袁泉，劉小勇，施仁
（西安交通大學(xué)自動(dòng)控制系，陜西西安710049）
［摘 要］ 針對(duì)電力監(jiān)控系統(tǒng)底層通信數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，進(jìn)行了兩方面的改進(jìn)。在軟件結(jié)構(gòu)上，提出了將數(shù)據(jù)通信軟件與監(jiān)控軟件分離的方法；在硬件上，使用多路雙口RAM智能通信卡擴(kuò)展通信端口，提高底層通信的速度。這些措施有效地減輕了監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)，確保了現(xiàn)場(chǎng)儀表與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間準(zhǔn)確快速的數(shù)據(jù)通信，保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全高效運(yùn)行。
［關(guān)鍵詞］ 電力系統(tǒng)；串行通信；多線程；智能通信卡
1 引 言
電力系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不但包括功率、電壓、電流等測(cè)量數(shù)據(jù)，還包括分合閘、過流、速斷等操作及事故所產(chǎn)生的事件數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生事故而導(dǎo)致跳閘時(shí)，還要記錄現(xiàn)場(chǎng)的故障錄波數(shù)據(jù)，可見，需要通信的數(shù)據(jù)量是一般工業(yè)控制中所無法比擬的。由于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化非常快，一次過流可能只維持十幾毫秒，數(shù)據(jù)稍縱即逝，所以對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、通信速度的要求是非常高的。
監(jiān)控系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)可靠、高效的通信是系統(tǒng)可靠性的關(guān)鍵，是設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件的重點(diǎn)。一些現(xiàn)有的軟件，將數(shù)據(jù)通信、處理和監(jiān)控都做在一個(gè)軟件中，雖然顯得直觀緊湊，但系統(tǒng)的升級(jí)改進(jìn)卻十分不便，一個(gè)微小的改動(dòng)都要對(duì)全部系統(tǒng)進(jìn)行重新整理，因此，采取模塊化結(jié)構(gòu)是比較好的一種選擇。
筆者在一個(gè)大型電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件上采用通信站和監(jiān)控站分開的獨(dú)立方式，軟件上將底層通信軟件從監(jiān)控軟件中分離出去，在通信站中獨(dú)立工作，通信站專門負(fù)責(zé)底層現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，并和上層監(jiān)控站進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。由于通信站的獨(dú)立，使上層監(jiān)控站的任務(wù)大大減輕，不但提高了底層的通信速率，還加快了監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)刷新速度。如果下層儀表數(shù)量很多，可以在通信站上采用多路雙口RAM智能通信卡，并擴(kuò)充為多個(gè)串口，進(jìn)一步提高底層通信速度。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖2-1給出了一種典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)綜合了以上討論的特點(diǎn)。其中，兩個(gè)通信站組成雙機(jī)冗余熱備，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)通過RS－485／422串口傳送給通信站，通信程序讀取串口的數(shù)據(jù)，解析后一方面將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，作為歷史數(shù)據(jù)加以保存，另一方面通過TCP／IP協(xié)議，將數(shù)據(jù)打包后傳遞給上位機(jī)，在監(jiān)控軟件中進(jìn)行運(yùn)接送上以太網(wǎng)，也利于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷。
由于通信站和監(jiān)控站是分離的，只要都支持TCP／IP通信協(xié)議，編寫監(jiān)控系統(tǒng)的工具語言不需要與通信站相同，這樣就給用戶提供了靈活的平臺(tái)選擇，可以利用一些圖像功能強(qiáng)大而硬件功能相對(duì)弱的組態(tài)軟件編寫監(jiān)控軟件，以提供直觀漂亮的操作畫面。
對(duì)于一些特殊的下層儀表，如果通信協(xié)議不同，只需在通信軟件中改變相應(yīng)的協(xié)議即可，不需要對(duì)監(jiān)控軟件作出任何修改。用這種方法，可以非常靈活的兼容各種不同通信協(xié)議的儀表。這樣，系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展就會(huì)相當(dāng)方便。
3 提高通信速度的措施
3．1 硬件措施
