郭曉利，孫 邈

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

水電站通信管理機的設(shè)計

郭曉利，孫 邈

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

數(shù)字化水電站的通訊網(wǎng)絡(luò)和通訊協(xié)議的復(fù)雜性導(dǎo)致了怎樣完成互操作的實際問題，以前的通信管理設(shè)備支持的通信規(guī)約單一，難以滿足水電站監(jiān)控信息的需求。因此，提出了基于TI Cortex A8微處理器和 Linux 操作系統(tǒng)的水電站通信管理機，采取模塊化的設(shè)計方法，加大了現(xiàn)場選擇裝置的自由度，而且盡較大可能地保持改造前的已有資源及降低了裝置實現(xiàn)過程的難度。

水電站；TI Cortex A8； Linux；通信管理機

隨著數(shù)字化水電站概念的提出和水電站管控一體化進程的推進，擺脫DCS(Distributed Control System)信息封閉的要求越來越急迫，通常要求每個智能設(shè)備(IDE)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一送入DCS主控，集中進行監(jiān)控管理，并通過DCS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿娬颈O(jiān)控管理系統(tǒng)中[1]。

為了滿足DCS應(yīng)用中不同的通訊需要，匯合站內(nèi)大部分的下層通訊，并連入到上層水電站監(jiān)控信息系統(tǒng)，構(gòu)建真正的信息一體化生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化工業(yè)流程，在水電站DCS控制系統(tǒng)中提出通信管理機的概念[2-5]。由于水電站操作環(huán)境不好，對可靠性要求高。隨著嵌入式計算機軟件及硬件系統(tǒng)的快速發(fā)展，特別是在通信數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，嵌入式計算機具有操作功能完備，運行穩(wěn)定可靠，適用于工業(yè)惡劣環(huán)境等優(yōu)點，本文提出基于TI Cortex A8微處理器和Linux操作系統(tǒng)的水電站通信管理機的設(shè)計方法[6-9]。

1 通信管理機的整體設(shè)計

1.1 水電站通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

通信管理機是現(xiàn)場裝置與水電站監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口，是通訊系統(tǒng)的核心單元，如圖1所示。冗余I/O總線負責(zé)通信管理機和I/O之間的通訊，電氣協(xié)議采用RS-485，通訊速率2MB/s，采取EDPF-PLUS專用光纖收發(fā)器，利用光纜連接，能夠?qū)/O總線擴展到3 000 m。實時信息主干網(wǎng)，負責(zé)通信管理機之間、通信管理機和上位機(操作員站、歷史站和工程師站等)之間的數(shù)據(jù)信息傳送，采取交換型以太網(wǎng)，通訊速度達到一百MB/s，雙網(wǎng)冗余容錯。

1.2 通信管理機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通信管理機主要由硬件單元、剪裁后的Linux系統(tǒng)和軟件模塊構(gòu)成。

(1)硬件系統(tǒng)

通信管理機的硬件實現(xiàn)方法包括兩種：方案一是采用工業(yè)控制計算機；方案二是采取微處理器，利用擴展對應(yīng)的外圍接口電路實現(xiàn)相關(guān)操作[10-11]。與方案一相比，嵌入式系統(tǒng)具備體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點，因為采取了專門設(shè)計方法，在設(shè)計接口方面能夠達到多樣化，靈活性高的要求。此外，利用編寫對應(yīng)的配置、監(jiān)控程序，嵌入式系統(tǒng)的可維護性、擴展性也較好。因此，本文采用方案二。

(2)嵌入式操作系統(tǒng)

