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The Development Of FCS Application In Power Supply Supervision System
摘要： 现场总线技术已成为国际工业控制领域一个重要的研究方向，与集散控制系统相比，具有可靠、高效、低成本等诸多优势。目前，国内部分监控厂商将现场总线技术应用于通信电源、空调及环境的集中监控管理系统，为电源监控系统的发展展现了一个全新的方向。
作为一项全新的应用技术，本文首先介绍了现场总线的发展及其特点，然后以 LonWorks 为例，详尽说明了 LonWorks 的技术特点，最后阐述了 LonWorks 在电源监控系统中的应用。
Abstract: Fieldbus have been an important question for study in the field of international industry control-system. Compare witch DCS, FCS is more reliable , high efficiency and low cost, etc. At present , FCS is applied in the centralized supervision & management for telecom power supply , air condition , environment by some company. A new aspect is displayed for the development of power supply supervision system.
As a new application, the development & characteristic of FCS is introdouced in this paper . Then the technology of LonWorks is discriped in details . At last the application of FCS in the power supply supervision system is expounded.
Keyword: Power supply supervision system Fieldbus control system
Distributed control system Local Operating Network
通信电源、空调及环境集中监控管理系统（以下简称电源监控系统）自八十年代末进行实验以来，已经在全国电信系统内得到了广泛的推广与应用。在电源监控系统的发展过程中，大量借鉴了工业控制领域的技术与成果，对于提高电源监控系统的可靠性、实用性起到了极大的促进作用。随着工业控制理论的完善与技术的发展，新的技术与器件不断出现并应用于工业生产实践中。
目前，现场总线控制系统（ FCS ）成为工业控制领域中的一个热点，世界上几乎所有的仪器、仪表制造商都卷入了这一场竞争，纷纷推出自己的现场总线控制系统。在国内，现场总线技术正处于普及与应用的阶段，部分监控厂商在电源监控系统实施过程中，将现场总线技术应用其中，如 LonWorks 、 CAN Bus 等。鉴于现场总线在通信电源监控系统的应用是一项全新的技术，本文将详细介绍现场总线发展及其在通信电源监控系统的应用。
一．现场总线技术的发展
70 年代后期，日新月异的计算机技术融入到了工业自动化领域，出现了集散控制系统（ Distributed Control System ，简称为 DCS ），把分散的、单回路的测控系统采用计算机进行统一管理，用各种 I/O 模板代替控制室的仪表，利用计算机的强大功能，对被控系统集中进行实时监测、控制、参数调节、告警显示及存贮历史数据等操作。 DCS 极大地推动了工控技术的发展。但是，在通信方式上，处于现场的控制级和检测级仍采用 4~20mA 模拟量通信。而在 DCS 中，现场采集设备所占的比例最大，数量也最多，这就使得一对一的布线方式相当繁杂、安装费用增加、维护量加大。
进入 90 年代以后，随着网络与通信技术的发展，现场总线（ FieldBus ）技术逐渐成熟与发展起来，它是现代计算机、通信和控制技术的集成，即通常人们所称的 3C （ Computer ， Communication ， Control ）技术。
