SCADA系統(tǒng)中的規(guī)約庫(kù)技術(shù)

中鐵二局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 聶 馗

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SCADA系統(tǒng)中的規(guī)約庫(kù)技術(shù)

中鐵二局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 聶 馗

SCADA 規(guī)約庫(kù) 通信 SW-2000 模塊

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在電力系統(tǒng)中，發(fā)展更為迅速。電力系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)不但包括功率、電壓、電流等測(cè)量數(shù)據(jù)，還包括分合閘、過(guò)流、速斷等操作及事故所產(chǎn)生的事件數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生事故而導(dǎo)致跳閘時(shí)，還要記錄現(xiàn)場(chǎng)的故障錄波數(shù)據(jù)，需要通信的數(shù)據(jù)量是一般工業(yè)控制中所無(wú)法比擬的。由于電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的變化非?？?，一次故障可能只維持十幾毫秒，數(shù)據(jù)稍縱即逝，所以對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、通信速度的要求是非常高的。可見(jiàn)，系統(tǒng)通信是SCADA系統(tǒng)成功的關(guān)鍵，而規(guī)約庫(kù)技術(shù)又是SCADA系統(tǒng)通信成功的關(guān)鍵。

1 通信規(guī)約的基本概念

電力自動(dòng)化系統(tǒng)大多采用數(shù)字式通信技術(shù)，遠(yuǎn)動(dòng)裝置將信息轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，進(jìn)行運(yùn)算處理并按照某種通信規(guī)則（規(guī)約）進(jìn)行包裝后，通過(guò)模擬信道或數(shù)字信道進(jìn)行傳輸；接受端遵循同一種規(guī)則（規(guī)約）對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和解包，然后進(jìn)行處理。這里的規(guī)則就是通信規(guī)約（protocol）。通信規(guī)約的基本單位是數(shù)據(jù)幀，不同的通信規(guī)約，數(shù)據(jù)幀也各不相同，但一般包括起始標(biāo)志、地址字、控制字、信息體（遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)）、監(jiān)督字以及結(jié)束標(biāo)志組成。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，電力系統(tǒng)已經(jīng)制定和頒布了一系列遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，如CDT、Polling、IEC870-5系列等，這些規(guī)約在自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用中對(duì)裝置和裝置之間互通互連，以及對(duì)保證自動(dòng)化裝置和主站系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性和兼容性起到了關(guān)鍵性的作用。鐵路電力自動(dòng)化系統(tǒng)完全可以借鑒電力系統(tǒng)成熟的通信規(guī)約。

2 SCADA規(guī)約選擇

SW-2000鐵路電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)（電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)）是成都四為電子信息有限公司針對(duì)鐵路系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)和用戶(hù)實(shí)際需求，在總結(jié)多年實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵路行業(yè)快速發(fā)展的需求和當(dāng)今最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，率先在國(guó)內(nèi)推出的具有跨平臺(tái)運(yùn)行能力的新一代鐵路電力綜合調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)。SW-2000基本上就是一個(gè)SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)中，前置機(jī)（又稱(chēng)通信處理機(jī)）負(fù)責(zé)主站系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、規(guī)約轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)預(yù)處理，如圖1。前置機(jī)通過(guò)交換機(jī)與多串口服務(wù)器連接構(gòu)成數(shù)采子網(wǎng)，由多串口服務(wù)器經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)方的變配電所自動(dòng)化系統(tǒng)、RTU以及STU、FTU等連接，負(fù)責(zé)采集、處理來(lái)自被控站的數(shù)據(jù)。SW-2000系統(tǒng)采用先進(jìn)的規(guī)約庫(kù)技術(shù)，根據(jù)下掛單元的規(guī)約類(lèi)型來(lái)選擇相應(yīng)的規(guī)約，形成一個(gè)規(guī)約庫(kù)。本文以IEC6080-5-101規(guī)約為例，介紹SCADA系統(tǒng)中的規(guī)約庫(kù)技術(shù)。

前置機(jī)軟件的主要功能就是完成來(lái)自站端系統(tǒng)和設(shè)備的數(shù)據(jù)預(yù)處理功能，同時(shí)將來(lái)自后臺(tái)的命令打包后下發(fā)，這個(gè)過(guò)程通常稱(chēng)為“解規(guī)約”。由于站端設(shè)備類(lèi)型比較多，不同的設(shè)備類(lèi)型有不同的規(guī)約；再加上供貨廠商也比較多，不同的廠家對(duì)同一個(gè)規(guī)約的理解不盡相同。因此，要求規(guī)約庫(kù)中應(yīng)該有如下規(guī)約：CDT、1801、IEC 870-5-101/102/103/104、ModBus等。另外，規(guī)約庫(kù)還可以根據(jù)用戶(hù)要求增加新的規(guī)約或修改舊的規(guī)約。增加或修改某一種規(guī)約時(shí)，可以在線完成，不影響前置系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖1 電力調(diào)度自動(dòng)化主站配置