通信管理機的重要性能要求是實時性和可靠性，現(xiàn)在工業(yè)控制行業(yè)最常用的操作系統(tǒng)有Linux、Windows CE等，Linux 是分時、多進程OS，其穩(wěn)定性超過別的EOS，其優(yōu)異特性主要表現(xiàn)為：核心代碼公開，程序員可按照需求對核心代碼進行剪裁，可剪裁到幾百K以內(nèi)；系統(tǒng)的資源多個用戶共享，多權(quán)限的設(shè)置，系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定；Linux是多進程、多線程的系統(tǒng)，具備完整的安全計劃，為了避免多進程、多線程的死鎖，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定安全；Linux 采用了一系列安全方法，包含對讀、寫操作地權(quán)限管理、審計追蹤、帶保護措施的子系統(tǒng)、核心內(nèi)容授權(quán)等，在網(wǎng)絡(luò)中多個用戶同時使用時，能夠提供可靠的保障；Linux提供給用戶可控制的、優(yōu)先級驅(qū)動的、急者優(yōu)先搶占的調(diào)度方法，所以其十分適用于實時控制、通信、多媒體信息處理等對實時性要求高的行業(yè)[12]。由于以上特征，本課題選LINUX作為通信管理機的OS。

2 通信管理機的硬件設(shè)計

由于通信管理機工作于強電磁干擾、高溫、高濕的惡劣環(huán)境，水電站的數(shù)據(jù)量大，實時性要求強，而且隨時可能連入新的智能裝置。因此，通信管理機設(shè)計成無硬盤、無風(fēng)扇、多個串行接口、支持多種通訊協(xié)議、安全性強、便于擴充、維護，還具有看門狗功能。采取模塊化的方式，包含嵌入式主板、電源電路、通訊單元、存儲單元等幾個部分，如圖2所示。

圖2 通信管理機硬件設(shè)計圖

(1)主控制器是通信管理機的核心，選用了基于ARMv7體系結(jié)構(gòu)，并選用TI Cortex A8微處理器，功耗低、體積小、性價比高，能夠?qū)崿F(xiàn)通信管理機規(guī)約轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)匯總的功能要求。

(2)通信模塊?，F(xiàn)在的智能終端設(shè)備基本上具有支持MODBUS規(guī)約的RS-485通訊串口，而各種無線通訊單元、系統(tǒng)調(diào)試等采取的是RS-232串口，為了實現(xiàn)與各種下位機之間的通訊，實現(xiàn)功能要求，通信管理機設(shè)計了6個RS232/485綠色端子排，通過跳線方式選擇 RS-232/485，串行通信控制芯片采用MAX公司的MAx3232和MAX3485，還有一個debug調(diào)試串口。以太網(wǎng)通信由于主控制器已經(jīng)集成了以太網(wǎng)控制電路，本文設(shè)計輔助電路使用11F-05隔離變壓器和安裝RJ45接口，采用雙網(wǎng)冗余設(shè)計，具備100M/S的傳輸速度，具備較高的實時性和安全性。此外，為了滿足下載現(xiàn)場數(shù)據(jù)的要求，還設(shè)計了USB2.0接口。

(3)存儲模塊。該芯片本身集成了512MB的RAM，但通信管理機的實際工作要求，需要它進行大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲、轉(zhuǎn)換、分析處理等操作，這就須要較大的程序及數(shù)據(jù)存儲空間。因此，Cortex A8支持兩個Micro SD插槽，打開機殼左側(cè)擋片，即可看到插槽位置。上方 SD 卡用于裝數(shù)據(jù)，下方SD卡用于裝系統(tǒng)。

3 冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)備中構(gòu)建的以太網(wǎng)通信，負責(zé)水電站的信息通訊，完成主站命令下達、信息迅速和安全采集。以太網(wǎng)通信的效率直接影響到水電站信息系統(tǒng)的整體效率。所以本文采取冗余容錯設(shè)計，為了保證水電站內(nèi)信息傳送的安全性和實時性，如圖3所示。

