數(shù)字式通訊管理機(jī)的可靠通訊方法研究

【摘 要】在電力、能源與化工等自動化工業(yè)控制領(lǐng)域中，現(xiàn)有技術(shù)工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)與智能電子設(shè)備（IED）之間的通訊組網(wǎng)方式是：將一定數(shù)量的智能電子設(shè)備串接為一組作為一個通訊總線，然后將該通訊總線連接到通訊管理機(jī)的通訊采集端口進(jìn)行該通訊總線上各智能電子設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，這種傳統(tǒng)通訊方式當(dāng)總線因故中斷后，尤其當(dāng)重要監(jiān)控智能電子設(shè)備的通訊中斷后，對整個工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響。本研究旨在避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，對現(xiàn)有技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中智能電子設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種通訊穩(wěn)定可靠、兼容性強(qiáng)的智能電子設(shè)備可靠通訊的方法。

【關(guān)鍵詞】通訊管理機(jī)；菊花鏈冗余；雙端口冗余；雙協(xié)議冗余

一、背景技術(shù)

在電力、能源與化工等自動化工業(yè)控制領(lǐng)域中，現(xiàn)有技術(shù)工業(yè)控制監(jiān)控系統(tǒng)與智能電子設(shè)備（IED）之間的通訊組網(wǎng)方式是：將一定數(shù)量的智能電子設(shè)備串接為一組作為一個通訊總線，然后將該通訊總線連接到通訊管理機(jī)的通訊采集端口進(jìn)行該通訊總線上各智能電子設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，這種單通訊端口獨(dú)立總線運(yùn)行的方式，常常由于通訊總線因故斷開后，導(dǎo)致該通訊端口上連接的所有智能電子設(shè)備通訊的中斷。如圖1所示，圖中各字母含義如下：

LANx，表示通訊管理機(jī)的第幾個以太網(wǎng)口，如LAN1表示第一個以太網(wǎng)口；

Px，表示通訊管理機(jī)的通訊串口編號，如P1表示第一個串口；

IEDxy，表示第幾個總線上的第幾個智能電子設(shè)備，如IED11表示總線1上的第1個智能電子設(shè)備；IED2n則表示總線2上的第n個智能電子設(shè)備；

Prx，表示端口協(xié)議，如Pr1表示端口協(xié)議1。

智能電子設(shè)備都是通過獨(dú)立串行總線連接通過通訊端口連接到通訊管理機(jī)上的，各總線之間沒有通訊，由于采用的是單協(xié)議單端口的通訊方式，當(dāng)總線因故中斷后，尤其當(dāng)重要監(jiān)控智能電子設(shè)備的通訊中斷后，對整個工業(yè)控制系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行造成極大影響。

另外，如果通訊總線上各個智能電子設(shè)備有兩個不同通訊協(xié)議端口時，由于通訊協(xié)議不統(tǒng)一，導(dǎo)致通訊組網(wǎng)時難以將對不同通訊協(xié)議的智能電子設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，而只能采取接入其中一個協(xié)議端口的方案，這樣，就使得不同通訊協(xié)議端口的智能電子設(shè)備不能接入到一個通訊總線上來，導(dǎo)致兼容性太差，且浪費(fèi)了智能電子設(shè)備的資源。如圖12所示，各種具有雙協(xié)議的智能電子設(shè)備只能通過相同協(xié)議的端口連接到通訊總線上來，且各總線之間沒有通訊，大大浪費(fèi)了設(shè)備資源

二、原理研究

本研究旨在避免上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，對現(xiàn)有技術(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)中智能電子設(shè)備通訊網(wǎng)絡(luò)組態(tài)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種通訊穩(wěn)定可靠、兼容性強(qiáng)的智能電子設(shè)備可靠通訊的方法。

為實現(xiàn)本研究目的，提出一種智能電子設(shè)備可靠通訊的方法，智能電子設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)包括后臺監(jiān)控系統(tǒng)、交換機(jī)、通訊管理機(jī)和智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)；所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)包括至少一個智能電子設(shè)備IED；所述智能電子設(shè)備IED包括單協(xié)議端口設(shè)備和雙協(xié)議端口設(shè)備；尤其是，所述通訊管理機(jī)包括至少兩個通訊端口；所述后臺監(jiān)控系統(tǒng)和所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)之間可靠通訊的方法包括如下步驟：

1、采集準(zhǔn)備監(jiān)控的所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED的基本信息；

2、將確定被監(jiān)控的智能電子設(shè)備組成智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)，并將該智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)和所述通訊管理機(jī)的通訊端口連接；

3、根據(jù)步驟1中所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED的基本信息來確定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備組態(tài)；

4、建立包括監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)信息的通訊網(wǎng)絡(luò)工程文件；

