厂站自动化系统中串口设备上网方案的设计
供稿：摩莎科技（上海）有限公司
- 关键词：电机,流量计,直流调速,工控
摘要：本文研究了厂站自动化系统中常规RS-232/422/485串行接口的间隔级测控保护单元和智能电子设备（IED）通过转换上TCP/IP以太网的必要性和可行性，并就此提出了不同应用情况下的集中上网方案。上网后对通讯媒介选择，通讯规约改变，原有通讯接口软件兼容性等方面及转换模块安装于开关柜上对温度、抗震性、抗干扰性等进行了进一步分析，并结合本公司的NSC厂站自动化系统，介绍了此方案在220KV变电站的应用情况。
关键词：以太网、TCP/IP、UDP、串口通讯、厂站自动化
引言
以太网作为IT产业的主要通讯骨干，已是众所周知的事实，并已大量的应用在人类生活息息相关的信息产业上，形成一股强大的网络化的潮流。以太网通讯技术在厂站自动化系统中的应用也早已开始，且有一定的运行经验，系统内各智能设备间广泛采用TCP/IP以太网技术，有助于提高数据传输的效率，从而解决串口通讯时信息堵塞或时效性差（如发生大量事件），信息容量限制（如故障录波信息的上传）提供了可能，从而提高整个系统自动化的能力，达到降低成本，提高产品竞争力的目标。
另一方面，目前广泛应用于厂站自动化的大量国内外保护设备及其他智能设备（IED）都只具有传统的RS-232/422/485通讯接口，有的具有Profibus,Lonworks,CAN等现场总线接口，新的具有以太网的间隔级单元正处在开发和试用阶段，大规模的应用还有一段时间，而且老站改造时通过外部转换使其具备上网能力可能更符合实际要求，这就给本文探讨的问题提供了现实性与应用的可能性。
1、实现网络化的必要性
目前国内外的厂站自动化系统，其智能电子设备间的通讯连接多以串口连接为主，在站控层有的采用以太网通讯连接，在间隔层有的采用现场总线如Profibus,Lonworks,CAN等连接，当然也有的采用全部设备挂在单、双以太网上的模式。对于采用串口通讯为主的厂站自动化系统，由于串行通讯本身的限制，具有以下几点局限性：
l 通讯速率较低，实际应用最多为19200bps。
l 站控主单元为系统的核心，起着信息上传和命令下达的核心作用，对其软、硬件的要求很高，一旦出现问题。除间隔单元还能够正常运行外，其站控极的运转将处于不正常状态。
l 采用RS-485方式时，通讯效率相对较低，通讯方式只能采用循环问答式，间隔级单元发生谣信变位，保护动作时信息无法主动上传。
l 采用RS-232方式时，通讯距离太短，不能大于15米
l 采用电缆连接时，各串口线不支持带电插拔。
l 各间隔级单元间无法实现直接数据交换
串口设备实现上网后，为以上问题的解决提供了硬件可能，当然还需一定的软件配套改进，这些会在下面进一步分析。应该指出的是，实现间隔间设备自身具备以太网接口能力才是最终的解决方案，但这一点对既有产品来说，是不太现实的。另一方面，串口设备上网需增大系统的成本，且在一定程度上增加通讯的故障点和环节，对某些不必要的应用场合不推荐使用。
2、实现网络化的可行性
以太网是采用冲突检测载波仪监听多点访问（CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With COLLISION detection）机制解决通信介质层竞争问题的，这造成了以太网通信响应的不确定性，也是长期以来它应用到工业现场设备中的主要障碍。
随着以太网技术的快速发展，目前通信速率一般达到10Mb/s，100Mb/s的快速以太网也已开始广泛应用，使以太网通信实时性得到了增强。使用交换式集线器代替共享式集线器，将网络冲突域细化，各端口发送来的数据报文不会在所有端口上广播发送，减小了冲突的可能性，使以太网通信确定性加强。
所以，在工程实施过程中采用通信速率高的快速以太网组网，并且使用交换式集线器，使串口设备上网是完全可行的。
3、方案设计
以下就不同功能，不同工作环境，不同应用间隔下的设备，其串口网络化提出了不同的方案：
3.1 35KV及以下就地安装保护监控一体化单元
此类单元和站控主单元间连接的老方案和新方案如图1所示：
一般来说，此部分设备就地安装在开关柜上，原方案中它们和主单元通讯电缆或光缆较长，铺设在电缆沟内，新方案中通讯电缆或光缆数量不变，但采用电缆连接时电缆型号改变，新方案一各单元共挂在一条RS-485总线上，其和站控层设备间信息交换仍采取问答式，各单元无法主动上传信息，新方案二各单元通过网络设备服务器直接挂在站控层以太网上，其信息交换可采用问答式和主动上送相结合的非平衡传输方式。
3.2 110KV及以上线路及主变测控单元
此类单元和站控主单元间通讯连接的老方案和新方案如图2所示：
新方案二适合于高压间隔测控单元和站控主单元不在同一房间距离较远的场合，此时两者间的通讯电缆或光缆只有一根。
3.3 外部智能设备