3 規(guī)約的加載

SCADA系統(tǒng)所有的通信協(xié)議都封裝在comm類(lèi)中，通過(guò)Protocol::ReadComm，Protocol::WriteComm讀寫(xiě)通信數(shù)據(jù)，并存入系統(tǒng)緩沖區(qū)buffer中。系統(tǒng)對(duì)不同規(guī)約類(lèi)型、同一類(lèi)型但不同廠家的規(guī)約配置相應(yīng)的ID號(hào)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載下掛單元的所有規(guī)約。ProtocolLoader::Start啟動(dòng)規(guī)約，并創(chuàng)建可執(zhí)行函數(shù)（相同的規(guī)約只能加載一次）。

IProtocolExecutor* __stdcall ProtocolLoader::CreateExecutor()

{

ACE_TCHAR path[255];

ACE_OS::sprintf( path, "./%s%s%s", ACE_DLL_PREFIX, protocol_module_name_.c_str(), ACE_DLL_SUFFIX );

swInt32 r = dll_.open( path );

if( r != 0 )

{

return 0;

}

executor_creator_=(ExecutorCreator)dll_.symbol("GetProtocolExecutor");

if( executor_creator_ == 0 )

{

return 0;

}

return executor_creator_( protocol_type_no_ );

}

以上程序可知，對(duì)于下掛的單元設(shè)備，首先定義相應(yīng)的規(guī)約ID（如#define P_IEC104_JC 33），打開(kāi)定義好的規(guī)約dll_.open( path )如-m 101.dll –n 33，生成規(guī)約執(zhí)行函數(shù)dll_.symbol("GetProtocolExecutor")，該輸出函數(shù)定義的類(lèi)為IProtocolExecutor*，定義如下：

class IProtocolExecutor

{

public:

virtual swInt32 __stdcall Start()=0;

virtual ACE_THR_FUNC_RETURN Execute()=0;

virtual ACE_TCHAR* __stdcall GetTitle(ACE_TCHAR* name)=0;

virtual swInt32 __stdcall GetProtocolType()=0;

virtual void __stdcall Stop()=0;

};

這樣，就可以對(duì)選擇的規(guī)約進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，如start等。對(duì)規(guī)約的加載及解規(guī)約之后，前置機(jī)將數(shù)據(jù)存入內(nèi)存，封裝為Unit，分別存儲(chǔ)為遙信、遙控、遙測(cè)及遙調(diào)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到后臺(tái)，進(jìn)行相應(yīng)的顯示或存盤(pán)。

4 系統(tǒng)通信模塊設(shè)計(jì)

4.1 遠(yuǎn)動(dòng)通信模塊

IEC6080-5-101規(guī)約是一種問(wèn)答式的規(guī)約，由主站問(wèn)，子站來(lái)回答。主站的請(qǐng)求由監(jiān)控子系統(tǒng)發(fā)出，這里的通信模塊只需完成子站針對(duì)主站請(qǐng)求幀的分析和應(yīng)答。

遠(yuǎn)動(dòng)通信模塊流程如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)動(dòng)通信模塊流程

IEC60870-5-101采用的幀格式為FT1.2異步式字節(jié)傳輸幀格式，長(zhǎng)度為5個(gè)字符的是定長(zhǎng)幀，長(zhǎng)度超過(guò)5字符的是可變幀。

4.2 子站內(nèi)部通信模塊

子站內(nèi)部通信在這里是指子站內(nèi)的上位機(jī)與下掛單元之間的通信。模塊流程如圖3所示，與子站對(duì)主站的通信不同的是，上位機(jī)對(duì)下掛單元發(fā)送數(shù)據(jù)是主動(dòng)的。

圖3 子站內(nèi)部通信模塊流程

5 界面顯示

首先，打開(kāi)protocolconfig.exe進(jìn)行規(guī)約的配置及選擇，如圖4所示。

圖4 規(guī)約選擇

規(guī)約庫(kù)中包含多種規(guī)約，可根據(jù)下掛單元來(lái)選擇與之相應(yīng)的規(guī)約進(jìn)行通信及數(shù)據(jù)傳輸。

運(yùn)行前置機(jī)軟件，可以方便工作人員了解到系統(tǒng)信息、廠站信息、通道數(shù)據(jù)、遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙信數(shù)據(jù)、電度數(shù)據(jù)相關(guān)信息，如圖5所示。

圖5 廠站信息顯示圖

6 小結(jié)

本文介紹了基于IEC-60870-5-101/104的規(guī)約庫(kù)及通信模塊設(shè)計(jì)，并以成都四為公司生產(chǎn)的SW-2000系統(tǒng)為例實(shí)現(xiàn)了部分規(guī)約庫(kù)配置、加載，以及通信子系統(tǒng)的要求。

顯示部分通過(guò)友好的界面，實(shí)現(xiàn)了通信規(guī)約的配置，實(shí)時(shí)顯示出遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙信數(shù)據(jù)、電度數(shù)據(jù)。該規(guī)約庫(kù)技術(shù)已應(yīng)用于成都供電段達(dá)成電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)。

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