的要求。现场总线以其独特的优势在变电站自动化中进行通信联系已是必然趋势。
目前，国内外已有许多厂家开发出基于CAN和LonWorks总线的变电站自动化控制系统，取得了良好的效果。如我国的四方公司在1993年已推出基于LonWorks总线的CSC2000型变电站综合自动化系统，并已在珠海、嘉兴和西安等地的220kV及110kV的变电站投入运行。山东工业大学与美国 Hathaway公司合作设计的 FJKB-900分散式电力监控保护器就是一个以LonWorks技术为基础的集测量、控制、保护系统为一体的装置。它作为配电自动化系统中的柱上 RTU(远程终端单元)和变电站自动化系统中的前沿控制机，已在美国许多地方的电力公司投入运行，我国山东恒台电业局也引入了此装置。瑞典的ABB公司于1994年在其SCS100型变电站控制系统中使用LON总线，更新了原有SPA总线。美国的iIex System Inc公司亦生产采用LonWorks现场总线的变电站自动化系统，其集成节点为串口节点，具有丰富的通信规约，可以与不同厂家、不同网络的智能电子仪表（IED）相连。也有按实际情况采用RS485和现场总线等多种通信方式，即对数据量小、实时性要求不高的现场设备使用RS485，而对实时性要求高的现场设备使用现场总线。例如，南瑞集团开发的 BJ系列变电站综合自动化系统就是采用多种通信方式。
3.2 基于现场总线的智能化配电与控制系统
带有总线接口的开关电器的出现，使得进行智能化配电成为现实。智能化配电与控制系统就是用现场总线把许多带有通信接口的开关电器和控制设备与计算机连接起来，由计算机实现遥控、遥测、通信的新型配电与控制系统。智能化配电与控制系统一般由主控制器（PLC、PC机等）、通信网络、智能化开关电器和控制设备三大部分组成。
现阶段成熟的产品有西屋公司的IMPACC (Integrated Monitoring Protection and Controlled Communication)系统[7]。该系统采用Modbus现场总线技术，可以连接达1000个匹配设备，通信距离可达2300m（双绞线），系统扩容简便“即插即用”。IMPACC系统拥有多种可通信智能化控制器及仪表，这些匹配仪表都内置有INCOM芯片，该芯片能直接与IMPACC系统总线相连完成双向通信功能。IMPACC系统通过现场或远离现场的中央控制室来实现对设备和元件的检测、保护和控制通信。通过现有的各种软件，操作人员可以得到各种监测数据，并根据自己的安全等级对设备进行控制。IMPACC系统主要特点有：完善的监测、控制能力；具有故障预警、关时报警、维护报警及故障诊断信息；先进的电能管理系统等。
另外，ABB公司基于LonWorks总线的INSUM系统也很成熟，使得智能化配电与控制已经在电力系统中发挥很大的作用。
3.3 基于现场总线的供电和电业管理系统的展望
随着市场竞争的加剧，企业为提高经济效益，增强竞争力，需要进行生产经营的整体优化，把生产过程、企业管理、市场营销等各个环节组织为一个系统，从全局角度制定各功能层次的实施策略，实现一体化目标下的综合自动化。
以往主要应用在电厂热控系统及对其他辅助系统和设施的监控中的DCS由于技术上的原因，使得现场设备监控的实时性及现场测控网络的数据传送和管理难以满足复杂的电业管理的需要，从而造成大多数电厂的控制系统和生产管理系统分离的局面。现场控制系统FCS的出现，真正实现了分布式控制，使控制系统的结构发生了根本的变化。由于控制功能的下移，一般的控制功能可在智能变送器和智能执行器间完成。复杂的控制功能和连锁控制功能可通过插卡上的CPU或现场控制站上的CPU完成。一些原由上位机完成的高级应用软件也可由FCS来完成。加上设备级的现场总线测控网络的实时性和可靠性得以满足，这就促进了企业管理功能和过程控制功能的融合，使得一体化目标下的综合自动化成为可能。不久的将来，企业网络可能将逐步过渡到完全的 Internet与现场总线的集成化结构，实现从现场测控到企业内部信息系统的集成化以及与企业外部信息连通的集成化。
4 结语
现场总线采用网络技术、微处理等先进技术实现现场设备的智能化、通讯数据化，开创了自动化系统的新纪元。
本文指出在电力系统的各个方面不仅采用现场总线通讯技术，关键是用新一代的现场总线控制系统代替传统的分散控制系统，实现通讯网络与控制系统的集成，并对现场总线技术在供电和电业管理系统中的应用进行了展望。其最终的形式就是形成一个全数字化、全分散式、全开放、可互操作和开放式的新一代电力自动化系统。
