無人值守能源平臺數(shù)據(jù)通信設計探析

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摘要：無人值守能源平臺為南極科考設備提供能源動力，發(fā)電機組是整個平臺的核心部分。為保障發(fā)電機組正常運行，結(jié)合硬件設備的特點，設計了基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，實現(xiàn)了上位機PC104與發(fā)電機組之間的數(shù)據(jù)通信，以防止PLC出現(xiàn)故障后，導致發(fā)電機組失聯(lián)。經(jīng)試驗通過該數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可以穩(wěn)定采集發(fā)電機組實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，遠程控制發(fā)電機組啟停，提高了無人值守能源平臺的可靠性。

關鍵詞：發(fā)電機組；PC104；RS-485；可靠性

0引言

無人值守能源平臺主要包括結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、現(xiàn)場主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、通信及監(jiān)控系統(tǒng)，其中電源系統(tǒng)為整個平臺的運行提供電源保障[1]，主要由5臺發(fā)電機組組成，其運行狀況的好壞直接影響到平臺的工作性能。平臺必須時刻保持對發(fā)電機組的監(jiān)測，可以實時采集發(fā)電機組運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能遠程控制發(fā)電機組啟停。本文對通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有硬件設施的特點設計了基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，上位機PC104可以通過該通道直接與發(fā)電機組進行通信，采集發(fā)電機組的實時運行數(shù)據(jù)，控制發(fā)電機組啟停，提高系統(tǒng)的可靠性。

1無人值守能源平臺數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)介紹

無人值守能源平臺的現(xiàn)場主控系統(tǒng)用PLC控制器通過I/O模塊實現(xiàn)對下層設備的數(shù)據(jù)采集，遠程控制設備的啟停[2]。上位機通過與PLC的通信，將采集到的數(shù)據(jù)進行分類存儲，并將數(shù)據(jù)傳回國內(nèi)監(jiān)控中心。但是無法保證PLC不會出現(xiàn)死機情況，一旦PLC出現(xiàn)故障，會導致設備處于失聯(lián)狀態(tài)，很可能導致系統(tǒng)崩潰。結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有的硬件特點在通信系統(tǒng)上增加備用數(shù)據(jù)通道，當PLC出現(xiàn)故障時，可以將數(shù)據(jù)通道切換到該備用通道，使PC104仍可保持與發(fā)電機組的聯(lián)系。電源系統(tǒng)中的發(fā)電機組選用GOOYO品牌的發(fā)電機，該發(fā)電機配備KP310V1.0控制器，用于控制單臺發(fā)電機組的啟動與停止，監(jiān)控機組的運行狀態(tài)，遠程操作機組的開機與停機，機組運行數(shù)據(jù)的測量，報警保護等功能。KP310V1.0控制器提供有TTL電平接口，可以通過該接口與PC104直接連接，作為備用數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)利用PC104提供的軟件運行環(huán)境，設計程序通過備用數(shù)據(jù)通道定時采集機組運行數(shù)據(jù)，必要時也可以遠程控制發(fā)電機組的啟停。

2數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)設計

2.1通訊協(xié)議

MODBUS是工業(yè)上常用的標準通訊協(xié)議，可以支持多種電氣接口，如RS-232/422/484等，數(shù)據(jù)幀格式簡單，可靠性高[3]，KP310V1.0控制器的數(shù)據(jù)幀如圖1。MODBUS網(wǎng)絡只有一個主機，由主機發(fā)起通訊請求，支持多個從機設備，每個從機有自己唯一的地址碼[3]。在本系統(tǒng)中，上位機PC104作為主機發(fā)起通訊請求，5臺發(fā)電機組作為從機響應主機請求，波特率為19200，從機地址設置為1-5。功能碼為03，讀取模塊數(shù)據(jù)；功能碼為10，寫入模塊數(shù)據(jù)。起始地址為要讀取或?qū)懭氲募拇嫫髌鹗嫉刂罚唧w的數(shù)據(jù)點位可參照廠家提供的點位表。校驗碼采用CRC-16/MODBUS計算方式。