由于外部智能设备串口通讯规约（可能仅支持问答式）、通讯接口能力的限制，及对其信息交互的实时性要求相对较低，可维持其原和站控主单元串口通讯的方式，若有上网条件或需要，可采取图1b)和图2b)两种方案。
4、 用串口 上网技术后要解决的几个问题
4.1如何满足工业现场的环境要求
设备在恶劣环境下的可靠性是用户最关心的问题，如何使以太网产品能象工控机，间隔保护、测控单元及PLC一样可以长期可靠运行在恶劣现场条件下是我们需要解决的第一个问题。工业现场要求以太网产品能具有以下特点：
l 可以在较宽温度条件下可靠工作，一般为-5℃~+55℃，特殊要求为-40℃~+80℃
l 应具有适合工业安装的方法，如DIN标准导轨安装，19“机架等及坚固的防震、防腐蚀、防湿、防爆等措施。
l 应能长期、可靠、不间断的使用，最好能达到10~20年。
l 应使用高可靠的机械、电气结构，防止缩短设备寿命的环境问题，最好不使用风扇，使用冗余措施增加系统的可靠性，如冗余的电源输入。
目前国内外许多通讯设备供应商如MOXA、研华等，也注意到了以上需要，相继开发了一系列工业用网络设备，包括工业以太网交换机，工业串口网络转换器等，它们大都具有更广泛的温度范围，具有冗余的电源输入，适合现场方便、快速安装，高平均无故障时间，符合IEC等相关标准，成为厂站自动化系统集成时的首选产品。
4.2如何提高信息交换的实时性和容量
串口设备上网为系统内各单元间信息交换向高实时性，大容量方向发展创造了条件，那种仅采用以太网通讯代替原有出串口通讯，而不作相应通讯规约，通讯波特率等的改进是没有太大意义的，而且还人为地增加了通讯故障的产生环节。
4.2.1通讯规约或方式的重新选择
这一点对原来采用RS-485总线通讯的设备尤为重要，RS-485的通讯方式为半双工，其通讯只能采用一问一答的方式，而且在总线转换过程中需要一定的延时，当总线上有设备退出运行或故障时，用于等待此设备的回答又需占用部分总线的时间，这些都大大限制了通讯的实时性。采用图1c)方案后，各单元独立挂在以太网上，相互间无通讯时间配合限制，可采用主动上送和问答两种结合的模式，正常情况下仍采取问答方式，发生测量越限、状态变位、保护事件发生等情况时，可将信息立即上送，这样的话，原采用IEC870-5-103平衡方式传输的可采用非平衡方式传输。
4.2.2串口部分通讯速率的提高
限于通讯距离、抗干扰能力及软件流控等因素，原来站控主单元和各间隔设备间采用RS-232/485通讯时，通讯波特率一般为9600bps，有时采用19200bps或38400bps，采用串口上网技术后，以太网部分的通讯速率可达10M/100M，串口部分由于通讯距离大大缩短，采用高速率通讯已经有了技术保证，而且从实际试验及运行效果看，将此部分通讯波特率提高至38400bps是可行的。
4.2.3软件移植的方便性
站控主单元与各监控单元间网络通讯编程可采用两种套接口方式，即UDP套接口和TCP套接口。众所周知，UDP是一个简单的、不可靠的、无连接的协议，而TCP是一个复杂的、可靠的、面向连接的协议。如果采用TCP方式，站控主单元与监控主单元将有一个可靠的数据传输服务，这会保证站控主单元与监控单元间的通讯报文不会丢失，也不会重复，但是也会占用较多的网络资源，增加网络负载，在监控单元较多时不宜采用，如果采用UDP方式，就需要站控主单元与监控单元的应用进程能够处理报文丢失重传以及报文重复等情况，由于老方案中各种监控单元与站控主单元间可以采用UDP接口方式进行通讯。在确定使用UDP方式进行通讯后，软件移植工作就变得比较简单，只需将原有程序中发送数据报文至某一串口改为发送至以太网口某一网址即可。
4.2.4通讯媒介的选择
与电缆相比，光缆具有抗干扰能力强，传输距离长等优点。目前商业用以太网通讯媒介多采用非屏蔽双绞线10Base T或100Base T,应用于变电站内其抗电磁干扰的能力不强。一般来说，对于主控室内屏柜内部或后台计算机间可仍采用非屏蔽双绞线，而对于屏柜间，继电器小室和主控室间及开关室和主控室间的通讯连接，宜采用光纤（10Base FL或100Base FX方式）。
4.2.5以太网设备的电源控制
对于图1b）、c)方案中的串口以太网转换器，由于其直接安装在开关柜上继电器小室内，故其外部电源输入应采取直流220V或110V直接输入方式，不宜采用直流24V/12V等电源变换输入方式，其应能在额定工作电源的±20%范围内能可靠工作。
4.2.6间隔设备间直接通讯的可能性
对图1c)和图2c)的方案中，由于间隔级设备已直接挂在以太网上，它们间可以实现互相通信，这就解决了以前方案中间隔级设备间无法直接互通的问题，对于系统间隔间联锁问题，这样要对某一间隔的某一对象进行相应分、合操作，该间隔单元不仅能根据它本身所采的本间隔信号状态，而且可以通过通讯获得其他间隔的信号状态，来判断是否可进行相应操作，而以前这些工作主要在站控主单元软件中处理完成，提高了实时<