通信管理機軟件系統設計與實現

韓強，劉愛國

（1.山東省建筑設計研究院有限公司；2.安科瑞電氣股份有限公司）

1 引言

通信管理機廣泛適用于SCADA、工業自動化、電力自動化、石油化工和智能交通等行業，在其中擔任著重要的角色。結合通信管理機的使用環境，研究出了一種通信管理機的軟件系統架構，這套軟件系統架構根據使用環境分為兩部分：配置管理軟件和裝置側的軟件系統。配置管理軟件提供豐富的配置、測試、管理和維護接口；裝置側軟件系統提供豐富靈活的API接口，以實時庫為數據核心，使用消息機制處理控制命令，采用多線程任務并行處理的方式，實現了軟硬件系統的隔離，縮短了通信規約的開發時間等。

2 軟件系統架構原則

軟件系統架構的原則主要介紹了軟件系統的功能和目標。

2.1 軟件系統的功能

通信管理機始終位于監控的終端，并且向著調度中心發展，其位于每個IED的終端以及設置之間，是整個變電站自動化通信系統較為核心的單元[1]，其主要的功能有以下四個。

1）高效統一的規約轉換

高效統一的規約轉換包含三方面的內容：①數據采集和數據轉發的轉換，要求采集和轉發是完全隔離和獨立的；②通道的隔離，要求RS-485接口之間、RJ45網絡接口之間和RS-485接口與網絡接口之間是隔離且獨立的；③數據流和控制流的轉換，要求數據流和控制流采用不同的優先級處理，且控制流比數據流的優先級較高。

2）數據處理功能

數據處理功能包括數據存儲和數據二次計算功能。通信管理機要求存儲一定數量的實時、歷史、統計數據等，以供查詢和調用，而且通常存儲空間需要擴展。

3）配置功能

通信管理機需要可以按照現場環境配置工程，通信管理機的參數、通道（RS485串口以及RJ45以太網口和虛擬端口）、設備、虛設備、數據、轉發方案等均可獨立配置，要求人機交互界面友好，操作簡單。

4）管理維護功能

通信管理機具有本地維護端口和遠程維護端口的功能，可提供完備的統一集中式遠程管理平臺進行管理、維護、監控、測試、升級等功能，方便技術和開發人員調試使用。

2.2 軟件系統架構的目標

通信管理機作為監控系統中通信網絡與監測設備之間的樞紐設備，在監控系統中起到重要的作用，這就對通信管理機的性能和功能有很高的要求，所以軟件系統要求滿足五個指標。

1）功能完善

軟件系統架構要求功能完善，必須滿足通信管理機的功能要求。

2）穩、準、快

軟件系統要求穩定性高、精確性高、效率高。穩定性高要求必須保證通信管理機能夠長時間正常運行，能夠隨時監控、管理、維護通信管理機，并有一定的容錯機制，出現錯誤能夠從錯誤中恢復過來，還需要有日志和告警功能。精確性高要求設備側采集的數據、監測儀表中的數據和轉發給后臺的數據是一致的。效率高要求數據采集和控制命令能得到快速的響應，保證規約轉換能夠快速進行。

3）操作簡單

通信管理機配置管理軟件界面友好，配置靈活、安裝方便、操作簡單。

4）可維護性高

采用分層設計的思想，降低硬件和軟件平臺的耦合度，同時對上層提供統一的API接口函數，便于系統的維護。

5）可移植性高

采用跨平臺的語言編碼，可以運行在不同的硬件平臺上，可移植性高。

3 軟件系統架構

軟件系統主要包括兩部分的架構：通信管理機的配置管理軟件和裝置內運行的軟件系統。配置管理軟件運行在Windows環境中，裝置側的軟件系統運行在Linux環境中，PC側的軟件和裝置內的軟件系統通過自定義的內部協議進行通信。