圖3 雙網(wǎng)冗余模塊

圖4 通信管理機軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)冗余結(jié)構(gòu)的詳細實現(xiàn)過程是：設(shè)計成兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為了隔離兩個網(wǎng)絡(luò)的物理信號和故障。因此，通信管理機具有唯一的IP地址，以太網(wǎng)控制芯片W5100和Cortex A8中的以太網(wǎng)控制器具有不同的MAC地址。兩個網(wǎng)絡(luò)模塊切換：首先，其中W5100綁定TCP/IP協(xié)議棧，主控制器的檢查程序檢查出W5100發(fā)生錯誤時，轉(zhuǎn)換程序立刻運行，把TCP/IP協(xié)議棧和已經(jīng)相連的W5100解綁，此時，將協(xié)議棧從頭連接到正常工作的Cortex A8中的以太網(wǎng)控制器，從而保證通信網(wǎng)絡(luò)的正常工作。此刻，檢測程序?qū)Ξa(chǎn)生故障的模塊報警，并將該模塊設(shè)置成錯誤狀態(tài)，同時為了隔離錯誤的信息關(guān)閉其輸人、輸出。以太網(wǎng)冗余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換花費的時間是評價結(jié)構(gòu)好壞的重要標準，在本課題設(shè)計的冗余結(jié)構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換換需要的時間能夠在幾十微秒以內(nèi)，所以本文設(shè)計的冗余結(jié)構(gòu)保證了水電站內(nèi)部信息的實時安全傳送。

4 通信管理機的軟件設(shè)計

通信管理機的軟件設(shè)計，需要實現(xiàn)收集現(xiàn)場信息、分類整理數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換協(xié)議、建立數(shù)據(jù)庫、將數(shù)據(jù)送給計算機監(jiān)控系統(tǒng)、顯現(xiàn)系統(tǒng)工作情況、配置、針對接口顯示通訊狀態(tài)等功能。因此，軟件系統(tǒng)主要包括了通信接口驅(qū)動程序編寫，系統(tǒng)配置人機交互模塊編寫以及LINUX操作系統(tǒng)的剪裁。

此方法的設(shè)備采取的是嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，為了充分的利用這個特點，按照設(shè)備的需求進行了分層、模塊化的多任務(wù)設(shè)計，通信層與應(yīng)用層分離，其中通信層的工作是采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，包括了通訊端口程序的編寫，包含串口通訊、CDT 通訊、以太網(wǎng)通訊，各個通訊端口是LINUX多個任務(wù)中的一個，這有利于使用LINUX實時多任務(wù)的特點管理所有通訊端口。應(yīng)用層主要負責(zé)規(guī)約轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存取以及通訊調(diào)度等。應(yīng)用層的工作是通訊協(xié)議能夠使用串口或以太網(wǎng)端口被傳送和接收。文中管理機軟件的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

5 結(jié) 論

目前IEC61850協(xié)議沒有完全普及，水電站的通信管理程度決定了自動化程度的高低。本文提出的基于微處理器和Linux的水電站通信管理機，具有安全性高、實時性強、接口多樣、易擴展等特征，使得多個廠家智能設(shè)備之間的互操作性問題得以解決，提高了監(jiān)控系統(tǒng)的通信管理程度。本文所設(shè)計和開發(fā)的水電站通信管理機將應(yīng)用于北京市國電智深公司猴子巖水電工程基建項目。

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Design of Communication Manager for Hydropower Station

Guo Xiaoli,Sun Miao

(School of Information Engineering,Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132000)

The diversity of communication network and communication protocol in hydropower station brings the practical problem of how to realize the interoperability.In the past,the communication management equipment with the specific automation system,communication protocol is single,it is difficult to communicate with other manufacturers of intelligent equipment,the automation of the system is difficult to increase the integration process.In this paper,communication management machine based on TI cortex A8 processor and embedded Linux operating system in hydropower station,adopting the modular design method,increase the degrees of freedom for the selection of equipment on the spot and to the greatest extent retained the existing resources before the renovation and reduce the difficulty of process integration of the system.

Hydropower Station;TI Cortex A8;Linux;Communication Manager

2017-03-12

吉林省科技廳重點科技成果轉(zhuǎn)化項目(批準號：20150307020GX).

郭曉利(1968-)，女，教授，碩士，主要研究方向：數(shù)據(jù)處理、知識表示.

1005-2992(2017)04-0094-04

TP311

A

電子郵箱： 243589657@qq.com(郭曉利)；582456980@qq.com(孫邈)