朱漢德

(深圳市東江水源工程管理處，廣東深圳518036)

永湖泵站串行通信設(shè)備的集中管理設(shè)計

朱漢德

(深圳市東江水源工程管理處，廣東深圳518036)

現(xiàn)階段，雖然工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)在工控系統(tǒng)中取得了廣泛運用，但使用傳統(tǒng)串行通信接口的設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場仍大量存在，當(dāng)這些設(shè)備較多時，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)如何與這些串口設(shè)備連接是工程設(shè)計人員需要考慮的問題。文章首先介紹了監(jiān)控系統(tǒng)與串行通信設(shè)備的直接連接和間接集中管理兩種常用連接方式，并比較了兩種連接方式的適用場合。針對該泵站現(xiàn)場串口設(shè)備多的特點，提出了間接集中管理連接方式在深圳市東江水源工程永湖泵站中的運用，泵站監(jiān)控PLC通過嵌入式通信管理裝置，以集中式通信管理方式與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。文中對該工程串行設(shè)備集中管理的設(shè)計要點進(jìn)行了介紹。

泵站;串行;通信;集中管理;設(shè)計

0 序言

隨著計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和運用，工控系統(tǒng)向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展，具備快速、可靠性能的工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)越來越多地受到工程設(shè)計和使用人員的青睞，在工控系統(tǒng)中的運用日益廣泛。

同時在現(xiàn)階段實際運用中，生產(chǎn)現(xiàn)場仍然存在大量的設(shè)備需要通過傳統(tǒng)的RS—232/RS—485串行接口與計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通信，監(jiān)控系統(tǒng)如何與這些串行接口設(shè)備連接是設(shè)計人員需要考慮的一個問題。

1 監(jiān)控系統(tǒng)與生產(chǎn)現(xiàn)場串行通信設(shè)備的連接方式

主要有2種方式:

1.1 直接連接方式

如圖1所示，監(jiān)控單元與各設(shè)備分別建立通信連接，監(jiān)控單元直接采集生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)并向各設(shè)備下發(fā)指令，如果設(shè)備較多，采用這種通信方式會產(chǎn)生2個問題:

1)監(jiān)控程序的通信進(jìn)程會占用較多的CPU資源。

2)當(dāng)各生產(chǎn)設(shè)備的通信協(xié)議不一致時，監(jiān)控單元通信程序的開發(fā)較為復(fù)雜，而且由于監(jiān)控單元串口一般較少，甚至?xí)霈F(xiàn)串口資源緊張的問題。

該方式適用于通信設(shè)備少、設(shè)備通信協(xié)議較統(tǒng)一的場合。

圖1 直接連接方式

1.2 間接集中管理連接方式

如圖2所示，設(shè)立專門的、通信功能較強(qiáng)的通信管理裝置與各設(shè)備通信，由通信管理裝置統(tǒng)一采集所有生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存放和轉(zhuǎn)發(fā)，監(jiān)控單元通過該通信管理裝置采集各設(shè)備的數(shù)據(jù)、向其下發(fā)各種指令，這種連接方式緩解了監(jiān)控單元的處理壓力，特別適用于需要通過串口通信的設(shè)備較多的情況。

深圳市東江水源工程永湖泵站的現(xiàn)地控制單元和串行通信裝置之間即采用這種連接方式。

圖2 間接集中管理連接方式

2 現(xiàn)地控制單元與串行通信設(shè)備的連接設(shè)計

2.1 設(shè)備連接方式

深圳市東江水源工程是大型跨流域調(diào)水工程，永湖泵站是該工程的一座加壓泵站，安裝有10臺加壓泵組、3臺變壓器、開關(guān)設(shè)備、保護(hù)設(shè)備以及其它輔助設(shè)備等，并建立了計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動化監(jiān)控，監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)地控制單元(以下簡稱LCU)直接面向泵站各種生產(chǎn)設(shè)備，采集設(shè)備的數(shù)據(jù)并向其發(fā)送控制指令。LCU分公用LCU和機(jī)組LCU，兩類LCU均由PLC、開關(guān)量和模擬量I/O模塊等構(gòu)成，PLC通過I/O接口和通信接口與生產(chǎn)設(shè)備相連，采集各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)并下發(fā)控制指令，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)控［1］。

