CAN总线及其在水电站自动化的应用

1. 引言：

　　水电站综合自动化系统（包括电站机组、变压器、厂变、公共设备等的保护、检测、控制等）是电站安全、优质、高效运行的重要保证。随着计算机及电子技术的迅猛发展和日益成熟，性能先进，运行可靠稳定的电站微机综合自动化系统得到广泛的应用。逐步替代了传统的继电保护与自动化设备。微机保护与常规继电保护的根本区别在于其实现了数字化，即通过对主设备运行状态参量的实时、快速数字处理，完成故障诊断、保护动作。根据国家有关大力发展中小型水电站建设，西电东送的发展战略，本文吸取当今先进的电站设计思想，在分析相关技术文献、资料的基础上提出了一种利用当今先进的现场总线技术，计算机网络技术和可编程计算机控制器PCC技术的水电站自动化监控系统。确保复杂的机组启停控制，变压器保护等系统得以可靠的实现。同时以模块化的设计保证系统功能的灵活扩充。该系统适合中小型水电站，系统的功能层次更加清晰，安全可靠性更高。文中首先对当今的现场总线技术之一CAN总线进行了概述。其次对利用上述先进技术设计的水电站自动化监控系统的功能特性加以分析和说明。

2. CAN总线及其特性

　　现场总线作为一个发展热点，它的出现将对传统的工业自动化带来革命，从而开始工业控制的新纪元。但众多的现场总线往往使生产者和用户无所适从。是否已纳入IEC标准，系统的开放性，技术能否得到有力的支持，价格是否有竞争力等已成为人们选用何种总线的主要依据。由于CAN总线具有通信速率高，可靠性高，连接方便和性能价格比高等诸多特点，推动其应用开发的迅速发展，其推广应用反过来又促使器件生产商不断推出新的CAN总线产品。使其逐步形成系列。鉴于CAN总线的普及性，选择CAN作为总线控制网。

　　从物理结构上看，CAN属于总线式通讯网络，与BITBUS，RS485相似，又有本质区别。它是一种专门用于工业自动化领域的网络，不同于以太网等管理和信息处理用网络。其物理特性及网络协议特性更强调工业自动化的底层监测及控制。它采用了最新的技术及独特的设计，其可靠性和性能超过了已陈旧的现场通讯技术，如RS485，BITBUS等。CAN具有下列主要特性：

　　. CAN插卡可任意插在PC，XT，AT兼容机上，方便地构成分布式监控系统。

　　. CAN可以多主方式工作，这一方式与大型网络的peer to peer方式相类似，从而与开放结构相吻合。网络上任意一个节点均可在任意时刻主动地向网络其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活。利用这一特点也可以方便地构成（容错）多机备份系统。

　　. CAN无破坏性的基于优先权的仲裁，可满足不同的实时要求，有效避免了总线冲突。

　　. CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播等几种方式传送和接收数据。

　　. CAN直接通信距离最远可达10km/5kbps,通讯速率最高可达1Mbps/40m。

　　. CAN上节点数理论值为2000个，实际上以110个以下为宜。

　　. CAN采用短帧结构，第一帧有效字节为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，重新发送时间短。

　　. CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据的出错率极低。

　　. CAN可以实现非破坏性总线仲裁和错误鉴定。总线冲突和错误鉴定均由CAN控制器自分解块，而且这一过程对用户完全透明并能区分暂时性和永久性故障，自动关闭故障点 这一点在多传输情况下，通过数据融合技术可以弥补由于传输或设备故障造成的信息缺损。

　　.通讯介质采用双绞线，无特殊要求。

3. 系统设计方案比较

　　水电站自动化监控系统是提高电站综合自动化水平的重要因素，是根据无值班、少人值守的原则设计的。系统综合运用先进的计算机技术、通信技术、现场总线技术、PLC技术、及软件工程设计方法，使系统配置灵活，简单，用户操作方便。与传统的水电站自动化监控系统相比，我们改传统方法中将现场综合电量装置、保护装置及温度巡检装置通过RS485总线接到工控机上为将这些装置与PCC相连，通过PCC联到上位监控系统，使得整个现地单元自成一个独立的系统层次。增加了系统的稳定性和可靠性。避免了系统数据的丢失，同时简化了系统的结构，节约了系统硬件成本，更加利于资金不足的地区自建小型水电站。下面我们给出两种结构的框图。

4.电站自动化监控系统的实现

　　4.1系统构成

　　硬件系统采用快速交换式以太网组成局域网，系统的实时监控功能分布于纵向的三个层次上，现地层实现数据的采集及控制功能，监控层则通过网络实现全站的监视和控制功能，系统的这种分层、分布式硬件体系保证了其系统性能的稳定可靠。

　　4.1.1全站监控层构成

全站监控层为电站实时监控中心。其负责整个电站的集中监控功