水电站通信管理机的设计方案

      数字化水电站的通讯网络和通讯协议的复杂性导致了怎样完成互操作的实际问题，以前的通信管理设备支持的通信规约单一，难以满足水电站监控信息的需求。因此，提出了基于TI Cortex A8微处理器和 Linux 操作系统的水电站通信管理机，采取模块化的设计方法，加大了现场选择装置的自由度，而且尽较大可能地保持改造前的已有资源及降低了装置实现过程的难度。
      随着数字化水电站概念的提出和水电站管控一体化进程的推进，摆脱DCS(Distributed Control System)信息封闭的要求越来越急迫，通常要求每个智能设备(IDE)将数据统一送入DCS主控，集中进行监控管理，并通过DCS将数据传输到水电站监控管理系统中
      为了满足DCS应用中不同的通讯需要，汇合站内大部分的下层通讯，并连入到上层水电站监控信息系统，构建真正的信息一体化生产管理的现代化工业流程，在水电站DCS控制系统中提出通信管理机的概念[2-5]。由于水电站操作环境不好，对可靠性要求高。随着嵌入式计算机软件及硬件系统的快速发展，特别是在通信数据处理领域，嵌入式计算机具有操作功能完备，运行稳定可靠，适用于工业恶劣环境等优点。
   1 .通信管理机的整体设计
       1.1 水电站通信系统结构

            通信管理机是现场装置与水电站监控系统的通讯接口，是通讯系统的核心单元，如图1所示。冗余I/O总线负责通信管理机和I/O之间的通讯，电气协议采用RS-485，通讯速率2MB/s，采取EDPF-PLUS专用光纤收发器，利用光缆连接，能够将I/O总线扩展到3 000 m。实时信息主干网，负责通信管理机之间、通信管理机和上位机(操作员站、历史站和工程师站等)之间的数据信息传送，采取交换型以太网，通讯速度达到一百MB/s，双网冗余容错。
       1.2 通信管理机的系统结构
            通信管理机主要由硬件单元、剪裁后的Linux系统和软件模块构成。
           (1)硬件系统
               通信管理机的硬件实现方法包括两种：方案一是采用工业控制计算机；方案二是采取微处理器，利用扩展对应的外围接口电路实现相关操作[10-11]。与方案一相比，嵌入式系统具备体积小、成本低、可靠性高等优点，因为采取了专门设计方法，在设计接口方面能够达到多样化，灵活性高的要求。此外，利用编写对应的配置、监控程序，嵌入式系统的可维护性、扩展性也较好。因此，本文采用方案二。
          (2)嵌入式操作系统
             通信管理机的重要性能要求是实时性和可靠性，现在工业控制行业最常用的操作系统有Linux、Windows CE等，Linux 是分时、多进程OS，其稳定性超过别的EOS，其优异特性主要表现为：核心代码公开，程序员可按照需求对核心代码进行剪裁，可剪裁到几百K以内；系统的资源多个用户共享，多权限的设置，系统能够可靠稳定；Linux是多进程、多线程的系统，具备完整的安全计划，为了避免多进程、多线程的死锁，系统能够稳定安全；Linux 采用了一系列安全方法，包含对读、写操作地权限管理、审计追踪、带保护措施的子系统、核心内容授权等，在网络中多个用户同时使用时，能够提供可靠的保障；Linux提供给用户可控制的、优先级驱动的、急者优先抢占的调度方法，所以其十分适用于实时控制、通信、多媒体信息处理等对实时性要求高的行业[12]。由于以上特征，本课题选LINUX作为通信管理机的OS。