现场总线是一种工业总线，它是自动化领域中计算机通信体系最低层的低成本网络。国际电工委员会（ IEC ）和现场总线基金会（ FF ）对现场总线作了如下定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输多分支结构的通信网络。现场总线技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的 4~20mA 的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接，支持底层的现场智能设备与高层的系统通过公用传输介质交换信息。现场总线的核心是它的通信协议，这些协议必须根据国际标准化组织 ISO 的计算机网络开放系统互连的 OSI 参考模型来制定。
在现场总线技术早期的发展过程中，不同的国家和公司制定了各自的现场总线标准，如法国的 WORLDFIP 、德国的 PROFIBUS 、丹麦的 P-NET ，以及欧洲现场总线标准 EN 50170 。后来，由于美国 Rosemount 、 Honywell 、 Foxboro 等著名大公司的参与，使得美国在现场总线技术上独领风骚，于 1994 年成立了 FF （ Fieldbus Foundation ）现场总线基金会。目前， FF 有 100 多个成员单位，包括了全世界主要的过程控制产品及系统的生产公司，在 IEC 现场总线标准的制定过程中起着举足轻重的作用。
目前，国内已有众多公司将现场总线技术应用于工厂自动化、工业过程控制、铁路运输及楼宇自动化等领域。
二．现场总线控制系统的特点
现场总线控制系统（ FCS ）与传统的集散控制系统（ DCS ）相比，有以下特点：
1）传统的 DCS 系统现场仪表到控制站之间采用 4~20mA 模拟信号传输， FCS 则采用数字化的信号传输。现场总线控制系统在通信质量和连线方式上都有其优越之处，在现场底层传感器、执行器、控制器及上层工作站之间的传输全部为数字信号。在网络传输中采用了防止碰撞、检查纠错等技术措施，实现了高速、双向、多站点之间的可靠通信。
2）传统的 DCS 采用“操作站 — 控制站 — 现场仪表”三层主从结构方式，而现场总线则把输入 / 输出单元，控制站的功能分散到现场智能仪表中。每个智能仪表都有自己的 CPU 单元，进行测量、调节、诊断、输出等功能的操作。每个智能仪表成为总线中的一个节点，节点间通过现场总线连接，任何一个节点的故障都不会影响到其它节点。
3）不同厂家的 DCS 产品往往无法兼容， FCS 则特别强调“互联”和“互操作性”。即
不同厂家的现场总线产品可以互联组成统一的系统，统一组态，从而方便了用户。
4）FCS 技术从总线标准、产品检验到信息发布都是公开的，面向所有的产品制造商和
用户，通信网络可以和其他系统网络相连，用户可共享网络资源。
5）FCS 采用数字通信方式，因此可以采用多种传输介质进行传输。根据控制系统中节点的空间分布情况，也可以采用灵活的拓扑结构。这些为自动化系统的施工带来了极大的方便，省时间，省材料。
由此可见，现场总线控制系统与传统的集散控制系统相比，具有鲜明的技术特点与无可比拟的优势。因此，世界各国和许多大的工业控制公司纷纷推出自己的现场总线产品。表 1 所示为几种现场的性能比较。
表 1. 几种现场总线的性能比较
总线名称 特性 | CAN | LonWorks | WorldFIP |
应用目标 | 汽车 | 所有 | 过程控制 |
OSI 层 | 1 ， 2 | 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 | 1 ， 2 ， 7 |
系统控制（基于命令或状态） | 命令 | 两者 | 两者 |
系统类型 | 总线 | 网络 | 总线 |
媒介访问 | CSMA/CR | CSMA/CA | 主从，令牌方式 |
差错控制 | CRC | CRC | CRC |
支持的媒介 | 光纤，双绞线 | 光纤，双绞线，动力线，同轴电缆，红外 | 光纤，双绞线 |
寻址方式（单一，多目，广播） | 广播 | 所有 | 广播 |
最大速率（ Mb/s ） | 1 | 1 ． 25 | 2 ． 5 |
网络管理 | 无 | 有 | 有 |
网络互连（中继器，网桥，路由器） | 无 | 所有 | 网桥 |
在众多的现场总线中， Echelon 公司的 LonWorks 是发展较快、最具有竞争力的现场总线系统之一，在我国的电源监控系统中也有部分厂商采用了 LonWorks 技术。事实上，国内有些监控厂商本身也是 LonWorks 的 OEM 厂商。本文将以 LonWorks 为例，说明现场总线在电源监控系统的应用。
三． LonWorks 技术概述及在电源监控系统的应用
图 1 LonWorks智能模块接线图
LonWorks技术是美国Echelon公司90年12月推出的一种现场总线技术，Lon（Local Operating Network）的意思为局部操作网络，具有现场总线技术的一切特点。目前，世界上许多著名的自动化厂商如Honeywell、Johnsen Controls、ABB、Philips、Hp等都采用了LonWorks技术。迄今为止，使用LonWorks技术的生产厂商已有3000多家，并安装了500多万个节点。在中国，Echelon北京代表处于1995年成立，目前有六十多家中国厂商加入了LonWorks控制网络的OEM行列，LonWorks控制网络技术已大量应用于各主要工业领域，如工业厂房自动化、楼宇及家庭自动化、农业、医疗和运输业等。
