通信管理機軟件系統(tǒng)設計實現(xiàn)

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【摘要】為了縮短通信規(guī)約的開發(fā)時間，提高技術(shù)人員對通信管理機的管理和維護能力，監(jiān)控管理機的實時運行狀況，本文提出了一種通信管理機的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，并介紹了軟件系統(tǒng)的開發(fā)背景和功能指標。通過該軟件系統(tǒng)，可以縮短通信規(guī)約的開發(fā)時間。實際應用結(jié)果表明，該軟件系統(tǒng)可以使技術(shù)人員更方便地監(jiān)控通信管理機的運行狀況，便于管理和維護，達到了設計目標。

【關鍵詞】通信管理；軟件系統(tǒng)架構(gòu)；通信規(guī)約；管理和維護

1引言

通信管理機廣泛適用于SCADA、工業(yè)自動化、電力自動化、石油化工和智能交通等行業(yè)，在其中擔任著重要的角色。結(jié)合通信管理機的使用環(huán)境，研究出了一種通信管理機的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，這套軟件系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)使用環(huán)境分為兩部分：配置管理軟件和裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)。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(cè)軟件系統(tǒng)提供豐富靈活的API接口，以實時庫為數(shù)據(jù)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(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的隔離，縮短了通信規(guī)約的開發(fā)時間等。

2軟件系統(tǒng)架構(gòu)原則

軟件系統(tǒng)架構(gòu)的原則主要介紹了軟件系統(tǒng)的功能和目標。

2.1軟件系統(tǒng)的功能

通信管理機始終位于監(jiān)控的終端，并且向著調(diào)度中心發(fā)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(tǒng)較為核心的單元[1]，其主要的功能有以下四個。1）高效統(tǒng)一的規(guī)約轉(zhuǎn)換高效統(tǒng)一的規(guī)約轉(zhuǎn)換包含三方面的內(nèi)容：①數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)換，要求采集和轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡接口之間和RS-485接口與網(wǎng)絡接口之間是隔離且獨立的；③數(shù)據(jù)流和控制流的轉(zhuǎn)換，要求數(shù)據(jù)流和控制流采用不同的優(yōu)先級處理，且控制流比數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級較高。2）數(shù)據(jù)處理功能數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)二次計算功能。通信管理機要求存儲一定數(shù)量的實時、歷史、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等，以供查詢和調(diào)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(xiàn)場環(huán)境配置工程，通信管理機的參數(shù)、通道（RS485串口以及RJ45以太網(wǎng)口和虛擬端口）、設備、虛設備、數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)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(tǒng)一集中式遠程管理平臺進行管理、維護、監(jiān)控、測試、升級等功能，方便技術(shù)和開發(fā)人員調(diào)試使用。

2.2軟件系統(tǒng)架構(gòu)的目標

通信管理機作為監(jiān)控系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡與監(jiān)測設備之間的樞紐設備，在監(jiān)控系統(tǒng)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(tǒng)要求滿足五個指標。1）功能完善軟件系統(tǒng)架構(gòu)要求功能完善，必須滿足通信管理機的功能要求。2）穩(wěn)、準、快軟件系統(tǒng)要求穩(wěn)定性高、精確性高、效率高。穩(wěn)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(jiān)控、管理、維護通信管理機，并有一定的容錯機制，出現(xiàn)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(cè)采集的數(shù)據(jù)、監(jiān)測儀表中的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)給后臺的數(shù)據(jù)是一致的。效率高要求數(shù)據(jù)采集和控制命令能得到快速的響應，保證規(guī)約轉(zhuǎn)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(tǒng)一的API接口函數(shù)，便于系統(tǒng)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(tǒng)架構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要包括兩部分的架構(gòu)：通信管理機的配置管理軟件和裝置內(nèi)運行的軟件系統(tǒng)。配置管理軟件運行在Win‐dows環(huán)境中，裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)運行在Linux環(huán)境中，PC側(cè)的軟件和裝置內(nèi)的軟件系統(tǒng)通過自定義的內(nèi)部協(xié)議進行通信。軟件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。配置管理軟件提供規(guī)約和設備模板的管理、配置管理、在線監(jiān)控、在線管理、在線維護、集成工具的功能。在線監(jiān)控包括監(jiān)控報文、緩沖區(qū)報文和實時庫數(shù)據(jù)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(cè)軟件系統(tǒng)包括主應用進程、監(jiān)控守護進程、管理維護進程三個進程運行。監(jiān)控守護進程是監(jiān)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(jiān)控守護進程和應用進程的情況。

4軟件系統(tǒng)架構(gòu)方案

軟件系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)運行環(huán)境不同，包括配置管理軟件和裝置內(nèi)運行的軟件系統(tǒng)兩部分的架構(gòu)。

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(yè)軟件，采用標準安裝方式，便于工程調(diào)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(tǒng)中指定路徑，才能實現(xiàn)通訊管理機的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)上傳功能。通訊管理機系統(tǒng)運行時可以進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)控與系統(tǒng)控制。