2.2硬件連接設計

RS-485是一種工業(yè)串口通信接口標準，采用差分傳輸方式，相較于RS-232和RS-422標準，通信速率更高，通信距離更遠，一根傳輸線路上可以接入多個節(jié)點的接收設備，其中一個節(jié)點為主機，其余節(jié)點為從機，從機之間不可相互通信。RS-485擴大了總線信號的共模范圍，并增大發(fā)送設備的驅(qū)動能力和沖突保護機制，傳輸長度可達1000m，最大傳輸速率可達10Mb/s[4-5]。因此選用RS-485串口通信作為總線通信模式。PC104采用了雙機冗余的設計模式，主備機通過交換機與其他設備進行通信[6]，故將RS-485通信轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)，從而與PC104進行通信。選用risym的TTL轉(zhuǎn)485模塊，可以實現(xiàn)TTL與485信號的相互轉(zhuǎn)換，該模塊采用工業(yè)級設計，抗干擾能力強，工作溫度為-40～85℃，傳輸距離可達千米。選用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊可以提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡功能，能夠?qū)S-485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡接口，該模塊配備優(yōu)化的TCP/IP協(xié)議棧，穩(wěn)定可靠，能快速實現(xiàn)RS-485串口與TCP/IP網(wǎng)絡接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，工作溫度為-40～80℃，適用于艙內(nèi)的環(huán)境要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。硬件連接方法如下：發(fā)電機組上保留了一個九針串口與KP310V1.0控制器對應的通信端相連，對應串口引腳定義2-RXD（接收數(shù)據(jù)），3-TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)），5-GND（地線）。使用串口線，將這三個引腳與TTL轉(zhuǎn)485模塊上對應的RX-D,TXD和GND引腳相連，模塊另一端便可以輸出RS-485信號。再用杜邦線將TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊與RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的A，B信號接口對應連接。將RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的網(wǎng)絡接口用網(wǎng)線與交換機連接，則可以實現(xiàn)PC104與發(fā)電機組的硬件連接。

2.3軟件設計

南極現(xiàn)場上位機采用性能穩(wěn)定的工業(yè)級計算機pc104，其上安裝了linux系統(tǒng)和gcc編譯工具，在此基礎上采用C語言進行程序開發(fā)[7]。TCP是面向連接的協(xié)議，建立于服務端與客戶端之間，每次發(fā)出的請求都需要對方確認。客戶端主動向服務端發(fā)送SYN報文，并進入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務端回復。服務端收到報文后向客戶端回復確認信息和SYN報文，此時服務端進入SYN_RECV狀態(tài)?？蛻舳耸盏交貜秃?，向服務端發(fā)送確認包，之后客戶端和服務端都進入ESTABLISHED狀態(tài)，成功建立連接。以上過程被稱為三次握手，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，客戶端與服務端之間通過四次揮手向?qū)Ψ桨l(fā)送確認包釋放TCP連接。RS-485轉(zhuǎn)網(wǎng)絡模塊通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡調(diào)試助手USR-TCP232-M4進行配置，波特率設置為19200，透傳方式選擇TCPserver模式，配置模塊局域網(wǎng)IP為192.168.1.117，端口為23號端口，該IP地址和端口號用于服務端與客戶端之間建立TCP連接，該模塊作為TCP連接中的服務端，監(jiān)聽設定的23號端口是否有TCP客戶端連接。在上位機程序的配置文件Config.ini中可以配置建立TCP連接的目的IP地址和端口號，從機數(shù)量，從機地址，功能碼，數(shù)據(jù)起始地址，查詢數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)存儲位置。發(fā)電機組可以通過控制器設置唯一通訊地址，按照配備的說明書操作，將5臺發(fā)電機組的地址依次設置為1～5。在配置文件中配置從機數(shù)量為5，從機地址分別為1～5，功能碼為03（讀取數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)起始地址為0×1000，查詢數(shù)據(jù)長度設為27，發(fā)電機組的讀取模塊中共有27個INT型數(shù)據(jù)（包括發(fā)電電壓、電流、轉(zhuǎn)速值、累計運行時間、故障狀態(tài)、警告狀態(tài)等），數(shù)據(jù)存儲位置為數(shù)據(jù)文件的存儲路徑，根據(jù)實際需要設置。上位機作為TCP連接的客戶端，初始化程序時，讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化數(shù)據(jù)請求指令，建立套接字，使用connect方法向服務端發(fā)起連接請求，如連接不成功，向PC104的主程序發(fā)送異常消息，主程序可以監(jiān)測個子程序狀態(tài)，并在必要時重啟各程序。連接成功后，用send方法將數(shù)據(jù)請求發(fā)送至服務端（RS-485轉(zhuǎn)網(wǎng)絡模塊），服務端會將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為適合485通訊的格式，發(fā)送給發(fā)電機組。發(fā)電機組收到與自己地址匹配的命令后返回對應的數(shù)據(jù)，如地址不相符，忽略此數(shù)據(jù)請求。上位機通過recv方法接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后，檢查數(shù)據(jù)的長度，并進行CRC校驗，數(shù)據(jù)確保無誤后，將數(shù)據(jù)保存為對應文件夾中以“當前時間”命名的文件中，存儲在南極現(xiàn)場的存儲設備中，以便有需要時進行查詢。本次數(shù)據(jù)請求過程結(jié)束后，等待定時時間到后，再發(fā)起下一次數(shù)據(jù)請求。如果超時未接收到數(shù)據(jù)，關閉套接字并向PC104的監(jiān)控程序發(fā)送消息記錄異常，并結(jié)束本次查詢操作，等待下次查詢請求的發(fā)起，防止程序卡死。當需要通過該通道對發(fā)電機組進行控制時，可以修改配置文件中的功能碼參數(shù)，再向發(fā)電機組發(fā)送數(shù)據(jù)幀，可以實現(xiàn)機組的啟停。程序流程如圖3。

