本文作者张卫东先生，天津电气传动设计研究所副主任、高级工程师。 关键词： 现场总线　自动化　低压配电　分布式现场总线 引言 低压成套开关设备在低压供配电系统中起着电能的控制、保护、测量、转换和分配的作用。低压配电类产品作为电力使用终端的载体，深入到生产、生活的各个方面，随着我国电力事业的不断发展，以及大规模的基础建设、技术改造和新兴产业的发展，我国的低压配电技术与产品同样得到了飞速发展。“九五”期间，我国电力发展快速，电力供需已达到总量平衡。到去年年底，全国发电装机容量已达到3.19亿千瓦，发电量13685亿千瓦时，均居世界第二位，成为电力生产和消费大国。几十年来特别是近10年来，低压成套开关设备产品的产量和产值也因此提高很快。众所周知，我国电力工业已开始从大电网、大机组、超高压、高自动化阶段，进入了优化资源配置、实施全国联网的新阶段，因此对低压配电的技术发展也提出了新的要求和思路。 一 低压电控配电产业现状 电力系统的发展对输配电的可靠性提出了更高的要求，如对配电线路的故障进行快速诊断、自动隔离，以减少故障停电范围，提高供电可靠性，由此逐步形成了系统的输配电自动化技术。从初期的柱上开关设备的自动化、远程终端装置(RTU)，到现阶段的计算机配电自动化，将远程控制主机与调度和变电所计算机自动化系统在线连接，实现配电系统以“四遥”为特征的计算机实时监控。 电力系统可靠性要求的发展对低压配电可靠性也提出了更高的要求，同时随着工业中生产手段的复杂化和功能要求的不断提高，特别是现场设备控制方式的复杂化和精确度要求的提高，对配电系统的要求也越来越高，除了传统的容量不断提高外，对可靠性、数据传递量、远程控制、故障检测等也提出了要求，这就是我们所说的智能化开关设备或配电自动化技术。配电自动化技术涉及到从低压电器到成套配电系统的各个方面。 在低压电器方面，由于电子、计算机、通信技术与传统的低压电器相结合，从而形成了：(1)可通信的低压电器。它是低压电器与现场总线的结合，国外如Siemens、ABB、Moeller等公司都有该方面的产品。通信数据包括模拟量检测、事故信息、远程控制和参数设定等。国内在这方面也做了许多工作，并且有了较大的进展，采用的总线有DeviceNet、Profibus-DP、Modbus等，同时在一些工程中初步得到应用。(2)接触器的智能化技术。如Moeller公司的DIL-M系列智能控制型接触器，它采用电子线路来控制电磁系统并具有智能化通断功能；其他如日本富士电机公司、美国Westinghouse公司的智能化接触器，主要针对电磁系统对通断过程进行改进。国内也对接触器的智能化控制进行了研究，但未有成熟产品问世。 低压成套设备的自动化自然离不开低压元器件的发展。从配电系统的角度看，电控配电的自动化集中体现在以下几个方面：(1)系统能够实现远程测量，即可在控制终端查看各回路或各控制单元(子站)的电量参数；(2)远程调节，即可对各子站远距离上传、下载各种保护设定值、特性曲线；(3)远程控制，即可对各子站远程储能(框架断路器)、合闸、分闸、启动、停车(电动机控制回路)等进行操作；(4)还可进行信息查询，即可对系统的各种信息资源进行查询，如故障记录、日记报表，以及电网管理、成本分析、电网质量与负荷分析等。实际上这也可以说是电子、自动化与配电技术相结合的产物，而当今自动化技术已发展成以现场总线为核心的现场总线控制技术，因此说配电自动化技术又都是通过现场总线技术来实现的。 目前，我国自行开发的配电设备品种有十几种，如固定面板式、固定分隔式、抽出式、混装式、智能型等。电流等级大多为3200A，有一些厂家自己开发的品种可达到5000(6300)A，这从产品的设计讲，已达到了国际上20世纪90年代中期的水平；但生产工艺、制造总体水平却还比较落后，只有个别厂家具有较先进的生产设备和良好的管理水平。同时由于厂家多，规模不大，技术人员少，竞争比较激烈，价格就大幅度下降，竞争是基于低水平的价格竞争，生产厂家的利润压得很低，很少通过资金和技术来提高产品水平；虽然有一些厂家也进行了产品开发，并将现场总线技术逐步应用到配电系统之中，形成了自己的市场，但总体技术上仍无法与国际主流产品相提并论；甚至有些生产厂和用户对概念和具体办法还比较混乱，没有形成统一的系统和占领较大份额的市场。我国配电产品的品种及性能方面都还不能满足市场的需求，特别是技术要求比较高的场合已被越来越多的进口产品所占领。 从目前国际上低压配电的发展来看，各主要公司如Siemens、Moeller，Schneider等都已开发或使用了基于各种现场总线技术的配电系统，并已采用技术合作、合资等手段介绍到我国并得到应用。加入WTO后，我国面临的配电市场将是十分激烈的，如何发展我国的低压配电技术，促进技术的发展，是我们必须思考的问题。 二 现场总线技术的由来 根据工厂管理、生产过程及功能要求，CIMS体系结构可分为5层，即工厂级、车间级、单元级、工作站和现场级，一般可简化为3层，即工厂级、车间级和现场级，如图1所示。传统的现场级与车间级自动化监控及信息集成系统(包括基于PC、PLC、DCS产品的分布式控制系统)，其主要特点之一是现场层设备与控制器之间的连接是一对一(一个I/O点对设备的一个测控点)的。所谓I/O连接方式，是指传递4~20mA(模拟量信息)或24V DC(开关量信息)信号。
