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CAN总线在自动化系统中的应用 |
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| CAN总线在自动化系统中的应用 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:20:53  |
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摘要：CAN总线是最初为汽车和工业自动控制领域而开发的一种控制局域网，由于其具有通信速率高、时实性好、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的迅速发展，尤其在电力系统变电站综合自动化方面得到广泛运用。随着变电站内自动化水平的不断提高，对信息传输的要求也越来越高，常规的RS232、RS485等主从式总线已经不能满足要求，而选择好的现场总线作为站内通信网就显得非常重要，该文结合变电站综合自动化系统的实际运行情况，介绍CAN现场控制总线的特点及其应用。
在计算机数据传输领域，长期以来使用RS232和CCITT V2.4通信标准，这些都是低数据速率和点对点的数据传输标准，在复杂或大规模场合（工业控制自动化或生产自动化领域）中需要使用大量的传感器、控制器、智能设备单元等，它们分布在较广泛的范围内，如采用传统的星型拓扑结构，则安装成本和介质造价非常高，如采用LAN网总线型结构，电缆可减少，但LAN介质和所需软件及硬件又使整体造价与传统的星型拓扑结构相差无几。所以必须开发出造价低、编程方便的通信控制器，同时又能适合现场环境下使用，CAN现场控制总线就是在这种背景下产生的。
随着变电站自动化水平的提高，变电站内微机保护设备都采用保护和测量、控制一体化设计思想，通过现场总线互连，完成信息上送；同时站内微机保护设备也采用分布式安装，就地安装于开关柜上，通过现场总线互连，这样省去了大量二次电缆，减少了施工、安装、维护的工作量，降低了整体造价。
下面结合DISA变电站综合自动化系统对CAN总线特点和使用中的问题作介绍。
1 CAN现场总线的特点
控制器局域网(CAN：Control Area Network)属于现场总线，它是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，完全能满足电力系统实时和可靠性要求。
CAN总线设计成为开放式系统，遵从OSI七层基准参考模型中物理层、数据链路层和应用层标准，具有以下特点：
·多主站可以根据优先权进行总线访问；
·无破坏性的基于优先权的仲裁；
·有接收滤波的多地址帧传送；
·配置灵活；
·强有力的错误处理能力；
·发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏可自动收发；
·暂时错误和永久故障节点的判别以及故障节点的自动脱离；
·对于高优先权报文确保等待时间；
·传输速率可编程；
·工作温度为-40～+85 ℃。
CAN现场总线提供高性能的串行网络通信所必须的所有硬件，它通过应用CAN协议局域网控制通信流，满足自动化要求：
·短报文长度，时实性好；
·确保紧急报文的等待时间；
·总线访问优先权取决于报文标志符，确保信息的优先权；
·强有力的错误处理能力，增强了信息传输的可靠性；
·配置灵活以允许局域进行扩展；
·编程和设计简单，便于推广；
·物理介质简单，屏蔽双绞线即可；
·性能价格比高，目前运用最广泛，便于互联。
CAN系统内两个任意节点之间的最大传输距离和其位速率有关，如表1所示。
在组成站内自动化系统时要参考表1，考虑各节点之间的距离和所设定的通信速率之间的关系。
CAN数据帧由七个不同位场构成，它们是：帧起始(SOF-Start Of Frame)、仲裁场、控制场（两位保留+DLC场）、数据场、CRC场、ACK场和帧结束场(EOF-End Of Frame)。
DISA变电站综合自动化系统选用SJA-1000作为CAN控制器。
2 CAN控制器接口
82C250是CAN总线控制器和物理总线的接口，它提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。
82C250主要特性：
·高速，最高达1 Mbit/s；
·具有抗瞬间干扰能力和保护总线能力；
·低功耗，热防护能力；
·某个节点掉电不会影响系统总线；
·可有110个节点连接。
以微处理器CPU为核心，用SJA-1000为CAN总线控制器，用82C250为CAN总线控制器接口，构成单片机系统。如图1所示。
图2是CAN控制器SJA-1000和CAN控制器接口82C250典型电路图，应考虑现场环境干扰，图中6N137用于光电隔离，在总线的首末端都要并联12 W电阻，防止传输信号的反馈。
3 在自动化系统中的应用
DISA变电站综合自动化系统主要适用110 kV变电站、35 kV变电站及工矿企业10 kV配电所和厂用电系统。它完全取代常规变电站中的二次设备，集测量、控制、信号、远动及运行管理等功能于一体，是一种真正的分布分散式系统。采用CAN作为现场控制总线，同时配有远程通讯接口，可实现遥测、遥信、遥脉、遥调、遥控等功能，可实现全新的由计算机运行管理的无人值守的变电站。
该系统是在吸取国内外同行多年来在变电站自动化系统方面的诸多成功经验的基础上，借助于计算机应用技术的发展，加之对变电站自动化系统如何很好进行数据通信和信息传输以及工程化的思想，广泛听取了广大用户的建议而开发研制出来的全新分散分布式系统。
DISA变电站综合自动化系统具有技术先进，功能配置合理，数据通信好，信息传输可靠性高，系统工程化设计简洁，各系统均具有分散下放于就地开关柜的条件，简化了二次设计，降低了工程造价。另外，DISA系列产品运行维护较常规保护更加方便，保护可靠性更高，调试安装更容易，从而可以节省每年检修所需的大量人力物力。DISA变电站综合自动化系统具有优异的性能价格比，能充分满足电力系统用户的需要，是常规变电站改造及新建35 kV、110 kV、220 kV变电站自动化系统的理想产品，在国内具有领先水平。
DISA系统设计遵循集中管理、分布控制相对独立的思想，采用模块化单元式设计，以CAN-BUS现场总线为主线，开发了基于相同的硬件平台和软件平台的系列产品。
系统通过总控装置连接着不同的智能设备（如直流柜、智能电能表等）和主控端，协调这些设备的数据、命令交换，收集来自现场的不同类型的实时数据，以不同的规约通过不同的通讯媒介向控制站转发，同时也接收来自控制站的命令，转送至相应的智能设备。所有这些信息转换成CAN总线协议，从而将整个变电站信息统一到CAN-BUS上。
系统站内采用总线型结构，可扩充110个CAN节点，其网络配置示意图如图3所示。其中保护或测控装置，可以集中组屏也可以就地安装于开关柜。
该系统已经成功在现场运行几百套，得到了用户的好评。
4 结束语
在变电站综合自动化系统中采用CAN作为现场串行控制总线，实际应用中完全能满足综合自动化所要求的信息传输量大、信息传输时实性好以及高可靠性，同时也使得设备安装和调试及编程带来很大方便，并且又减少了工程造价。这些都和CAN总线的特点分不开的，也正因为此CAN总线在电力系统自动控制领域得到了广泛运用。
参考文献：
[1] 徐立子. 变电站自动化系统的分析和实施[J]. 电网技术,2000,24(5):25-29.
[2] 邬宽明. CAN总线原理和应用系统设计[M]. 北京:航空航天大学出版社,1996.
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