5、將步驟4所述的通訊網(wǎng)絡(luò)工程文件配置完成后即可生成通訊管理機(jī)主程序，根據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備組態(tài)確定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)冗余方式。所述的通訊端口為通訊管理機(jī)上的串口。

步驟1所述的采集準(zhǔn)備監(jiān)控的所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED的基本信息，包括采集所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED的標(biāo)識符ID及其可運(yùn)行的通訊協(xié)議、智能電子設(shè)備的數(shù)量、智能電子設(shè)備的重要程度。

步驟2所述的智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)連接方式為線型、星型、環(huán)網(wǎng)或菊花鏈?zhǔn)健Ｋ龅耐ㄓ嵐芾頇C(jī)為兩個以上時，各通訊管理機(jī)之間用UDP方式連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)同步或切換控制。

步驟3所述確定監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備組態(tài)包括如下步驟：如果所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED均為單協(xié)議端口設(shè)備，就采用通訊端口冗余的方式；如果所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED均為雙協(xié)議端口設(shè)備，就采用協(xié)議冗余或端口協(xié)議混合冗余方式；根據(jù)所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)中智能電子設(shè)備IED數(shù)量及其監(jiān)控的重要程度確定通訊管理機(jī)冗余方式。

所述通訊端口冗余是將通訊管理機(jī)上的通訊端口根據(jù)主/從通訊端口的先后順序進(jìn)行通訊端口的通訊冗余定義；所述協(xié)議冗余是將所述具有雙協(xié)議端口的智能電子設(shè)備IED根據(jù)協(xié)議口的主/從協(xié)議口先后順序進(jìn)行通訊冗余定義；所述通訊管理機(jī)冗余是為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)配置兩臺以上的通訊管理機(jī)來連接所述智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)。

步驟4所述的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)信息包括智能電子設(shè)備子網(wǎng)絡(luò)信息、通訊管理機(jī)信息、通訊管理機(jī)通訊端口信息、通訊端口運(yùn)行的通訊協(xié)議和設(shè)置通訊管理機(jī)通訊端口的冗余關(guān)系。

步驟5所述的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)冗余方式包括：單通訊管理機(jī)雙通訊端口冗余方式、單管理機(jī)雙協(xié)議冗余方式、雙通訊管理機(jī)雙通訊端口冗余、雙通訊管理機(jī)雙協(xié)議冗余和雙通訊管理機(jī)雙協(xié)議雙通訊端口冗余方式。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本研究具有以下有益效果：

1、智能電子設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)通訊穩(wěn)定可靠；本研究改變了現(xiàn)有技術(shù)智能電子設(shè)備通訊組網(wǎng)方式，將通訊管理機(jī)通訊端口的采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余處理，采用了單管理機(jī)雙端口冗余、單管理機(jī)雙協(xié)議冗余、雙管理機(jī)雙端口冗余、雙管理機(jī)雙協(xié)議冗余或雙管理機(jī)雙端口雙協(xié)議的冗余模式，這種有效地組網(wǎng)策略和設(shè)備組態(tài)，將智能電子設(shè)備按照通訊端口冗余的方式擴(kuò)展了智能電子設(shè)備和通訊管理機(jī)的通訊鏈路，形成了設(shè)備通訊的熱備份，保證了智能電子設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)通訊的可靠穩(wěn)定。

2、兼容性強(qiáng)；現(xiàn)有技術(shù)智能電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)只能接入相同協(xié)議的智能電子設(shè)備，本研究為智能電子設(shè)備定義了兩套參數(shù)，組成端口協(xié)議冗余模式，可以將具有兩個協(xié)議端口的智能電子設(shè)備同時接入同一通訊網(wǎng)絡(luò)，使得任何種類的智能電子設(shè)備都能接入網(wǎng)絡(luò)，兼容性更強(qiáng)。

三、方案實施

具體實施方式 以下結(jié)合附圖所示之優(yōu)選實施例作進(jìn)一步詳述。根據(jù)工程實際情況，首先需要對準(zhǔn)備建立通訊監(jiān)控的智能電子設(shè)備進(jìn)行基本信息整理（包括采集的點(diǎn)及運(yùn)行的通訊協(xié)議），確立智能電子設(shè)備的組網(wǎng)方案。基本原則是：如果智能電子設(shè)備只有一個通訊協(xié)議口，那么就采取端口主/從冗余的方式；如果智能電子設(shè)備支持兩個協(xié)議端口，那么就需要考慮端口協(xié)議冗余或雙端口雙協(xié)議冗余方式。另外，根據(jù)智能電子設(shè)備數(shù)量的多少及監(jiān)控的重要程度，確定需要的管理機(jī)數(shù)量及管理機(jī)冗余的方式。在工程設(shè)計中，針對不同的使用情況，將通訊管理機(jī)進(jìn)行靈活的組網(wǎng)，可以配置為單管理機(jī)雙端口冗余、單管理機(jī)雙協(xié)議冗余、雙管理機(jī)雙端口冗余、雙管理機(jī)雙協(xié)議冗余、雙管理機(jī)雙協(xié)議雙端口冗余的數(shù)據(jù)冗余組網(wǎng)方式。