通信站與上層監(jiān)控站間的通信是通過以太網(wǎng)傳輸?shù)模ㄐ潘俣瓤欤瑢?shí)時(shí)性很好。而現(xiàn)場(chǎng)儀表與通信站之間是通過串口讀寫數(shù)據(jù)的，在儀表傳輸速率與傳輸數(shù)據(jù)量一定的條件下，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)量多到一定程度，由于總數(shù)據(jù)量過大而造成通信時(shí)間過長(zhǎng)，可能會(huì)成為限制實(shí)時(shí)性的瓶頸，為了解決這個(gè)問題，硬件上可以采取以下的改進(jìn)。
3．1．1 多串口數(shù)據(jù)通信
串行通信具有連接簡(jiǎn)單、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
一般情況下，多臺(tái)下層儀表連在一條通信總線上，通信站通過其一個(gè)串口連接一條通信總線，從而實(shí)現(xiàn)通信站與儀表的串行通信。這時(shí)，通信站對(duì)全部下層儀表作一次數(shù)據(jù)通信的時(shí)間等于通信站與每個(gè)儀表的通信時(shí)間之和。
在電力系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，下層儀表數(shù)目增多，掃描周期將相應(yīng)增大，從而使操作員難以及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)安全性得不到保證。由此可以看出，上下層通信速度極大的影響著整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，制約電力監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)模及發(fā)展。
為解決這個(gè)問題，可將一個(gè)串行通信過程分成多個(gè)串行通信過程，以提高工作效率。如圖3-1所示，硬件上通過使用多串口通信卡，軟件上對(duì)各個(gè)串口同時(shí)掃描，實(shí)現(xiàn)多串口通信的并行工作方式。
這時(shí)下層儀表分別連在多條通信總線上，因?yàn)閃indows操作系統(tǒng)支持多任務(wù)管理，計(jì)算機(jī)可同時(shí)對(duì)多個(gè)串口進(jìn)行讀寫。假定有100臺(tái)儀表，使用5個(gè)串口通信所需要的時(shí)間是用1個(gè)串口所需時(shí)間的1／5，這樣就使通信速度大大提高。
3．1．2 多串口智能通信卡
智能通信卡是一種具有微處理器和雙口RAM的高速通信接口板，可插在計(jì)算機(jī)的I／O擴(kuò)展槽內(nèi)使用，其主要作用是減輕計(jì)算機(jī)CPU處理通信任務(wù)的工作量，有助于提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)刷新速度。
在使用多串口智能通信卡后，系統(tǒng)程序下發(fā)給儀表的命令可通過寫硬件端口的方式存儲(chǔ)在智能通信卡的RAM中，由通信卡利用自帶的CPU，通過串行通信向儀表發(fā)送；另一方面通信卡利用自帶的CPU接收儀表返回的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在其RAM中，系統(tǒng)程序通過讀硬件端口的方式獲得通信卡中的信息。
由此原本計(jì)算機(jī)與儀表之間繁重的串行通信工作，改由智能通信卡完成。這樣計(jì)算機(jī)CPU的工作量大大減輕，與底層儀表的通信速度會(huì)大大加快。
3．2 軟件的優(yōu)化
現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度大大超過底層數(shù)據(jù)的硬件傳輸速度，如果簡(jiǎn)單的進(jìn)行一發(fā)一收式的順序讀寫控制，計(jì)算機(jī)大部分時(shí)間都會(huì)處于等待數(shù)據(jù)的狀態(tài)，浪費(fèi)了大部分的計(jì)算機(jī)資源。
在Windows環(huán)境下，微軟基類庫（MFC）提供了對(duì)多線程的支持。在軟件中可以使用多線程技術(shù)，每一個(gè)串口的讀寫對(duì)應(yīng)一個(gè)線程，和上層程序的通信也用一個(gè)獨(dú)立的線程，這樣，上層程序?qū)x表的操作可以快速的顯現(xiàn)出來。從宏觀的角度上看，程序同時(shí)在對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行操作，CPU的運(yùn)行速度得到了最大限度的發(fā)揮，充分的利用了計(jì)算機(jī)資源。
實(shí)踐證明，采用多線程技術(shù)，從軟件著手充分利用計(jì)算機(jī)CPU的速度優(yōu)勢(shì)，加快整個(gè)控制系統(tǒng)的上下層通信速度，非常有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
4 結(jié)束語
該文的方法在工程項(xiàng)目中采用后，不僅有效的提高了數(shù)據(jù)的通信速度，而且由于軟件的模塊化結(jié)構(gòu)，下層通信程序的獨(dú)立性，可以自由適應(yīng)于不同的系統(tǒng)規(guī)模和各種類型的儀表，面對(duì)不同的需求，上層的監(jiān)控程序不需要改動(dòng)，只要將下層通信程序的通信協(xié)議改為對(duì)應(yīng)儀表的即可。此方法不僅適用于電力系統(tǒng)監(jiān)控，而且對(duì)其它大型工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
［參考文獻(xiàn)］
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