摘要：針對油庫液位變送器數(shù)據(jù)變送能力的不足，本文利用IEC61850通訊協(xié)議設計并實現(xiàn)了新型的數(shù)據(jù)變送器。首先，通過分析IEC61850的特點及其概念模型論證了跨行業(yè)應用該協(xié)議的可行性；其次，討論了設備功能的劃分，并給出了設備功能描述文件的重點片段；最后，設計、實現(xiàn)了智能設備與IEC61850的數(shù)據(jù)接口以及與原有液位儀的數(shù)據(jù)通訊。應用實踐表明，該新型的液位變送器不僅提高了數(shù)據(jù)變送能力，而且使監(jiān)控信息系統(tǒng)不再依賴某種特定的液位儀。
一、引言
用液位儀獲取油庫的油位、水位、溫度等數(shù)據(jù)是加油站信息系統(tǒng)的重要組成部分。液位儀在用傳感器獲取各項數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)變送至信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)集中處理的模式有：利用4~20mA模擬信號或Modbus串口協(xié)議。在實際應用中發(fā)現(xiàn)這兩種工作模式有下列不足：①信息系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的解析嚴重依賴特定的液位儀，使得液位儀更新和信息系統(tǒng)升級相互制約、無法獨立進行；②信息系統(tǒng)所獲得的測量數(shù)據(jù)缺乏品質(zhì)、時標等信息，對數(shù)據(jù)分析不利；③在數(shù)據(jù)傳輸過程中若發(fā)生線路中斷，則無法追溯歷史數(shù)據(jù)，不利于故障分析。
顯然，液位儀現(xiàn)有的數(shù)據(jù)變送模式已無法滿足油庫信息化系統(tǒng)建設的需求，故此設計并實現(xiàn)了新型的液位變送器。該設備以嵌入式操作系統(tǒng)為基礎、借助電力系統(tǒng)中普及應用的IEC61850協(xié)議，成功地克服了液位儀現(xiàn)有數(shù)據(jù)變送模式的缺點，為油庫管理的信息化和自動化控制預留豐富的接口。
二、應用IEC61850的可行性
1．IEC61850的特點
IEC61850是變電站自動化系統(tǒng)通信的國際標準，其目的是實現(xiàn)不同廠商設備間的無縫信息通信和互操作。該標準的突出特點有：①開放、分層的拓撲結(jié)構(gòu)；②面向?qū)ο蟮慕y(tǒng)一建模技術(shù)；③建模與具體實現(xiàn)相獨立、服務與通信網(wǎng)絡獨立；④提供能夠自我描述的數(shù)據(jù)對象及服務；⑤不同的廠商設備間可互操作。
2．設備描述的概念模型
IEC61850用客戶/服務器概念來實現(xiàn)設備的互操作和系統(tǒng)無縫集成，服務器的核心功能是提供數(shù)據(jù)服務，客戶端，亦即后臺信息系統(tǒng)，通過請求數(shù)據(jù)服務獲取數(shù)據(jù)信息，其中能提供數(shù)據(jù)服務的設備也稱作智能電子設備(IED)。
客戶/服務器進行信息交互的基礎是設備功能描述文件，它XML語言為基礎，詳細地描述了與通信相關(guān)的智能電子設備結(jié)構(gòu)和參數(shù)、通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及它們之間關(guān)系。由于XML擁有可擴展性和自定義性、異構(gòu)系統(tǒng)間的信息無障礙互通、數(shù)據(jù)內(nèi)容與顯示處理相分離等特點, 因此功能描述文件能夠在不同廠家的IED和信息系統(tǒng)之間進行交換。同時，功能描述文件采用面向?qū)ο蟮慕７绞剑沟脭?shù)據(jù)對象、設備功能以及數(shù)據(jù)服務具備自描述特性。以上2點決定了客戶／服務器之間不存在直接的依賴關(guān)系，換言之二者的設計與實現(xiàn)完全可以獨立進行。
圖1 是描述I E D設備功能的概念模型，位于頂層的是服務器(Server),它擁有名稱和IP地址。Server以下的邏輯層次依次為邏輯設備(LD)、邏輯節(jié)點(LN)、數(shù)據(jù)(Data)、數(shù)據(jù)屬性(DA)以及數(shù)據(jù)屬性功能約束(FCDA),它們都以對象的方式存在。FCDA約束了DA的特性，表明DA所屬的類別，如ST代表狀態(tài)數(shù)據(jù)，MX代表測量數(shù)據(jù)。此外，LN中包含相同類別的FCDA所構(gòu)成數(shù)據(jù)集(DataSet)、指明數(shù)據(jù)服務方式的報告控制塊(RCB)以及可用于歷史數(shù)據(jù)追溯的日志控制塊(LCB)等對象模型。圍繞設備功能描述，服務器端提供不同的服務，如讀值、報告、日志、控制。
