厂站自动化系统中串口设备上网方案的设计

摘要：本文研究了厂站自动化系统中常规RS-232/422/485串行接口的间隔级测控保护单元和智能电子设备（IED）通过转换上TCP/IP以太网的必要性和可行性，并就此提出了不同应用情况下的集中上网方案。上网后对通讯媒介选择，通讯规约改变，原有通讯接口软件兼容性等方面及转换模块安装于开关柜上对温度、抗震性、抗干扰性等进行了进一步分析，并结合本公司的NSC厂站自动化系统，介绍了此方案在220KV变电站的应用情况。
关键词：以太网、TCP/IP、UDP、串口通讯、厂站自动化

引言
以太网作为IT产业的主要通讯骨干，已是众所周知的事实，并已大量的应用在人类生活息息相关的信息产业上，形成一股强大的网络化的潮流。以太网通讯技术在厂站自动化系统中的应用也早已开始，且有一定的运行经验，系统内各智能设备间广泛采用TCP/IP以太网技术，有助于提高数据传输的效率，从而解决串口通讯时信息堵塞或时效性差（如发生大量事件），信息容量限制（如故障录波信息的上传）提供了可能，从而提高整个系统自动化的能力，达到降低成本，提高产品竞争力的目标。

另一方面，目前广泛应用于厂站自动化的大量国内外保护设备及其他智能设备（IED）都只具有传统的RS-232/422/485通讯接口，有的具有Profibus,Lonworks,CAN等现场总线接口，新的具有以太网的间隔级单元正处在开发和试用阶段，大规模的应用还有一段时间，而且老站改造时通过外部转换使其具备上网能力可能更符合实际要求，这就给本文探讨的问题提供了现实性与应用的可能性。

1、实现网络化的必要性
目前国内外的厂站自动化系统，其智能电子设备间的通讯连接多以串口连接为主，在站控层有的采用以太网通讯连接，在间隔层有的采用现场总线如Profibus,Lonworks,CAN等连接，当然也有的采用全部设备挂在单、双以太网上的模式。对于采用串口通讯为主的厂站自动化系统，由于串行通讯本身的限制，具有以下几点局限性：
l通讯速率较低，实际应用最多为19200bps。
l站控主单元为系统的核心，起着信息上传和命令下达的核心作用，对其软、硬件的要求很高，一旦出现问题。除间隔单元还能够正常运行外，其站控极的运转将处于不正常状态。
l采用RS-485方式时，通讯效率相对较低，通讯方式只能采用循环问答式，间隔级单元发生谣信变位，保护动作时信息无法主动上传。
l采用RS-232方式时，通讯距离太短，不能大于15米
l采用电缆连接时，各串口线不支持带电插拔。
l各间隔级单元间无法实现直接数据交换
串口设备实现上网后，为以上问题的解决提供了硬件可能，当然还需一定的软件配套改进，这些会在下面进一步分析。应该指出的是，实现间隔间设备自身具备以太网接口能力才是最终的解决方案，但这一点对既有产品来说，是不太现实的。另一方面，串口设备上网需增大系统的成本，且在一定程度上增加通讯的故障点和环节，对某些不必要的应用场合不推荐使用。
2、实现网络化的可行性
以太网是采用冲突检测载波仪监听多点访问（CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With COLLISION detection）机制解决通信介质层竞争问题的，这造成了以太网通信响应的不确定性，也是长期以来它应用到工业现场设备中的主要障碍。
随着以太网技术的快速发展，目前通信速率一般达到10Mb/s，100Mb/s的快速以太网也已开始广泛应用，使以太网通信实时性得到了增强。使用交换式集线器代替共享式集线器，将网络冲突域细化，各端口发送来的数据报文不会在所有端口上广播发送，减小了冲突的可能性，使以太网通信确定性加强。
所以，在工程实施过程中采用通信速率高的快速以太网组网，并且使用交换式集线器，使串口设备上网是完全可行的。
3、方案设计
以下就不同功能，不同工作环境，不同应用间隔下的设备，其串口网络化提出了不同的方案：
3.1  35KV及以下就地安装保护监控一体化单元
此类单元和站控主单元间连接的老方案和新方案如图1所示：

  