以公用LCU為例，其PLC通過通信接口連接的設(shè)備有繼電保護(hù)裝置、直流屏控制單元、綜合電力測控儀、多功能電表、滲漏排水泵控制器和消防泵控制器，這些裝置數(shù)量較多，均帶有串口，為了提高PLC與生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)通信效率，如圖3所示，采用集中通信管理方式，以嵌入式通信管理裝置(以下簡稱信管裝置)作為PLC的通信管理平臺，PLC通過該平臺對各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖3 永湖泵站公用LCU的PLC和串行通信設(shè)備的連接

2.2 串口工作模式

本工程PLC和和生產(chǎn)設(shè)備的串口均支持RS－232/485兼容模式。同類生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量不一，繼電保護(hù)裝置有20臺，直流屏控制單元有2臺，綜合電力測控儀、多功能電表、滲漏排水泵控制器和消防泵控制器各1臺。同類生產(chǎn)設(shè)備共用信管裝置的1個串口，當(dāng)同一串口連接多個設(shè)備時，串口須以RS－485模式工作，為了便于設(shè)備擴(kuò)展，設(shè)定所有串口均以RS－485模式工作。設(shè)備通過RS－485接口進(jìn)行通信時，通常采用主/從通信模式，在本工程中，將信管裝置設(shè)為主機(jī)，PLC和生產(chǎn)設(shè)備設(shè)為從機(jī)。

3 信管裝置與PLC的數(shù)據(jù)交互設(shè)計

3.1 信管裝置功能設(shè)計

為了實現(xiàn)PLC對生產(chǎn)設(shè)備的集中管理，信管裝置設(shè)計了3個功能模塊，如圖4所示。

圖4 軟件框圖

3.1.1 設(shè)備驅(qū)動模塊

該模塊面向生產(chǎn)設(shè)備，采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和下發(fā)控制指令。

3.1.2 管理口驅(qū)動模塊

該模塊面向PLC，與PLC進(jìn)行集中數(shù)據(jù)交互。

3.1.3 數(shù)據(jù)集中處理模塊

該模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中處理功能:將從各生產(chǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)“打包”，以便通過管理口驅(qū)動模塊集中上傳給PLC;或?qū)LC下發(fā)的控制命令包“解包”，以便通過設(shè)備驅(qū)動模塊下發(fā)給對應(yīng)設(shè)備。通過該模塊，PLC與信管裝置進(jìn)行批量的數(shù)據(jù)交互，這提高了PLC與生產(chǎn)設(shè)備的通信效率，減輕了PLC的負(fù)荷。

3.2 信管裝置的二級緩存分配和映射

3.2.1 二級緩存分配

3.2.1.1 集中緩存區(qū)

為了實現(xiàn)信管裝置與PLC的集中數(shù)據(jù)交互，給信管裝置連接PLC的串口劃設(shè)了1個集中緩存區(qū)。將信管裝置所連全部生產(chǎn)設(shè)備的所有上、下行數(shù)據(jù)統(tǒng)一編址，統(tǒng)一存放于集中緩存區(qū)。信管裝置將集中緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳給PLC，或?qū)LC下發(fā)的控制指令存入集中緩存區(qū)。

3.2.1.2 設(shè)備緩存區(qū)

為了實現(xiàn)信管裝置與各串口所連設(shè)備的獨立數(shù)據(jù)交互，給每個串口劃設(shè)了1個設(shè)備緩存區(qū)。將該串口所連設(shè)備的所有上、下行數(shù)據(jù)編址后存放于設(shè)備緩存區(qū)。信管裝置將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)存入設(shè)備緩存區(qū)，或?qū)⒃O(shè)備緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)下發(fā)給生產(chǎn)設(shè)備。

3.2.2 二級緩存地址映射

兩級緩存地址映射表見圖5。

圖5 兩級緩存地址映射表

一級地址:集中緩存區(qū)存放有所有串口所連設(shè)備的各種類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包含模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、開關(guān)量輸入(DI)、開關(guān)量輸出(DO)。如圖5所示，相同類型數(shù)據(jù)按順序排列在一起，不同類型數(shù)據(jù)鄰接排列，每個模擬量占2個字節(jié)，8個開關(guān)量占1個字節(jié)。每個數(shù)據(jù)在集中緩存區(qū)內(nèi)有一個固定的地址，即一級地址。PLC通過一級地址與信管裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