根據(jù)以上的敘述可看出， 雖然IEC61850是變電站自動化的標準，但因為它廣泛吸收了計算機、通訊和工業(yè)自動化領域的成熟技術(shù)，使得它可以無障礙地直接應用到其它的自動化控制領域。正是基于上述認識，本文決定采用IEC61850通訊協(xié)議設計和實現(xiàn)智能的液位數(shù)據(jù)變送器，使得設備實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸、信息處理系統(tǒng)的相互獨立。
三、設備功能描述
IEC61850在電力系統(tǒng)的應用已經(jīng)成熟，因此對如何描述設備功能亦有著詳盡的規(guī)范可以遵循，但如何描述液位變送器的設備功能則需探討。經(jīng)實際分析認為新設計的變送器應具備的功能有：數(shù)據(jù)測量、信息告警、日志服務、設備遙控。限于篇幅，本文只從數(shù)據(jù)測量和日志記錄2個方面簡要敘述。
1．定義測量數(shù)據(jù)集
綜合相關(guān)文獻并結(jié)合油罐信息采集的實際需求，本文將測量數(shù)據(jù)分為2組：第一組是液位、水位、溫度、體積、密度等與儲油量相關(guān)的數(shù)據(jù)；第二組是泵電流、泵進口壓力、油氣濃度等收油、發(fā)油相關(guān)的數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)對應一個數(shù)據(jù)集。
一個FCDA描述了一個被測數(shù)據(jù)對象，相同性質(zhì)的數(shù)據(jù)對象構(gòu)成一個數(shù)據(jù)集，例如與儲油量相關(guān)的數(shù)據(jù)構(gòu)成個數(shù)據(jù)集dsMeasure，圖2是數(shù)據(jù)集的示例。圖2所示是定義第一組測量數(shù)據(jù)集實例的一部分，數(shù)據(jù)集名稱為dsMeasure。設服務器名為YG21MONT，則在客戶/服務器中表示油液高度數(shù)據(jù)的語義路徑為YG21MONT/SIML1$MX$OilLvl。
需要說明的是，由于測量數(shù)據(jù)的品質(zhì)、時標等信息對測量值起到置信說明的緣故，因此本文在定義被測量對象時沒有細化到daName，而僅有doName，這是與電力系統(tǒng)中常見的配置方法所不同之處。
按類似的方法可以定義狀態(tài)數(shù)據(jù)集dsState，如閥門位置、液位開關(guān)位置；告警數(shù)據(jù)集dsAlarm包括油氣濃度告警、溫度告警、水位告警等信息。
2．定義日志服務
當客戶端因網(wǎng)絡故障沒有收到IED發(fā)來的數(shù)據(jù)報告，客戶端則可以通過日志服務檢索歷史數(shù)據(jù)。日志的內(nèi)容按時間順序構(gòu)成一個“先入先出”隊列，因此客戶端可次序獲取歷史測量數(shù)據(jù)或告警信息，這為數(shù)據(jù)核對和故障分析帶來了極大便利。
日志模型包括日志控制塊和日志內(nèi)容2部分，圖3是設備功能描述中關(guān)于日志服務的內(nèi)容片段，它定義數(shù)據(jù)集dsMeasure作為日志內(nèi)容，而logName與數(shù)據(jù)集中的ldInst名稱應相一致。
日志內(nèi)容也是面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)，對象成員包括數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對象、原因代碼、觸發(fā)選項，客戶端可以通過修改LogEna為false停止日志服務功能。觸發(fā)選項TrgOps指明或者發(fā)生數(shù)據(jù)值變化、或者發(fā)生數(shù)據(jù)品質(zhì)變化時才添加日志內(nèi)容。
日志內(nèi)容是保存在RAM中的隊列，為保證IED重啟后日志內(nèi)容不丟失，因此在添加隊列條目時，同時將之保存為磁盤文件，當IED重啟后首先將文件內(nèi)容依次加載到隊列中。本文的日志服務實現(xiàn)始終保存最近6個月的日志內(nèi)容
四、軟件實現(xiàn)
目前，IEC61850通訊協(xié)議的實現(xiàn)大都采用SISLKO公司的MMS-EASE Lite軟件包，它利用MMS(報文制造規(guī)范)實現(xiàn)與IEC61850的數(shù)據(jù)映射本文的也采用該軟件包。
為集中精力驗證I E C 6 1 8 5 0協(xié)議在設計液位變送器應用中的可行性，本文在原有的液位儀等監(jiān)測設備與IEC61850之間添加了一個轉(zhuǎn)換層，該轉(zhuǎn)換層一方面對上實現(xiàn)與MMS-EASE Lite的數(shù)據(jù)接口，另一方面與監(jiān)測設備仍采用串行通訊的方式周期性查詢監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等。作者認為：從經(jīng)濟角度和實現(xiàn)周期角度來看，采用“轉(zhuǎn)換”模式是改造現(xiàn)有液位儀系統(tǒng)較為可行的方案。