一般来说，此部分设备就地安装在开关柜上，原方案中它们和主单元通讯电缆或光缆较长，铺设在电缆沟内，新方案中通讯电缆或光缆数量不变，但采用电缆连接时电缆型号改变，新方案一各单元共挂在一条RS-485总线上，其和站控层设备间信息交换仍采取问答式，各单元无法主动上传信息，新方案二各单元通过网络设备服务器直接挂在站控层以太网上，其信息交换可采用问答式和主动上送相结合的非平衡传输方式。
3.2   110KV及以上线路及主变测控单元
此类单元和站控主单元间通讯连接的老方案和新方案如图2所示：


新方案二适合于高压间隔测控单元和站控主单元不在同一房间距离较远的场合，此时两者间的通讯电缆或光缆只有一根。
3.3  外部智能设备
由于外部智能设备串口通讯规约（可能仅支持问答式）、通讯接口能力的限制，及对其信息交互的实时性要求相对较低，可维持其原和站控主单元串口通讯的方式，若有上网条件或需要，可采取图1b)和图2b)两种方案。

4、用串口 上网技术后要解决的几个问题
4.1如何满足工业现场的环境要求
设备在恶劣环境下的可靠性是用户最关心的问题，如何使以太网产品能象工控机，间隔保护、测控单元及PLC一样可以长期可靠运行在恶劣现场条件下是我们需要解决的第一个问题。工业现场要求以太网产品能具有以下特点：
l可以在较宽温度条件下可靠工作，一般为-5℃~+55℃，特殊要求为-40℃~+80℃
l应具有适合工业安装的方法，如DIN标准导轨安装，19“机架等及坚固的防震、防腐蚀、防湿、防爆等措施。
l应能长期、可靠、不间断的使用，最好能达到10~20年。
l应使用高可靠的机械、电气结构，防止缩短设备寿命的环境问题，最好不使用风扇，使用冗余措施增加系统的可靠性，如冗余的电源输入。
目前国内外许多通讯设备供应商如MOXA、研华等，也注意到了以上需要，相继开发了一系列工业用网络设备，包括工业以太网交换机，工业串口网络转换器等，它们大都具有更广泛的温度范围，具有冗余的电源输入，适合现场方便、快速安装，高平均无故障时间，符合IEC等相关标准，成为厂站自动化系统集成时的首选产品。
4.2如何提高信息交换的实时性和容量
串口设备上网为系统内各单元间信息交换向高实时性，大容量方向发展创造了条件，那种仅采用以太网通讯代替原有出串口通讯，而不作相应通讯规约，通讯波特率等的改进是没有太大意义的，而且还人为地增加了通讯故障的产生环节。
4.2.1通讯规约或方式的重新选择
这一点对原来采用RS-485总线通讯的设备尤为重要，RS-485的通讯方式为半双工，其通讯只能采用一问一答的方式，而且在总线转换过程中需要一定的延时，当总线上有设备退出运行或故障时，用于等待此设备的回答又需占用部分总线的时间，这些都大大限制了通讯的实时性。采用图1c)方案后，各单元独立挂在以太网上，相互间无通讯时间配合限制，可采用主动上送和问答两种结合的模式，正常情况下仍采取问答方式，发生测量越限、状态变位、保护事件发生等情况时，可将信息立即上送，这样的话，原采用IEC870-5-103平衡方式传输的可采用非平衡方式传输。
4.2.2串口部分通讯速率的提高
限于通讯距离、抗干扰能力及软件流控等因素，原来站控主单元和各间隔设备间采用RS-232/485通讯时，通讯波特率一般为9600bps，有时采用19200bps或38400bps，采用串口上网技术后，以太网部分的通讯速率可达10M/100M，串口部分由于通讯距离大大缩短，采用高速率通讯已经有了技术保证，而且从实际试验及运行效果看，将此部分通讯波特率提高至38400bps是可行的。
4.2.3软件移植的方便性
站控主单元与各监控单元间网络通讯编程可采用两种套接口方式，即UDP套接口和TCP套接口。众所周知，UDP是一个简单的、不可靠的、无连接的协议，而TCP是一个复杂的、可靠的、面向连接的协议。如果采用TCP方式，站控主单元与监控主单元将有一个可靠的数据传输服务，这会保证站控主单元与监控单元间的通讯报文不会丢失，也不会重复，但是也会占用较多的网络资源，增加网络负载，在监控单元较多时不宜采用，如果采用UDP方式，就需要站控主单元与监控单元的应用进程能够处理报文丢失重传以及报文重复等情况，由于老方案中各种监控单元与站控主单元间可以采用UDP接口方式进行通讯。在确定使用UDP方式进行通讯后，软件移植工作就变得比较简单，只需将原有程序中发送数据报文至某一串口改为发送至以太网口某一网址即可。
4.2.4通讯媒介的选择
与电缆相比，光缆具有抗干扰能力强，传输距离长等优点。目前商业用以太网通讯媒介多采用非屏蔽双绞线10Base T或100Base T,应用于变电站内其抗电磁干扰的能力不强。一般来说，对于主控室内屏柜内部或后台计算机间可仍采用非屏蔽双绞线，而对于屏柜间，继电器小室和主控室间及开关室和主控室间的通讯连接，宜采用光纤（10Base FL或100Base FX方式）。
4.2.5以太网设备的电源控制
对于图1b）、c)方案中的串口以太网转换器，由于其直接安装在开关柜上继电器小室内，故其外部电源输入应采取直流220V或110V直接输入方式，不宜采用直流24V/12V等电源变换输入方式，其应能在额定工作电源的±20%范围内能可靠工作。
4.2.6间隔设备间直接通讯的可能性
对图1c)和图2c)的方案中，由于间隔级设备已直接挂在以太网上，它们间可以实现互相通信，这就解决了以前方案中间隔级设备间无法直接互通的问题，对于系统间隔间联锁问题，这样要对某一间隔的某一对象进行相应分、合操作，该间隔单元不仅能根据它本身所采的本间隔信号状态，而且可以通过通讯获得其他间隔的信号状态，来判断是否可进行相应操作，而以前这些工作主要在站控主单元软件中处理完成，提高了实时性和减少了对系统站控主单元的依赖性。
4.2.7串口设备上网后站控主单元功能的变化
在原方案中，站控主单元在整个系统中起着核心作用，所有的信息上传和命令下达都须经过它来完成。间隔级设备直接上网后，一种模式为原有信息处理方式不变，即主单元仍起着通信管理功能，将数据预处理后再向当地后台和调度上送，对当地后台和调度的操作命令，也采取由主单元先解释再向各个间隔单元分配执行的方式。另一种模式为，站控主单元弱化为远动工作站的功能，主要承担向调度、集控站转发信息和同未上网串口设备的通信功能，而各系统内间隔保护、测控单元的信息直接到后台，当然也到主单元，后台的操作命令也以广播的方式直接到各间隔单元，各间隔单元根据操作对象号进行相应的处理，集控站的操作命令还经过主单元再到各间隔单元。从目前应用的情况来看，我们仍采取第一种模式为好，为增加可靠性，可在当地后台中内嵌主单元软件模块，正常时处于热备用状态，当主单元发生故障时，启动主单元功能软件，并和原后台软件同时运行，以免系统瘫痪，这在以前方案是不可行的，因为当地后台无法驱动主单元的各扩展串口，单内嵌软件无法实现和间隔设备的通信。
5、工程实践
目前，串口上网技术已经应用到了工程实施中，如江苏某220KV变电站综合自动化系统，其系统结构如图3所示：