按照上述工程中的實際情況，本研究可有多個實施例，下面根據(jù)數(shù)據(jù)冗余組網(wǎng)方式來對實施例進(jìn)行描述。

實施例一：單管理機(jī)雙端口冗余組網(wǎng)方式。

圖2所示是單管理機(jī)雙端口冗余組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式將智能電子設(shè)備IED串接在一起，引出的兩根主干線分別接到通訊管理機(jī)的兩個通訊串口上。通訊管理機(jī)的兩通訊串口是主/從工作方式，兩通訊串口不同時工作，分為工作口和備用口，工作口具備收發(fā)權(quán)限，備用口無發(fā)送權(quán)限，處于端口數(shù)據(jù)流檢測狀態(tài)。當(dāng)工作端口無數(shù)據(jù)流時，具備發(fā)送權(quán)限的工作端口停止發(fā)送數(shù)據(jù)，將權(quán)限交給備用口，由備用口啟動發(fā)送權(quán)限。P1口的主干線因故斷開后，作為備用口德P2口不能檢測到端口的數(shù)據(jù)流，此時，P1口主動停止本端口的報文發(fā)送，P2口停止數(shù)據(jù)流檢測接受發(fā)送權(quán)限，改由P2口去完成智能電子設(shè)備的通訊。這樣，當(dāng)其中一個通訊主干線因故斷開后，就可以很快地由備用端口進(jìn)行通訊管理，保證了智能電子設(shè)備和后臺監(jiān)控系統(tǒng)通訊的實時可靠。

實施例二：單管理機(jī)雙協(xié)議端口冗余組網(wǎng)方式。

圖3所示是單管理機(jī)雙協(xié)議端口冗余組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式的通訊主干線同樣有兩路網(wǎng)絡(luò)分支，不同的是兩路網(wǎng)絡(luò)分支所運(yùn)行的通訊協(xié)議可以不同，分主從協(xié)議口，每個智能電子設(shè)備信息點(diǎn)包含兩套參數(shù)分別對應(yīng)不同的兩種協(xié)議，智能電子設(shè)備兩個協(xié)議端口正常時都處于收發(fā)狀態(tài)，但只有主協(xié)議口可以完成參數(shù)設(shè)置或控制及事件處理，并且每一智能電子設(shè)備兩協(xié)議端口控制權(quán)限可以交互。當(dāng)工作端口所有智能電子設(shè)備通訊都中斷后，則控制權(quán)限交給冗余協(xié)議端口完成。如果某智能電子設(shè)備其中一個協(xié)議端口通訊中斷后，也可由該智能電子設(shè)備的另一個協(xié)議端口去完成通訊。當(dāng)協(xié)議口P1的Pr1協(xié)議掛接的所有智能電子設(shè)備通訊中斷后，則可以通過協(xié)議端口P2的Pr2協(xié)議繼續(xù)進(jìn)行通訊；如果智能電子設(shè)備IED11的Pr1協(xié)議端口故障不能通訊中斷后，IED11的信息采集由Pr2協(xié)議口通過P2端口去完成。這樣解決了智能電子設(shè)備雙協(xié)議不能同時接入的問題。

實施例三：雙管理機(jī)雙端口冗余組網(wǎng)方式。

圖4所示是雙管理機(jī)雙端口冗余組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式由兩臺通訊管理機(jī)組成，也即雙管理機(jī)方式；該組網(wǎng)方式將智能電子設(shè)備IED串接在一起，通訊主干線同實施例一相同，也有兩路網(wǎng)絡(luò)分支，但是兩路網(wǎng)絡(luò)分支分別接入到兩臺通訊管理機(jī)通訊端口上，通訊管理機(jī)之間用UDP方式連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)同步或切換控制。在該種方式下，兩通訊管理機(jī)的智能電子設(shè)備信息點(diǎn)完全一致，采用熱備份工作方式，可完成對多客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，兩臺通訊管理機(jī)都可以進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