二級地址:設(shè)備緩存區(qū)存放有該串口所連設(shè)備的各種類型數(shù)據(jù)。如圖5所示，同一串口上不同設(shè)備的相同類型數(shù)據(jù)按順序排列在一起，不同類型數(shù)據(jù)鄰接排列，每個模擬量占2個字節(jié)，8個開關(guān)量占1個字節(jié)。每個數(shù)據(jù)在設(shè)備緩存區(qū)內(nèi)有一個固定的地址，即二級地址。信管裝置通過二級地址與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

為了實現(xiàn)信管裝置在PLC與生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)交互過程中的“橋梁”作用，需要將集中緩存區(qū)和設(shè)備緩存區(qū)進(jìn)行地址映射，即將每個數(shù)據(jù)的一級地址和二級地址建立固定的映射關(guān)系，所有數(shù)據(jù)的兩級地址映射關(guān)系形成如圖5所示兩級緩存地址映射表。信管裝置的數(shù)據(jù)集中處理模塊依據(jù)該映射表將設(shè)備緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入集中緩存區(qū)，或者將集中緩存區(qū)內(nèi)的控制指令轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備緩存區(qū)，實現(xiàn)對各生產(chǎn)設(shè)備運行數(shù)據(jù)的集中處理。

3.3 數(shù)據(jù)交互過程

3.3.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳

信管裝置以巡檢方式采集各設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)以繼電保護(hù)裝置為例，介紹數(shù)據(jù)的采集過程。信管裝置通過MODBUS規(guī)約與繼電保護(hù)裝置通信，MODBUS使用主—從通信模式，如前所述，信管裝置為主設(shè)備，繼電保護(hù)裝置為從設(shè)備。如圖6所示。信管裝置首先向繼電保護(hù)裝置發(fā)送MODBUS查詢幀，被尋址的繼電保護(hù)裝置向信管裝置發(fā)送響應(yīng)幀，信管裝置將收到的響應(yīng)數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的設(shè)備緩存區(qū)，信管裝置按類似方式完成對其它設(shè)備的數(shù)據(jù)采集后根據(jù)兩級地址映射關(guān)系將各設(shè)備緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一寫入集中緩存區(qū)，最后將集中緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)封裝成MODBUS幀后一并發(fā)送給PLC。

圖6 上行數(shù)據(jù)傳輸過程

3.3.2 控制指令下傳

3.3.2.1 下行控制指令傳輸協(xié)議設(shè)計

由于控制指令的下發(fā)時間和內(nèi)容是隨機(jī)的，為了提高控制指令傳輸?shù)男屎涂煽啃浴⑻岣咧噶畹臄U(kuò)展靈活性，本工程在MODBUS規(guī)約的基礎(chǔ)上，設(shè)計了信管裝置與PLC之間的控制指令傳輸協(xié)議，協(xié)議主要包含兩方面的內(nèi)容:①定義了PLC與信管裝置之間的報文控制協(xié)議，用于協(xié)調(diào)PLC與信管裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸;②定義了如圖7所示的控制幀結(jié)構(gòu)，該控制幀封裝在MODBUS幀內(nèi)，對應(yīng)MODBUS幀的數(shù)據(jù)域。

圖7 下行控制幀結(jié)構(gòu)

3.3.2.2 傳輸過程

現(xiàn)仍以繼電保護(hù)裝置為例，介紹控制指令的下發(fā)過程。如圖8所示。PLC將指令按控制幀格式封裝后寫入PLC的通信緩存區(qū)。信管裝置按MODBUS規(guī)約讀取PLC的通信緩存區(qū)內(nèi)的控制指令并存入集中緩存區(qū)，之后數(shù)據(jù)集中處理模塊根據(jù)兩級地址映射關(guān)系將指令寫入設(shè)備緩存區(qū)，最后串口驅(qū)動程序?qū)⒅噶钪匦路庋b成MODBUS幀后發(fā)送給目標(biāo)繼電保護(hù)裝置。

圖8 下行數(shù)據(jù)傳輸過程

4 驅(qū)動程序分層設(shè)計

本工程中信管裝置的7個串口連接了生產(chǎn)設(shè)備和PLC，如果針對每個串口獨立開發(fā)一套驅(qū)動程序，則會做大量的重復(fù)工作，為了提高驅(qū)動程序的開發(fā)和維護(hù)效率，采取分層驅(qū)動程序設(shè)計方法，將驅(qū)動程序分為硬件驅(qū)動層、中間層和設(shè)備驅(qū)動層，各個串口共性的工作由硬件驅(qū)動層和中間層完成，各串口須根據(jù)不同規(guī)約獨立完成的工作由設(shè)備驅(qū)動層完成。本工程信管裝置以LINUX作為軟件平臺，驅(qū)動程序開發(fā)在該環(huán)境下進(jìn)行。