該轉(zhuǎn)換層利用可運行utuLinux2.6.24嵌入式操作系統(tǒng)的S3C2440的工控板實現(xiàn)的，其硬件資源有主頻400MHz, 內(nèi)存64MB，一個以太網(wǎng)口, 三個串行口，一個SD卡接口。本文中的可執(zhí)行程序、設備功能描述文件以及日志文件都是保存在SD中的。
故而，軟件實現(xiàn)主要考慮論如何合理地實現(xiàn)的MMS-EASE Lite數(shù)據(jù)接口、高效地完成與監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)通訊。
1．數(shù)據(jù)接口
客戶端獲取服務器數(shù)據(jù)對象的過程如下：①客戶端解析設備功能描述文件獲取對象的語義路徑，以之為參數(shù)請求讀數(shù)據(jù)服務；②服務器端應用程序訪問內(nèi)存中該對象的實例后，將結(jié)果傳遞給通信映射程序，然后將其映射為MMS的讀響應服務; ③將響應報文按客戶端組織報文的流程發(fā)送給客戶端；④客戶端接收到報文后分析、確認為讀數(shù)據(jù)服務的響應。
此可見，客戶端是數(shù)據(jù)的消費者，而數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者則是不同廠商的液位監(jiān)測設備。為了能夠程序少改動、甚至不改動的情況下，最大限度兼容不同廠家的液位監(jiān)測設備，本文在在消費者與生產(chǎn)者之間增加了用內(nèi)存實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫作為二者的數(shù)據(jù)接口。
以數(shù)據(jù)集dsMeasure為例，首先為該數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對象定義通用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
DATA_YC.
typedef struct
{
FLOATfValue;
UINT16 uQuality;
MMS_UTC_TIME utc;
}DATA_YC
其中fValue為數(shù)據(jù)值，uQuality為數(shù)據(jù)品質(zhì)，utc為UTC(世界標準時)格式的時標。
然后分配內(nèi)存區(qū)域容納RDB_YC型的數(shù)組
typedef struct
{
UINT16 uDevId;
UINT16 uGrpNum;
UINT16 uItemNum;
DATA_YC dataYc;
}RDB_YC;
其中uDevId用于區(qū)分監(jiān)測不同油罐的液位儀設備，uGrpNum用于區(qū)分相同設備中的不同數(shù)據(jù)集，例如3.1中與液位相關(guān)的數(shù)據(jù)和與進油相關(guān)的數(shù)據(jù)屬于不同的分組，uItemNum則同一個數(shù)據(jù)集中的不同數(shù)據(jù)項。
通過uDevId、uGrpNum、uItemNum可以有效地將之與數(shù)據(jù)對象的語義路徑唯一地關(guān)聯(lián)起來，如此服務器在為客戶端提供數(shù)據(jù)服務時，只需查看內(nèi)存中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫即可，這一方面無需擔心直接向液位儀查詢數(shù)據(jù)而導致服務響應超時，令一方面也不必關(guān)心具體的液位儀類型。
利用內(nèi)存關(guān)系數(shù)據(jù)庫的另一個優(yōu)點，可以方便地檢查每2次數(shù)據(jù)之間變化的絕對值和相對值，為判斷數(shù)據(jù)品質(zhì)，如溢出、越界、抖動、不一致，提供直接依據(jù)。
2﹒串行數(shù)據(jù)通訊
發(fā)送命令、等待響應、接收數(shù)據(jù)、分析結(jié)果Modbus串行數(shù)據(jù)通訊的常見模式，但作者發(fā)現(xiàn)等待時間過短會造成響應數(shù)據(jù)接收的遺漏，等待時間過長則又會嚴重地影響嵌入式系統(tǒng)的運行效率，使得客戶端的服務請求經(jīng)常得不到及時的響應。經(jīng)過權(quán)衡，本文采用圖4所示的方式與液位儀進行數(shù)據(jù)通訊。
圖4顯示本文以2個獨立的線程分別處理串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作。首先，IEC61850服務程序可以接收客戶端發(fā)來的遠程操作命令，同時用定時器周期性地查詢液位儀以及油泵的測量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及告警信息。為了使同一時刻到達的命令可以井然有序地通過串行口發(fā)送，本文用同步原語的方式將這些命令緩存于命令鏈表CallList中。在向CallList中添加節(jié)點之前，需要遍歷鏈表，以確保所添加的命令類型是唯一的。
