基于以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程雷達(dá)配電系統(tǒng)

夏　田　吳　方　武運(yùn)磊　李云嶧　李善慶

(合肥華耀電子工業(yè)有限公司　合肥　230088)

0　引言

目前，雷達(dá)配電系統(tǒng)均采用熔斷器或空氣斷路器進(jìn)行配電線路的短路和過載保護(hù)，采用接觸器、繼電器實(shí)現(xiàn)負(fù)載的遠(yuǎn)程導(dǎo)通和關(guān)斷控制。這種配電方式存在設(shè)備體積大、集成度低、信息實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)；并且雷達(dá)通常設(shè)置在控制站附近，對(duì)雷達(dá)設(shè)備的配電控制通常是直接操作控制，而當(dāng)各個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)置分散、距離雷達(dá)控制站達(dá)數(shù)十千米甚至幾百千米，傳統(tǒng)的直接控制方式已經(jīng)不能滿足遠(yuǎn)程控制的需求[1-2]。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA為核心的以太網(wǎng)通信和控制模塊，采用WinSock技術(shù)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且優(yōu)化了監(jiān)控界面，具有遙測(cè)精度高、集成度高、易于維護(hù)和人機(jī)界面交流等優(yōu)點(diǎn)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程遙控配電系統(tǒng)主要對(duì)雷達(dá)電源的電壓、電流、頻率、輸出功率、相序以及相關(guān)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和詳細(xì)記錄，通過狀態(tài)反饋單元將檢測(cè)的狀態(tài)量和參數(shù)值傳送到輸出控制單元，而輸出控制單元控制單相和三相配電單元的開關(guān)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的導(dǎo)通和關(guān)斷，并將導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)量反饋到狀態(tài)反饋單元，然后再傳送到輸出控制單元，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)供電設(shè)備的遠(yuǎn)程閉環(huán)遙控控制；同時(shí)，又采用本控和遙控相結(jié)合的控制策略，使得該配電系統(tǒng)得控制方式多樣化、實(shí)時(shí)監(jiān)控性更強(qiáng)、安全可靠性更高。

本設(shè)計(jì)采用集散式控制實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制，監(jiān)控計(jì)算機(jī)作為主要控制器，負(fù)責(zé)對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制模塊與雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的執(zhí)行模塊、顯示模塊、保護(hù)模塊等進(jìn)行連接。圖1為系統(tǒng)的組成框圖，圖中遠(yuǎn)程控制模塊通過I/O口實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊的連接，智能電表、相序監(jiān)測(cè)繼電器和煙霧報(bào)警器通過串口進(jìn)行連接，從而控制負(fù)載設(shè)備的本遙控通斷功能。

1.1　控制模塊

目前在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，越來越多的現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備需要擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)功能以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。以太網(wǎng)以其低成本，易于集成，傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)使其得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

本文采用微控制單元和硬件協(xié)議控制芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。該控制模塊主要由FPGA、網(wǎng)絡(luò)控制芯片W5300、RS422芯片AM26LV31ID和AM23V32ID、RS485芯片MAX3485EESA等構(gòu)成。其中網(wǎng)絡(luò)控制芯片內(nèi)部集成10/100M以太網(wǎng)的MAC和PHY層， TCP/IP協(xié)議棧等，擁有全硬件通信協(xié)議技術(shù)，如TCP，UDP，IPV4，ICMP等；W5300支持8個(gè)獨(dú)立端口(sockets)同時(shí)連接，不僅減少了硬件電路的設(shè)計(jì)，還提高了軟件編程的工作效率，并且WinSock的硬件TCP/IP協(xié)議棧為FPGA用戶提供了一種最為高效快捷的以太網(wǎng)拓展方案，用戶可以直接配置硬件不需要考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口Socket編程。W5300減少了硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片的特殊寄存器，操作簡(jiǎn)單可靠，使配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信更具便捷性和穩(wěn)定性。

圖2為遠(yuǎn)程控制模塊的系統(tǒng)框圖。該控制模塊提供100路開關(guān)量的輸入(光電隔離)、100路繼電器開關(guān)量的輸出和以太網(wǎng)TCP/IP、RS422/RS485通信方式。以FPGA為核心器件，進(jìn)行邏輯運(yùn)算，通過RS422/RS485實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換功能，主要完成開關(guān)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、輸入輸出信號(hào)邏輯控制和對(duì)外通訊等功能。