这些系统的缺点为： (1)信息集成能力不强。控制器获取信息量有限，大量的数据如设备参数、故障诊断及故障记录等很难得到。 (2)系统不开放，可集成性差。现场设备均靠标准的4~20mA/24V DC连接，系统的软、硬件通常只能使用某一家产品，不同厂家的产品之间缺乏互操作性、互换性。 (3)可靠性不易保证。对于大范围的分布式系统，大量的I/O电缆敷设施工，不仅增加成本，也增加了系统的不可靠性。 (4)可维护性不高。由于现场设备信息不全，在线故障诊断、报警、记录功能不强；另一方面也很难完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化功能，影响了系统的可维护性。 由于微电子技术和计算机技术、大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、传动装置等现场设备均可实现智能化，即内置CPU控制器，对于这些智能现场设备增加一个串行数据接口(如RS-232/485)是非常方便的。有了这样的接口，控制器就可以按其规定的协议，通过串行通信方式(而不是I/O点)来完成对现场设备的监控，如果设想全部或大部分现场设备都具有串行通信接口和统一的通信协议，只需一根通信电缆就可将分散的现场设备连接起来，实施监控，这就是现场总线技术的初始想法。 现场总线是安装在制造或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通信的数据总线，是实现现场级设备数字化通信的一种工业现场层网络通信技术。现场总线位于生产控制和网络结构的底层，与工厂现场设备直接连接，一方面将现场测量控制设备互连为通信网络，实现不同网段、不同现场通信设备之间的信息共享；另一方面又将现场运行的各种信息传到远离现场的控制室，以进一步与上层管理控制网络连接和信息共享。它既可将一个现场设备的运行参数、状态以及故障信息等送往控制室，又可将各种控制、维护、组态命令甚至现场设备的工作电源等送往相关的现场设备，从而沟通了生产过程现场级控制设备之间及其与控制管理层之间的联系。 现场总线是工业自动化技术的革命，采用现场总线技术可以迅速、简单、低成本地实现自动化。现场总线技术的发展十分迅速，传统的模拟、数字分散型的DCS已被更可靠、更方便的FCS所代替，并已广泛用于制造业、流程工业、冶金、电力、交通、楼宇等自动化领域。 三 国际上几种主要的现场总线 由于现场总线是目前自动化技术的一个热点，各种现场总线、设备总线与传感器总线风起云涌，在各种特定场合都得到一定的应用，同时也在广泛宣传推广，努力使自己的总线成为国际标准。但由于各种因素，特别是市场的原因，使得现场总线国际标准难以统一。 1. 现场总线 目前国际上有数十种现场总线，它们各具特色，应用的范围、场合也不尽相同。融多种总线于一体的IEC 61158的国际标准，由IEC/TC65技术委员会中的SC65C分技术委员会制定。IEC 61158规定了以下8种类型的总线。 (1)TYPE 1 IEC61158技术规范 该现场总线协议是按照ISO/OSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层以及用户层组成，分为H1低速总线和H2高速总线。H1主要用于现场，其速率为31.25kb/s，负责两线制向现场仪表供电。H2总线主要面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用。 (2)TYPE 2 ControlNet 由Allen-Bralley公司于1997年推向市场，主要应用包括汽车、化工、发电等领域，同时也建立了会员组织CI (ControlNet International)，由CI提供技术支持。该现场总线系统将从工厂到设备的5层结构简化为信息层(Ethernet)、控制层(ControlNet)和现场层(DeviceNet) 3层结构。 (3)TYPE 3 Profibus Profibus是由Siemens等13家科研开发商联合起