LonWorks网络系统由智能节点组成，每个智能节点可具有多种功能的I/O功能。如图1所示为一可编程的智能模块，具有4路模拟差分输入或8路单端输入，并可通过跳线设置为电压输入或电流输入。用户可以对模块进行再编程，实现用户自定义的算法和功能。如上图所示的智能模块在实际使用中构成LonWorks网络的一个智能节点。各个节点之间可通过不同的传输介质进行数据传输，并遵循ISO/OSI的7层模型，LonWorks技术包括监控网络的设计、安装、开发和调试的一整套方法，要使用多种专用的硬件设备和软件程序，主要包括以下几个方面：
1）LonWorks 技术的基本元件为神经元专用芯片（ Neuron Chip ），是 LonWorks 技术的核心器件，由 Echelon 公司研制的集通信、控制、调度和 I/O 支持为一体的高级 VLSI 器件，只授权 MOTOROLA 和 TOSHIBA 公司生产。在片内存贮单元固化了７层通信协议中的６层内容，只有第７层需用户编写。
2）LonWorks 技术的核心为 LonTalk 通信协议，协议遵循由国际标准化组织（ISO）定义的开放系统互连（OSI）模型，提供了７层协议所有内容的服务。在通信方式上采用一种改进的 CSMA （载波监听多路访问），称为带预测的 P-Persistent CSMA 算法。
3）LonTalk 协议支持多种传输介质，如双绞线、电力线、超声波、红外线、光纤等。
每一种介质称为一种信道，每一种信道有专用的收发器作为智能节点与通信介质的接口器件。不同的传输信道可通过路由器实现互联。在不同的介质中有不同的传输速率，最高达到 1.25Mbps ，传输距离最远为 2.7Km ，每个信道最多可接 3.2 万个节点。
4）在网络结构上， LonTalk 协议支持分散的 Peer to Peer 的通信，节点可以组成总线型、环型、树型等多种网络拓扑结构，并可组成自由拓扑结构。
5）网络通信采用面向对象的设计方法，可使用一种称为 Neuron C 的语言进行编程，
通过网络变量进行节点之间的逻辑安装。
在通信局（站）电源监控系统中，现场监控模块构成 LonWorks 网络的各个节点，为各个监控系统集成商或工控厂商所生产，主要用于采集环境量和非智能设备的监测量。
图 2 电源监控系统LonWorks网络结构图
如果通信电源系统的智能电源设备具有 LonWorks 通信接口，则可以方便的与任何遵循 LonTalk 协议的产品实现互连。如图 2 的接入方式 1 所示， SM1 、 SM2 和 SM3 都具有 LonWorks 通信接口，其中， SM3 为智能电源设备， SM1 和 SM2 为监控厂商安装的采集模块，用于采集非智能设备的监控量及环境量。此时，所有的现场监控模块可组成 LonWorks 网络，通过网络接口卡接入前置机。
目前，通信电源系统的智能电源设备大都只提供 RS232 或 RS485/422 接口，不能直接纳入 LonWorks 网络。如图 2 的接入方式 2 所示，如果智能设备具有 RS232 接口，可以直接将智能设备接入前置机。而对于具有 LonWorks 通信接口的采集模块，既可以直接通过网络接口卡接入前置机，也可以如方式 2 所示，通过接口转换器转换为 RS232 接口，接入现场前置机。
图 3 某卫星通信地球站电源监控系统
上图所示为某卫星通信地球站电源监控系统框图，监测内容包括电力室的低压配电、柴油发电机组、直流配电设备、蓄电池组、机房空调及环境等。监控中心由两台监控主机组成，机房空调和蓄电池监测仪都是通过 RS232 接口直接接入监控中心的监控主机。对于其它非智能设备与环境量，使用了具有 LonWorks 通信接口的采集模块，组成 LonWorks 网络，实现对现场模拟量、开关量的采集及控制量的输出。对于智能油机，则通过 LonTalk 协议转换器就近接入 LonWorks 网络，在监控中心转换为 RS232 接口后接入监控主机。
四．结束语
现场总线技术已在世界范围内得到了广泛的应用，同时，我们也应该看到，在现场总线技术的发展过程中，各个国家与公司为开发应用和迅速占领市场的需要，均制定了各自的国家标准或协会标准。由于巨大的商业利益影响， IEC 现场总线标准的制定工作进展缓慢。但是，现场总线标准的统一是大势所趋，只有标准的尽快统一，才能使现场总线技术得到更快速的发展与提高。
作为一种低成本的网络技术，现场总线技术为电源监控系统的发展展现了一个全新的面貌。在电源监控系统中，我们仅利用了其 I/O 功能及传输中的优势，如何更有效的发挥现场总线的技术特点，有待于我们进一步研究和探索。