軟件系統的架構如圖1所示。

配置管理軟件提供規約和設備模板的管理、配置管理、在線監控、在線管理、在線維護、集成工具的功能。在線監控包括監控報文、緩沖區報文和實時庫數據三個接口。在線管理包括更新配置、軟件升級、時鐘校時等的接口。在線維護包含通信管理機的日志信息、告警信息、文件管理、重啟裝置等的接口。通信管理機裝置側軟件系統包括主應用進程、監控守護進程、管理維護進程三個進程運行。監控守護進程是監控主應用進程的運行情況和配置管理軟件通信情況。管理維護進程是管理監控守護進程和應用進程的情況。

4 軟件系統架構方案

軟件系統架構根據運行環境不同，包括配置管理軟件和裝置內運行的軟件系統兩部分的架構。

4.1 配置管理軟件方案設計

配置管理軟件是集配置、管理、測試和維護功能于一體的專業軟件，采用標準安裝方式，便于工程調試人員安裝使用。

軟件功能分為兩部分：項目文件配置和管理機管理維護。首先需要配置一個工程文件，然后傳入通訊管理機系統中指定路徑，才能實現通訊管理機的數據采集與數據上傳功能。通訊管理機系統運行時可以進行實時數據監控與系統控制。

圖1 軟件系統架構圖

圖2 工程項目配置界面

4.1.1 項目配置

關于項目文件配置，主要配置項有通道類型、通信規約、通道參數、設備型號、設備參數、設備數據、數據的轉發等。配置界面如2圖所示。

為方便項目配置和配置文件的復用，配置軟件中還提供有規約模板和設備模板的管理，規約模板由廠家提供，而設備模板由工程調試人員配置，可導入導出模板，以便于其他工程項目中使用，加快項目配置的速度。

圖2中配置工程還存在虛擬模塊配置項，此配置項用于實現一些預定義自動化數學計算功能。例如，復雜的二次計算、數據統計和處理等。

4.1.2 項目管理和維護

通信管理機對于工程調試人員相當于黑盒，無法確定通信管理機的運行狀況，所以需要提供較多的測試、管理和維護接口，以便于調試工作的順利進行。

配置管理軟件中提供的管理維護接口有在線監控、管理維護、調試等接口。

1）在線監控

在線監控包括監控實時庫、緩沖區、報文三方面的信息。監控實時庫確定采集到的數據是否正確；緩沖區監控硬件緩沖區接收和發送的數據；報文是監控緩沖區中符合本通道協議的報文。這三方面的監控能確定數據采集和數據轉發的正確性。

2）管理維護

管理維護的功能提供遠程集中管理、時鐘校準、文件管理、更新配置、軟件升級、日志信息、告警信息、重啟裝置等的接口。

①遠程集中管理，提供多臺通信管理機集中管理的接口，可同時升級維護；提供用戶管理的接口，用戶權限的管理和用戶的增加、刪除、修改等。

②時鐘校時，可讀取和設置通信管理機的時鐘。

③文件管理，可下載和上傳通信管理機中的文件。

④更新配置，可在線替換工程配置文件。

⑤軟件升級，可在線升級通信管理機的軟件系統文件。

⑥日志信息，可在線讀取通信管理機日志信息。

⑦告警信息，連接建立之后主動上傳通信管理機的告警信息。

⑧重啟裝置，在線軟重啟通信管理機。

3）調試

調試接口中提供集成工具和在線測試的接口。

①集成工具：包含常用到的規約測試工具、SSH、FTP等工具，便于開發者和技術人員調試。

②測試：配置的工程文件可在Windows環境中運行，測試工程文件配置是否正確。

4.2 裝置側軟件系統方案設計

裝置側軟件系統采用多進程的方案設計，包含管理維護進程、監控守護進程和主應用進程等。其中，管理維護進程啟動監控守護進程，監控守護進程啟動主應用進程。通信規約封裝成動態庫，根據配置采用動態加載的方式運行，可按需擴展。