如圖2所示為遠(yuǎn)程控制模塊的系統(tǒng)框圖，以FPGA作為核心器件，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換功能，F(xiàn)PGA將來自以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包解析為串口數(shù)據(jù)流，反之也可以將串口數(shù)據(jù)流打包成以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

遠(yuǎn)程控制模塊上電時(shí)需要對(duì)內(nèi)部器件進(jìn)行初始化操作，即需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)芯片進(jìn)行初始化，包括設(shè)置本機(jī)IP地址、子網(wǎng)掩碼，發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)的大小等，之后設(shè)置Socket工作模式。

1.2　執(zhí)行模塊

控制模塊不僅可以通過輸出開關(guān)量對(duì)執(zhí)行模塊進(jìn)行控制，還可以采集執(zhí)行模塊中配電開關(guān)的狀態(tài)反饋信號(hào)。執(zhí)行模塊由單相配電單元和三相配電單元組成，即單相配電單元控制單相交流220V電源的導(dǎo)通和關(guān)斷，如圖3(a)所示；三相配電單元控制三相交流380V電源的導(dǎo)通和關(guān)斷，如圖3(b)所示。

首先對(duì)單相配電單元的工作原理進(jìn)行詳細(xì)論述。

單相配電單元以斷路器和繼電器為核心器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單相電路的遙控和本控兩種方式的控制。通過MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷對(duì)繼電器KA1和KA2線包直流24V電源進(jìn)行通斷，從而使遙控繼電器的觸點(diǎn)閉合和斷開，控制繼電器KA5的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載支路的接通和關(guān)斷，繼電器的輔助觸點(diǎn)將動(dòng)作信號(hào)反饋到狀態(tài)信號(hào)輸入單元，從而判斷繼電器是否正常工作。也可進(jìn)行本控操作實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器KA5的通斷控制，即S1為常開開關(guān)、S2為常閉開關(guān)，通過閉合開關(guān)S1實(shí)現(xiàn)單相電路的導(dǎo)通，關(guān)斷開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)單相電路的斷開，同時(shí)將相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)反饋到狀態(tài)信號(hào)輸入單元。斷路器QF1的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器動(dòng)作的狀態(tài)檢測(cè)。三相配電單元的工作原理同單相配電單元，這里不再贅述。

其次，詳細(xì)地闡述三相配電單元的工作原理。三相配電單元以斷路器和接觸器為核心器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三相電路的遙控和本控兩種方式的控制。通過MOSFET管的導(dǎo)通和關(guān)斷對(duì)繼電器KA1和KA2線包的直流24V電源進(jìn)行通斷，從而使遙控繼電器的觸點(diǎn)閉合和斷開，控制接觸KM1的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載支路的接通和關(guān)斷，接觸器的輔助觸點(diǎn)將動(dòng)作信號(hào)反饋到狀態(tài)信號(hào)輸入單元，從而判斷接觸器是否正常工作。也可進(jìn)行本控操作實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器KM1的通斷控制，即S1為常開開關(guān)、S2為常閉開關(guān)，通過閉合開關(guān)S1實(shí)現(xiàn)三相電路的導(dǎo)通，關(guān)斷開關(guān)S2實(shí)現(xiàn)三相電路的斷開，同時(shí)將相應(yīng)的動(dòng)作信號(hào)反饋到狀態(tài)信號(hào)輸入單元。斷路器QF1的輔助觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器動(dòng)作的狀態(tài)檢測(cè)。

通過以上單相配電單元和三相配電單元工作原理的描述，進(jìn)一步闡述了本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程雷達(dá)配電系統(tǒng)的遙控機(jī)理，與以太網(wǎng)通信和WinSock技術(shù)相結(jié)合，不僅提高了遠(yuǎn)程雷達(dá)配電系統(tǒng)的可靠性、多樣化、智能化、模塊化，還減小了配電系統(tǒng)的體積和重量，集成度更高。