實施例四：雙管理機(jī)雙協(xié)議冗余組網(wǎng)方式。

圖5所示是雙管理機(jī)雙協(xié)議冗余組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式由兩臺通訊管理機(jī)組成，具有雙協(xié)議端口的智能電子設(shè)備通過兩路網(wǎng)絡(luò)分支分別和通訊管理機(jī)相連，在該種方式下，兩通訊管理機(jī)接入的智能電子設(shè)備是完全一致的，兩通訊管理機(jī)之間通過UDP方式連接為熱備份工作方式，可完成對多客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，兩臺通訊管理機(jī)之間可以進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。該方式將本通訊管理機(jī)雙端口協(xié)議冗余后再把智能電子設(shè)備相同協(xié)議的兩端口進(jìn)行端口冗余，可以充分保證智能電子設(shè)備信息采集的可靠。在該種工作方式下，通訊管理機(jī)的通訊口分為主協(xié)議主口、主協(xié)議從口、從協(xié)議主口、從協(xié)議從口這四種類型。這幾種協(xié)議端口的優(yōu)先權(quán)限按如下過程循環(huán)：主協(xié)議主口、從協(xié)議從口、主協(xié)議從口、從協(xié)議主口。

實施例五：雙管理機(jī)雙端口雙協(xié)議冗余組網(wǎng)方式。

圖6所示是雙管理機(jī)雙端口雙協(xié)議冗余組網(wǎng)方式，該組網(wǎng)方式在將本通訊管理機(jī)雙端口協(xié)議冗余后再把通訊管理機(jī)相同協(xié)議的兩端口進(jìn)行端口冗余，可以充分保證設(shè)備信息采集的可靠。在該種工作方式下，通訊管理機(jī)的通訊口分為主協(xié)議主口、主協(xié)議從口、從協(xié)議主口、從協(xié)議從口這四種類型。這幾種類型口的優(yōu)先權(quán)限按如下過程循環(huán)：主協(xié)議主口、從協(xié)議從口、主協(xié)議從口、從協(xié)議主口。

通過以上四種端口類型的邏輯優(yōu)先權(quán)限的判斷，然后以UDP信息同步的方式交互兩通訊管理機(jī)的信息，以達(dá)到兩通訊管理機(jī)間不同端口類型的報文收發(fā)及控制權(quán)限的管理。兩通訊管理機(jī)的遙測、遙脈以變化率方式同步，事件、遙信變位和控制命令則實時同步。這樣有效地控制了網(wǎng)絡(luò)流量，又由于兩通訊管理機(jī)間是以非連接的UDP方式進(jìn)行信息同步，可以很好地提高實時性，同時也起到了可靠通訊的目的。

通過以上五種實施例的組網(wǎng)方式，智能電子設(shè)備的通訊組網(wǎng)方式確定后，就需要配置該工程的設(shè)備組態(tài)。在應(yīng)用中，先建立一個工程文件，以后該工程的設(shè)備組態(tài)信息都在該工程目錄中，然后在該工程節(jié)點(diǎn)下添加需要的通訊管理機(jī)，再為各通訊管理機(jī)添加通訊串口，并設(shè)置串口運(yùn)行的通訊協(xié)議，接著設(shè)置通訊管理機(jī)串口間的冗余關(guān)系（端口冗余或協(xié)議冗余）。這樣，基本的組網(wǎng)策略就配置完成了。剩下的工作就是為通訊管理機(jī)的通訊口添加智能電子設(shè)備及設(shè)備采集的信息點(diǎn)。當(dāng)智能電子設(shè)備的信息點(diǎn)添加完成后，再為轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議端口添加需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息點(diǎn)。如果是雙通訊管理機(jī)冗余方式，還需要配置好完成數(shù)據(jù)同步的以太網(wǎng)端口的IP地址，這是完成雙通訊管理機(jī)冗余的關(guān)鍵。這些配置都完成后，就可以生成通訊管理機(jī)運(yùn)行所需的設(shè)備配置文件，然后下載到通訊管理機(jī)，引導(dǎo)通訊管理機(jī)協(xié)議程序運(yùn)行，進(jìn)行配置文件正確性的基本檢測。

當(dāng)通訊管理機(jī)的設(shè)備配置文件檢測正確后，根據(jù)前面確定的組網(wǎng)方案，就需要搭建整個網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)平臺。這時需要完成的工作是：連接智能電子設(shè)備的串口通訊線至對應(yīng)的通訊管理機(jī)通訊端口；將智能電子管理機(jī)的以太網(wǎng)口連至相應(yīng)的交換機(jī)，并與轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控端后臺或遠(yuǎn)方調(diào)度連接起來。

四、結(jié)論

上述數(shù)字式通訊管理機(jī)的通訊方案的研究，提出了一種可靠性通訊的解決方法，能適應(yīng)各種組網(wǎng)應(yīng)用的可靠性要求，并已獲得了國家發(fā)明專利。該方法已廣泛應(yīng)用于公司電力自動化工程的實施，運(yùn)行穩(wěn)定，贏得了用戶的一直好評。