  2 .通信管理机的硬件设计
      由于通信管理机工作于强电磁干扰、高温、高湿的恶劣环境，水电站的数据量大，实时性要求强，而且随时可能连入新的智能装置。因此，通信管理机设计成无硬盘、无风扇、多个串行接口、支持多种通讯协议、安全性强、便于扩充、维护，还具有看门狗功能。采取模块化的方式，包含嵌入式主板、电源电路、通讯单元、存储单元等几个部分.
图2 通信管理机硬件设计图
    (1)主控制器是通信管理机的核心，选用了基于ARMv7体系结构，并选用TI Cortex A8微处理器，功耗低、体积小、性价比高，能够实现通信管理机规约转换与数据汇总的功能要求。
    (2)通信模块。现在的智能终端设备基本上具有支持MODBUS规约的RS-485通讯串口，而各种无线通讯单元、系统调试等采取的是RS-232串口，为了实现与各种下位机之间的通讯，实现功能要求，通信管理机设计了6个RS232/485绿色端子排，通过跳线方式选择 RS-232/485，串行通信控制芯片采用MAX公司的MAx3232和MAX3485，还有一个debug调试串口。以太网通信由于主控制器已经集成了以太网控制电路，本文设计辅助电路使用11F-05隔离变压器和安装RJ45接口，采用双网冗余设计，具备100M/S的传输速度，具备较高的实时性和安全性。此外，为了满足下载现场数据的要求，还设计了USB2.0接口。
   (3)存储模块。该芯片本身集成了512MB的RAM，但通信管理机的实际工作要求，需要它进行大规模的数据存储、转换、分析处理等操作，这就须要较大的程序及数据存储空间。因此，Cortex A8支持两个Micro SD插槽，打开机壳左侧挡片，即可看到插槽位置。上方 SD 卡用于装数据，下方SD卡用于装系统。
   3 .冗余结构设计
       本设备中构建的以太网通信，负责水电站的信息通讯，完成主站命令下达、信息迅速和安全采集。以太网通信的效率直接影响到水电站信息系统的整体效率。所以本文采取冗余容错设计，为了保证水电站内信息传送的安全性和实时性，如图2所示。

      网络冗余结构的详细实现过程是：设计成两个独立的网络结构，为了隔离两个网络的物理信号和故障。因此，通信管理机具有唯一的IP地址，以太网控制芯片W5100和Cortex A8中的以太网控制器具有不同的MAC地址。两个网络模块切换：首先，其中W5100绑定TCP/IP协议栈，主控制器的检查程序检查出W5100发生错误时，转换程序立刻运行，把TCP/IP协议栈和已经相连的W5100解绑，此时，将协议栈从头连接到正常工作的Cortex A8中的以太网控制器，从而保证通信网络的正常工作。此刻，检测程序对产生故障的模块报警，并将该模块设置成错误状态，同时为了隔离错误的信息关闭其输人、输出。以太网冗余结构的网络转换花费的时间是评价结构好坏的重要标准，在本课题设计的冗余结构中网络的转换换需要的时间能够在几十微秒以内，所以本文设计的冗余结构保证了水电站内部信息的实时安全传送。

  4 .通信管理机的软件设计
     通信管理机的软件设计，需要实现收集现场信息、分类整理数据、转换协议、建立数据库、将数据送给计算机监控系统、显现系统工作情况、配置、针对接口显示通讯状态等功能。因此，软件系统主要包括了通信接口驱动程序编写，系统配置人机交互模块编写以及LINUX操作系统的剪裁。
    此方法的设备采取的是嵌入式实时多任务操作系统，为了充分的利用这个特点，按照设备的需求进行了分层、模块化的多任务设计，通信层与应用层分离，其中通信层的工作是采集和发送数据，包括了通讯端口程序的编写，包含串口通讯、CDT 通讯、以太网通讯，各个通讯端口是LINUX多个任务中的一个，这有利于使用LINUX实时多任务的特点管理所有通讯端口。应用层主要负责规约转换、数据存取以及通讯调度等。应用层的工作是通讯协议能够使用串口或以太网端口被传送和接收。文中管理机软件的结构，如图3所示。
  5. 结 论
     目前IEC61850协议没有完全普及，水电站的通信管理程度决定了自动化程度的高低。本文提出的基于微处理器和Linux的水电站通信管理机，具有安全性高、实时性强、接口多样、易扩展等特征，使得多个厂家智能设备之间的互操作性问题得以解决，提高了监控系统的通信管理程度。

文章出处

    郭晓利，孙 邈(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

    郭晓利(1968-)，女，教授，硕士，主要研究方向：数据处理、知识表示.

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