3通信測試結(jié)果分析

按照之前介紹的硬件連接方法，在實際現(xiàn)場中搭建該數(shù)據(jù)通道，并在PC104上通過串口助手進行測試，根據(jù)廠家提供的點位表，發(fā)送數(shù)據(jù)請求，機組地址為01，功能碼為03，讀取模塊數(shù)據(jù)，寄存器起始地址為(1010)，讀取1個寄存器的數(shù)據(jù)，即為(0001)，最后的(0F81)為CRC校驗碼，該數(shù)據(jù)請求的實際意義為讀取發(fā)電機組1的轉(zhuǎn)速值。返回的數(shù)據(jù)中按照通訊格式讀取到轉(zhuǎn)速值為1388（十六進制），轉(zhuǎn)換為十進制為5000，與機組默認值一致，由此可知數(shù)據(jù)接收情況良好，如圖4所示。上位機和發(fā)電機組之間的通信測試結(jié)果如下：將采集周期設置為30min，每采集一次便以當前采集時間命名該數(shù)據(jù)文件，文件保存結(jié)果如圖5所示。將配置文件中的功能碼改為寫入功能，發(fā)送停止命令，可以現(xiàn)場觀察到發(fā)電機組確實停機。根據(jù)測試結(jié)果可知，PC104通過該數(shù)據(jù)通道可以直接與發(fā)電機組通信，通過程序可以自動實時采集發(fā)電機組運行數(shù)據(jù)，并可以遠程控制發(fā)電機組的啟停。

4結(jié)束語

本文先介紹了南極科考支撐平臺的主要功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮到發(fā)電機組在平臺中的重要性，結(jié)合系統(tǒng)的硬件條件分析后，設計了一條上位機與發(fā)電機組的數(shù)據(jù)通道，并在PC104上開發(fā)了相應的程序?qū)崿F(xiàn)定時采集機組數(shù)據(jù)，并可以遠程控制機組的啟停，提高了系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果顯示該通道滿足數(shù)據(jù)采集和遠程控制發(fā)電機組的需求，可以提高無人值守能源平臺的可靠性和安全性。

作者:劉一鳴 張侃健 葛健 方仕雄 單位:東南大學網(wǎng)絡空間安全學院 東南大學自動化學院