串口设备上网后，使得厂站自动化系统结构变得简单，两台前置机，一台值班，一台热备用，值班的前置机通过以太网将监控单元的信息采集到站控级，部分不能直接上网的其他智能设备通过一台通讯管理机沿用传统的方式采集信号，然后送至值班的前置机，值班的前置机再将信号送至当地后台和远方调度，同时将实时数据热备份到备用的一台前置机，当值班的前置机发生故障时，备用的前置机将自动升级为主机值班执行信号采集任务。

6、结束语
综上所述，厂站自动化系统中串口设备上网后，系统内信息传输实时性更高。设备间互访更灵活、方便，从而提高了整个系统的可靠性，实时性和可扩充性。应该再次强调的是，对那些系统内信息量不大，实时性要求不太高，原有系统功能上能满足要求的厂站自动化系统，没必要实施以上改造，否则不仅增加了成本，而且增加了中间环节和故障点。

参考文献：
1、MOXA 串行通讯网络系统集成方案技术讲座，台湾四零四科技股份有限公司，2002，4
2、ADAM-4570，ADAM-4572以太网到RS-232/422/485转换器说明书，台湾研华科技股份有限公司，2001，12
3、KARL ZIMMERMAN,SUBSTATION Communication
4、UNIX网络编程（第二版） 第一卷；套接口API 和X/OPEN传输接口API，施振川等译，ISBN7-302-03548-2/TP.1949