1.3　智能電表和其它監(jiān)測(cè)設(shè)備

采用型號(hào)為WB51GR01的智能電表對(duì)供電系統(tǒng)電力參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選用煙霧報(bào)警器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)設(shè)備的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及采用相序繼電器對(duì)供電電網(wǎng)進(jìn)行輸入相序、輸入過欠壓和輸入缺相等故障監(jiān)測(cè)，其中智能電表采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信接口和Modbus通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，煙霧報(bào)警器和相序繼電器的輸出直接連接到FPGA的I/O上，采集開關(guān)量的狀態(tài)和故障信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程雷達(dá)配電系統(tǒng)的全方位實(shí)時(shí)性的監(jiān)測(cè)和管理。

2　軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程控制模塊之間采用以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電柜各個(gè)回路的遙控通斷，并將系統(tǒng)中電氣測(cè)量的數(shù)據(jù)和狀態(tài)量傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，以便操作人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

將FPGA的VHDL編程語言通過JTAG接口下載到處理器中，主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參數(shù)、串口數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，以及I/O口采集和控制數(shù)據(jù)的處理和轉(zhuǎn)換等。其中，F(xiàn)PGA的I/O口主要采集配電系統(tǒng)的信號(hào)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，同時(shí)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包控制執(zhí)行模塊和讀取電力參數(shù)[4-5]。

監(jiān)控系統(tǒng)的控制界面采用Visual C++6.0工具進(jìn)行編寫，操作靈活，優(yōu)化了人機(jī)界面。Windows Sochets是Windows下得到廣泛應(yīng)用的、開放的、支持多種協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口，其不需要對(duì)以太網(wǎng)通訊協(xié)議進(jìn)行程序的編寫，只需要操作網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用編程界面即可，從1991年的1.0版到1995年的2.0.8版，經(jīng)過不斷完善并在Intel、Microsoft、Sun、SGI、Informix、Novell等公司的全力支持下，已成為Windows網(wǎng)絡(luò)編程的事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。CObject是大多數(shù)MFC類的根類或基類，且具有很多派生類。其中，CAsyncsocket類是CObject類的派生類，是一個(gè)異步非阻塞Socket封裝類，封裝了集成在MFC類庫(kù)中的Windows套接字API函數(shù)[6-10]。從而與面向?qū)ο蟮姆椒ňo密聯(lián)系。在本程序設(shè)計(jì)中，采用的是CSocket類，該類是MFC在CAsyncsocket基礎(chǔ)上派生的一個(gè)同步阻塞的Socket的封裝類，比CAsyncsocket類提供了更高層次的套接字支持。即使用CSocket類可以忽略網(wǎng)絡(luò)通信中的窗口創(chuàng)建、消息發(fā)送和接收等細(xì)節(jié)，與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送send和接收recv函數(shù)相比，CSocket類與CSocketFile類、CArchive類協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的間接發(fā)送和接收。

在遠(yuǎn)程遙控網(wǎng)絡(luò)通訊模塊中，本文按照主從模式、面向連接的服務(wù)方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送，其套接字調(diào)用順序如圖4所示。

根據(jù)上述介紹，監(jiān)控計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程控制模塊之間的數(shù)據(jù)主要通過TCP/IP協(xié)議棧和Windows Sochets進(jìn)行傳送和接收。首先，遠(yuǎn)程控制模塊需要建立一個(gè)監(jiān)控程序，時(shí)刻監(jiān)控著計(jì)算機(jī)的響應(yīng)請(qǐng)求，并決定是否響應(yīng)該請(qǐng)求。如果響應(yīng)需求，則建立Socket函數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算機(jī)發(fā)送的請(qǐng)求，即調(diào)用面向連接的套接字系統(tǒng)；其次，監(jiān)控計(jì)算機(jī)需要處理FD_CONNECT、FD_CLOSE，F(xiàn)D_READ和FD_WRITE等四種網(wǎng)絡(luò)事件；最后，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序中自定義CMySocket類，根據(jù)配電系統(tǒng)對(duì)控制模塊需求建立CMySocket對(duì)象，用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。圖5所示為監(jiān)控計(jì)算機(jī)的軟件設(shè)計(jì)流程，首先，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化和數(shù)據(jù)庫(kù)的連接；其次，等待客戶端的連接請(qǐng)求以及創(chuàng)建CMySocket；最后，通過串口連接讀取/發(fā)送配電系統(tǒng)的電力參數(shù)和配電控制指令，關(guān)閉端口連接。其優(yōu)化的監(jiān)控界面如圖6所示。