其次，當函數(shù)Uart_Write()被調(diào)用時，它從CallList中取出一個命令節(jié)點并以設備相關(guān)的方式構(gòu)造Modbus數(shù)據(jù)報文，構(gòu)造好的數(shù)據(jù)包添加到待發(fā)送數(shù)據(jù)鏈表SendList中。寫串行口的線程周期性地檢查SendList中是否有待發(fā)數(shù)據(jù)，若有則調(diào)用操作系統(tǒng)所提供的接口函數(shù)將數(shù)據(jù)序列寫入串行口。與此同時，UartWrite()啟動超時定時器，如果所發(fā)報文在指定的時間內(nèi)未得到響應，重發(fā)一次報文，若仍無響應，則通知IEC61850的客戶端：“設備通訊連接中斷”。
最后，串行口接收線程周期地讀串行口，無論讀出多少數(shù)據(jù)都將之依先后順序存入數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，供數(shù)據(jù)分析函數(shù)使用。分析函數(shù)根據(jù)具體設備的Modbus規(guī)約檢查數(shù)據(jù)的完整性、正確性。如果接收長度不足以構(gòu)成一個完整的數(shù)據(jù)報文，則暫不作分析；如果通過數(shù)據(jù)完整性和正確性的檢查就進行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)報文的種類解析出信息結(jié)果，并將結(jié)果放入內(nèi)存關(guān)系數(shù)據(jù)庫中；同時將解析過程所消耗的字節(jié)數(shù)從接收緩沖區(qū)中刪除，剩余數(shù)據(jù)作為下一個數(shù)據(jù)報文的內(nèi)容留作以后分析使用。
一次成功的數(shù)據(jù)分析說明從SendList發(fā)出的數(shù)據(jù)報文得到了正確的響應，此時即可再次觸發(fā)函數(shù)Uart_Write()的執(zhí)行。從這里可以看到，Uart_Write()中設置超時定時器的一個重要目的：防止所發(fā)數(shù)據(jù)報文得不到響應后，導致整個發(fā)送流程中斷，進而影響與其它設備的正常通訊。
至此，本文將與具體液位儀設備相關(guān)的Modbus協(xié)議隱藏在了IED設備內(nèi)部，而對外統(tǒng)一地顯露IEC61850數(shù)據(jù)服務接口，有效地消除了傳統(tǒng)液位儀與后臺信息系統(tǒng)間的強耦合關(guān)系。
五、應用實踐
文中所設計的智能液位變送器，本文結(jié)合常州鐘樓儲油罐液位儀以及油泵監(jiān)測設備做了實地應用實驗。所有的液位儀和油泵監(jiān)測設備都通過RS485掛接在工控板的2個串行口上。設定IED的服務器名稱為YG21MONT，其局域網(wǎng)地址為192.168.1.21，而控制中心對設備的了解只來自設備功能描述文件。借助互聯(lián)網(wǎng)的遠程登陸服務，位于南京的控制中心可成功地連接IED設備，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的獲取，如圖5所示，其中左側(cè)是監(jiān)測對象列表，右側(cè)為監(jiān)測數(shù)據(jù)現(xiàn)實。
應用實踐表明，無論在IED設備內(nèi)部獲取測量數(shù)據(jù)的方式如何，但它對外都采用了統(tǒng)一的IEC61850數(shù)據(jù)服務，這使得數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)與具體液位儀設備不再相互依賴，故而本文所設計的新型液位智能變送器是成功的。
六、 結(jié)束語
本文利用IEC61850協(xié)議設計和實現(xiàn)了新型液位變送器，它具有以下幾個特點：
1﹒所變送的數(shù)據(jù)對象可以根據(jù)油庫管理信息化的需要自由擴展，不受液位儀具體的型號限制；
2﹒客戶端/服務器端(即IED設備端)不存在著直接的耦合關(guān)系，二者的技術(shù)升級不再相互影響，可以獨立進行；
3﹒測量數(shù)據(jù)除了擁有數(shù)值屬性外，還具有品質(zhì)和時標屬性，測量數(shù)據(jù)還可以實現(xiàn)歷史追溯，為分析IED設備的故障提供了便利。
目前，雖然所設計的IED設備預留了遙控功能的接口，但具體實現(xiàn)尚未完成，這也是后續(xù)工作的重點。
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