4.1 硬件驅(qū)動層

本工程中設(shè)備通過串口互連，須結(jié)合串口特性開發(fā)串口驅(qū)動。硬件驅(qū)動層直接驅(qū)動串口運行，并為中間層提供調(diào)用接口函數(shù)。

4.2 中間層

將通用的驅(qū)動功能函數(shù)，如存儲分配、串口初始化、讀串口、寫串口等函數(shù)獨立出來，形成中間層庫函數(shù)。中間層庫函數(shù)層通過調(diào)用硬件驅(qū)動層接口函數(shù)驅(qū)動硬件，并為設(shè)備驅(qū)動層提供調(diào)用接口函數(shù)。

4.3 設(shè)備驅(qū)動層

設(shè)備驅(qū)動層直接針對不同設(shè)備，用戶根據(jù)各種設(shè)備所支持的通信規(guī)約，編寫相應(yīng)的設(shè)備層驅(qū)動函數(shù)。設(shè)備驅(qū)動層通過調(diào)用中間層庫函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。有了統(tǒng)一的中間層庫函數(shù)接口，給連接不同設(shè)備的串口開發(fā)驅(qū)動時，只需開發(fā)設(shè)備驅(qū)動層，節(jié)省了大量繁瑣的工作，可大幅提高開發(fā)效率。

5 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計

為了提高信管裝置的使用靈活性、用戶使用和維護(hù)的便捷性，提高控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，設(shè)計了一套簡易的組態(tài)語法對設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。組態(tài)語句保存在一個特定的組態(tài)文件內(nèi)，用戶可以使用LINUX提供的常用系統(tǒng)命令直接操作該組態(tài)文件以進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。

5.1 組態(tài)語法

以“參數(shù)塊”為基本組成邏輯，每個參數(shù)塊由起始標(biāo)志、語句參數(shù)和結(jié)束標(biāo)志3部分組成，即“＜起始標(biāo)志XXX＞語句參數(shù)YYY＜結(jié)束標(biāo)志XXX ＞”為一條組態(tài)語句。起始、結(jié)束標(biāo)志反映參數(shù)類型，語句參數(shù)反映參數(shù)內(nèi)容。此外還定義了組態(tài)語句的使用規(guī)則。

5.2 常規(guī)通信參數(shù)配置

對設(shè)備地址、協(xié)議代碼、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等進(jìn)行配置。

5.3 集中管理組態(tài)

5.3.1 緩存分配

用戶根據(jù)工程實際情況對各串口的設(shè)備數(shù)量、測點類型、測點數(shù)量進(jìn)行組態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)組態(tài)參數(shù)進(jìn)行設(shè)備緩存和集中緩存的分配。

5.3.2 緩存映射

用戶根據(jù)工程實際情況對各串口的設(shè)備排列順序進(jìn)行組態(tài)，系統(tǒng)根據(jù)組態(tài)參數(shù)建立設(shè)備緩存和集中緩存的兩級地址映射關(guān)系，信管裝置根據(jù)該映射關(guān)系即可實現(xiàn)對所有生產(chǎn)設(shè)備的集中管理。

6 結(jié)語

對生產(chǎn)設(shè)備的集中通信管理，須設(shè)置一臺專門的通信管理裝置，監(jiān)控單元通過該通信管理裝置與生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從監(jiān)控單元的角度而言，通信對象只有一個通信管理裝置，因而有效緩解了監(jiān)控單元的通信壓力，特別適用于生產(chǎn)設(shè)備多、各設(shè)備支持的通信協(xié)議繁雜的情況。永湖泵站采用了基于嵌入式通信管理裝置XXX－30的生產(chǎn)設(shè)備集中通信管理模式，使得監(jiān)控系統(tǒng)能高效地與各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在泵站監(jiān)控中取得了良好的實踐效果。

［1］周慶忠，徐青.大型泵站計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的若干問題探討［J］.中國農(nóng)村水利水電，2008(02):79－81.

TP311.11

C

1007－7596(2014)07－0090－04

2014－05－26

朱漢德(1983－)，男，福建龍巖人，工程師，研究方向為自動化、工業(yè)通信技術(shù)。