4.2.1 軟件分層架構設計

裝置側的軟件系統采用分層模塊化的設計思想[2]，主要由四層組成：管理維護層、通信應用層、核心接口層、設備操作層（見表1）。

表1 通信管理機軟件系統分層架構

①管理維護層：由管理維護進程和監控守護進程組成，提供設備軟件系統程序的升級，保證應用進程的正常運行，完成與配置管理軟件的通信。

②通信應用層：由主應用進程和若干規約動態庫組成，完成工程配置文件的解析，動態加載規約文件。

③API接口層：核心動態庫提供對各種硬件接口的直接操作，為通信應用層提供統一的API接口函數，便于完成通信規約的開發和擴展；歷史動態庫封裝了sqlite3嵌入式數據庫，對上層提供數據庫的各種應用接口，便于存儲和統計分析數據；XML動態庫提供XML格式的應用接口。

④設備操作層：提供硬件驅動和操作系統接口，由裝置提供。

4.2.2 軟件主要功能模塊

1）管理維護進程

管理維護進程通過公共文件的方式與監控守護進程通信，完成工程配置文件的更新、軟件系統的升級和備份工程配置文件的啟動。

2）監控守護進程

監控守護進程通過共享內存的方式與主應用進程進行通信，完成監控主應用進程的工作；定時發送心跳報文給主應用進程，若三次未收到應答，則重啟主應用進程，完成了主應用進程的守護工作。

3）主應用進程

主應用進程解析工程配置文件，加載核心動態庫、初始化各功能模塊、加載并運行規約動態庫、啟動備份工程配置文件。

4）核心動態庫

核心動態庫調用設備操作層提供的接口，重新封裝成統一的應用接口，供通信規約開發調用，縮短了規約的開發時間，降低了硬件和軟件的耦合度。

API接口模塊包括配置解析、時鐘管理、實時庫操作、端口操作、自定義通信規約、系統支撐、日志、告警、設備管理、通信處理、應用接口模塊等。

①配置解析：完成工程配置文件的解析，將信息存入相應的數據結構中，供其他模塊調用。

②時鐘管理：包括定時器的操作接口、讀取當前時間、設置時鐘、延時等相關的操作接口。

③實時庫操作：提供實時庫的讀寫接口，完成了設備側規約和主站側規約的隔離和獨立，實現了數據流的高速轉換。

④端口操作：提供了串口、以太網口和CAN口三種通道的打開、關閉、讀、寫操作接口。

⑤自定義通信規約：提供與配置管理軟件通信的接口，完成對通信管理機的管理和維護。

⑥系統支撐：提供線程、互斥鎖、信號量、事件、鏈表等的系統封裝函數，實現軟件的跨平臺運行。

⑦日志：提供啟動、調試和錯誤日志的接口，便于排錯和糾錯。

⑧告警：提供告警信息的接口，實現系統運行故障、容錯機制、升級信息的上報。

⑨設備管理：設備管理使用消息機制實現，提供設備控制的函數接口，實現了控制流的可靠轉換；兩種不同的實現方式，有效地隔離了數據流和控制流。

⑩通信處理：完成通信過程的處理。

?應用接口：提供規約動態庫的加載、釋放等功能。

5）規約動態庫

規約動態庫中的規約分為設備側和主站側，設備側規約負責采集數據，將數據存入實時庫；主站側規約負責轉發數據，讀出實時庫中的數據組包發送給后臺。規約的開發就是調用API接口層的函數，實現具體的規約，如Modbus等。

5 結語

通信管理機軟件系統架構采用分層設計的思想，降低了硬件和軟件、軟件不同層之間的耦合度；API接口層的設計大大縮短了通信規約的開發周期；以實時庫為數據流的核心，以消息機制實現控制流，兩種不同的實現方式，完全將設備側和主站側隔離，數據流和控制流隔離；配置軟件的靈活配置，實現了通道的隔離。實際工程使用中證明，該軟件系統架構的通信管理機穩定性強、可管理維護性高，提高了工作效率和工作水平。