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(guī)約、通道參數(shù)、設備型號、設備參數(shù)、設備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)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(guī)約模板和設備模板的管理，規(guī)約模板由廠家提供，而設備模板由工程調(diào)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(xiàn)一些預定義自動化數(shù)學計算功能。例如，復雜的二次計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)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(diào)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(diào)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(jiān)控、管理維護、調(diào)試等接口。1）在線監(jiān)控在線監(jiān)控包括監(jiān)控實時庫、緩沖區(qū)、報文三方面的信息。監(jiān)控實時庫確定采集到的數(shù)據(jù)是否正確；緩沖區(qū)監(jiān)控硬件緩沖區(qū)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；報文是監(jiān)控緩沖區(qū)中符合本通道協(xié)議的報文。這三方面的監(jiān)控能確定數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)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(quán)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(tǒng)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(diào)試調(diào)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(guī)約測試工具、SSH、FTP等工具，便于開發(fā)者和技術(shù)人員調(diào)試。②測試：配置的工程文件可在Win‐dows環(huán)境中運行，測試工程文件配置是否正確。

4.2裝置側(cè)軟件系統(tǒng)方案設計

裝置側(cè)軟件系統(tǒng)采用多進程的方案設計，包含管理維護進程、監(jiān)控守護進程和主應用進程等。其中，管理維護進程啟動監(jiān)控守護進程，監(jiān)控守護進程啟動主應用進程。通信規(guī)約封裝成動態(tài)庫，根據(jù)配置采用動態(tài)加載的方式運行，可按需擴展。

4.2.1軟件分層架構(gòu)設計裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)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）。①管理維護層：由管理維護進程和監(jiān)控守護進程組成，提供設備軟件系統(tǒng)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(guī)約動態(tài)庫組成，完成工程配置文件的解析，動態(tài)加載規(guī)約文件。③API接口層：核心動態(tài)庫提供對各種硬件接口的直接操作，為通信應用層提供統(tǒng)一的API接口函數(shù)，便于完成通信規(guī)約的開發(fā)和擴展；歷史動態(tài)庫封裝了sqlite3嵌入式數(shù)據(jù)庫，對上層提供數(shù)據(jù)庫的各種應用接口，便于存儲和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)；XML動態(tài)庫提供XML格式的應用接口。④設備操作層：提供硬件驅(qū)動和操作系統(tǒng)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(jiān)控守護進程通信，完成工程配置文件的更新、軟件系統(tǒng)的升級和備份工程配置文件的啟動。2）監(jiān)控守護進程監(jiān)控守護進程通過共享內(nèi)存的方式與主應用進程進行通信，完成監(jiān)控主應用進程的工作；定時發(fā)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(tài)庫、初始化各功能模塊、加載并運行規(guī)約動態(tài)庫、啟動備份工程配置文件。4）核心動態(tài)庫核心動態(tài)庫調(diào)用設備操作層提供的接口，重新封裝成統(tǒng)一的應用接口，供通信規(guī)約開發(fā)調(diào)用，縮短了規(guī)約的開發(fā)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(guī)約、系統(tǒng)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，供其他模塊調(diào)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(cè)規(guī)約和主站側(cè)規(guī)約的隔離和獨立，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的高速轉(zhuǎn)換。④端口操作：提供了串口、以太網(wǎng)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(guī)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(tǒng)支撐：提供線程、互斥鎖、信號量、事件、鏈表等的系統(tǒng)封裝函數(shù)，實現(xiàn)軟件的跨平臺運行。⑦日志：提供啟動、調(diào)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(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)，提供設備控制的函數(shù)接口，實現(xiàn)了控制流的可靠轉(zhuǎn)換；兩種不同的實現(xiàn)方式，有效地隔離了數(shù)據(jù)流和控制流。⑩通信處理：完成通信過程的處理。⑪應用接口：提供規(guī)約動態(tài)庫的加載、釋放等功能。5）規(guī)約動態(tài)庫規(guī)約動態(tài)庫中的規(guī)約分為設備側(cè)和主站側(cè)，設備側(cè)規(guī)約負責采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入實時庫；主站側(cè)規(guī)約負責轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，讀出實時庫中的數(shù)據(jù)組包發(fā)送給后臺。規(guī)約的開發(fā)就是調(diào)用API接口層的函數(shù)，實現(xiàn)具體的規(guī)約，如Modbus等。

5結(jié)語

通信管理機軟件系統(tǒng)架構(gòu)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(guī)約的開發(fā)周期；以實時庫為數(shù)據(jù)流的核心，以消息機制實現(xiàn)控制流，兩種不同的實現(xiàn)方式，完全將設備側(cè)和主站側(cè)隔離，數(shù)據(jù)流和控制流隔離；配置軟件的靈活配置，實現(xiàn)了通道的隔離。實際工程使用中證明，該軟件系統(tǒng)架構(gòu)的通信管理機穩(wěn)定性強、可管理維護性高，提高了工作效率和工作水平。

參考文獻

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作者：韓強 劉愛國 單位：山東省建筑設計研究院有限公司