3　工控系統(tǒng)防護(hù)

本文主要基于以FPGA為核心處理器、TCP/IP以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)程遙控供配電系統(tǒng)，應(yīng)用于某雷達(dá)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)配電的智能化、便捷性和可靠性等功能。但目前的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中廣泛采用的技術(shù)為以太網(wǎng)通信協(xié)議，其自身在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮上位機(jī)和終端控制之間的互聯(lián)和共享的問題，且存在的漏洞較多，一旦發(fā)生病毒入侵或者爆發(fā)信息戰(zhàn)，對(duì)雷達(dá)的工控系統(tǒng)防護(hù)性將會(huì)造成不可估量的安全隱患[10-11]。所以，本設(shè)計(jì)主要從人員安全管理、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、主機(jī)系統(tǒng)等方面充分考慮，以保證雷達(dá)遠(yuǎn)程配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.1　人員安全管理

對(duì)雷達(dá)配電的工控系統(tǒng)以三級(jí)防護(hù)的原則進(jìn)行整體的安全性設(shè)計(jì)，其中應(yīng)該明確規(guī)定配電系統(tǒng)的主要安全負(fù)責(zé)人和主要職責(zé)，從而制定有針對(duì)性的安全防護(hù)措施和管理制度，簽訂保密協(xié)議，加強(qiáng)各負(fù)責(zé)人及其相關(guān)人員的保密意識(shí)，確保配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2　網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

開發(fā)和設(shè)計(jì)智能供配電系統(tǒng)時(shí)，必須要充分考慮工控系統(tǒng)的安全性和重要性，需要將智能信息化安全管理機(jī)理融入到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。因此，在雷達(dá)供配電各系統(tǒng)之間，通過遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)遙控安全加密通道、終端機(jī)和用戶身份的認(rèn)證以及邏輯隔離控制器等安全策略，為雷達(dá)遠(yuǎn)程供配電系統(tǒng)提供多級(jí)的防護(hù)措施。

其中，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的安全性是整個(gè)智能化工控系統(tǒng)的核心部分，主要為配電系統(tǒng)的遙控和實(shí)時(shí)性檢測(cè)提高安全、可靠、靈活的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境平臺(tái)。所以，對(duì)配電系統(tǒng)的主要網(wǎng)絡(luò)控制和設(shè)備的智能控制采用自主研發(fā)的可控系統(tǒng)進(jìn)行代替，并且實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的主要通訊協(xié)議、主要鏈路設(shè)備通訊以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的加密處理。

3.3　主機(jī)系統(tǒng)

主機(jī)系統(tǒng)的防護(hù)主要對(duì)上位機(jī)、終端機(jī)等服務(wù)器的安全性防護(hù)，安裝病毒防護(hù)軟件并及時(shí)更新病毒庫(kù)，定期進(jìn)行操作系統(tǒng)的修復(fù)、升級(jí)和防護(hù)，設(shè)置賬戶和身份認(rèn)證的多重密碼策略，同時(shí)開啟服務(wù)器的工作日志審查和自檢功能。

同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用兩套防火墻控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的安全性隔離和安全性保護(hù)措施，通過服務(wù)器內(nèi)部的安全審查系統(tǒng)，對(duì)終端機(jī)等設(shè)備的操作方式、運(yùn)行方式以及修復(fù)方式進(jìn)行跟蹤審查和及時(shí)反饋，從而對(duì)其進(jìn)行快速性的處理。

4　結(jié)束語

隨著現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)備的不斷出現(xiàn)以及雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜化，傳統(tǒng)的雷達(dá)配電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足目前的需求，并逐漸趨向于數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通信協(xié)議以及Windows Socket編程技術(shù)，主要用于遠(yuǎn)程雷達(dá)配電系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和站間的通信，闡述了配電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和軟件部分的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程雷達(dá)的遙控配電功能，以及對(duì)其進(jìn)行工控系統(tǒng)防護(hù)方面所采取措施的簡(jiǎn)單闡述。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程配電系統(tǒng)已在某雷達(dá)系統(tǒng)中投入使用，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)的本、遙控方式，以及智能配電的目的，整體運(yùn)行穩(wěn)定可靠、數(shù)據(jù)傳輸速率快、擴(kuò)展靈活、安全性更好等優(yōu)點(diǎn)。

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