摘要：針對(duì)油庫(kù)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(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新型的數(shù)據(jù)變送器。shou先，通過(guò)分析IEC61850的特點(diǎn)及其概念模型論證了跨行業(yè)應(yīng)用該協(xié)議的可行性；其次，討論了設(shè)備功能的劃分，并給出了設(shè)備功能描述文件的重點(diǎn)片段；#后，設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了智能設(shè)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(yīng)用實(shí)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(kù)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(xiàng)數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)變送至信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集中處理的模式有：利用4~20mA模擬信號(hào)或Modbus串口協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)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(duì)數(shù)據(jù)的解析嚴(yán)重依賴特定的液位儀，使得液位儀更新和信息系統(tǒng)升級(jí)相互制約、無(wú)法好立進(jìn)行；②信息系統(tǒng)所獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)缺乏品質(zhì)、時(shí)標(biāo)等信息，對(duì)數(shù)據(jù)分析不利；③在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中若發(fā)生線路中斷，則無(wú)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(wú)法滿足油庫(kù)信息化系統(tǒng)建設(shè)的需求，故此設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新型的液位變送器。該設(shè)備以嵌入式操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)、借助電力系統(tǒng)中普及應(yīng)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(diǎn)，為油庫(kù)管理的信息化和自動(dòng)化控制預(yù)留豐富的接口。
二、應(yīng)用IEC61850的可行性
1．IEC61850的特點(diǎn)
IEC61850是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備間的無(wú)縫信息通信和互操作。該標(biāo)準(zhǔn)的突出特點(diǎn)有：①開(kāi)放、分層的拓?fù)浣Y(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(shí)現(xiàn)相好立、服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò)好立；④提供能夠自我描述的數(shù)據(jù)對(duì)象及服務(wù)；⑤不同的廠商設(shè)備間可互操作。
2．設(shè)備描述的概念模型
IEC61850用客戶/服務(wù)器概念來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互操作和系統(tǒng)無(wú)縫集成，服務(wù)器的核心功能是提供數(shù)據(jù)服務(wù)，客戶端，亦即后臺(tái)信息系統(tǒng)，通過(guò)請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù)獲取數(shù)據(jù)信息，其中能提供數(shù)據(jù)服務(wù)的設(shè)備也稱作智能電子設(shè)備(IED)。
客戶/服務(wù)器進(jìn)行信息交互的基礎(chǔ)是設(shè)備功能描述文件，它XML語(yǔ)言為基礎(chǔ)，詳細(xì)地描述了與通信相關(guān)的智能電子設(shè)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(kuò)展性和自定義性、異構(gòu)系統(tǒng)間的信息無(wú)障礙互通、數(shù)據(jù)內(nèi)容與顯示處理相分離等特點(diǎn), 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(jìn)行交換。同時(shí)，功能描述文件采用面向?qū)ο蟮慕７绞剑沟脭?shù)據(jù)對(duì)象、設(shè)備功能以及數(shù)據(jù)服務(wù)具備自描述特性。以上2點(diǎn)決定了客戶／服務(wù)器之間不存在直接的依賴關(guān)系，換言之二者的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)完全可以好立進(jìn)行。
圖1 是描述I E D設(shè)備功能的概念模型，位于頂層的是服務(wù)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(shè)備(LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)(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(duì)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(cè)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(wù)方式的報(bào)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(duì)象模型。圍繞設(shè)備功能描述，服務(wù)器端提供不同的服務(wù)，如讀值、報(bào)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(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)，但因?yàn)樗鼜V泛吸收了計(jì)算機(jī)、通訊和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的成熟技術(shù)，使得它可以無(wú)障礙地直接應(yīng)用到其它的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。正是基于上述認(rèn)識(shí)，本文決定采用IEC61850通訊協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)智能的液位數(shù)據(jù)變送器，使得設(shè)備實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸、信息處理系統(tǒng)的相互好立。
三、設(shè)備功能描述
IEC61850在電力系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，因此對(duì)如何描述設(shè)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(shè)備功能則需探討。經(jīng)實(shí)際分析認(rèn)為新設(shè)計(jì)的變送器應(yīng)具備的功能有：數(shù)據(jù)測(cè)量、信息告警、日志服務(wù)、設(shè)備遙控。限于篇幅，本文只從數(shù)據(jù)測(cè)量和日志記錄2個(gè)方面簡(jiǎn)要敘述。
1．定義測(cè)量數(shù)據(jù)集
綜合相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合油罐信息采集的實(shí)際需求，本文將測(cè)量數(shù)據(jù)分為2組：地衣組是液位、水位、溫度、體積、密度等與儲(chǔ)油量相關(guān)的數(shù)據(jù)；第二組是泵電流、泵進(jìn)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(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)集。
一個(gè)FCDA描述了一個(gè)被測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)象，相同性質(zhì)的數(shù)據(jù)對(duì)象構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)集，例如與儲(chǔ)油量相關(guān)的數(shù)據(jù)構(gòu)成個(gè)數(shù)據(jù)集dsMeasure，圖2是數(shù)據(jù)集的示例。圖2所示是定義地衣組測(cè)量數(shù)據(jù)集實(shí)例的一部分，數(shù)據(jù)集名稱為dsMeasure。設(shè)服務(wù)器名為YG21MONT，則在客戶/服務(wù)器中表示油液高度數(shù)據(jù)的語(yǔ)義路徑為YG21MONT/SIML1$MX$OilLvl。
需要說(shuō)明的是，由于測(cè)量數(shù)據(jù)的品質(zhì)、時(shí)標(biāo)等信息對(duì)測(cè)量值起到置信說(shuō)明的緣故，因此本文在定義被測(cè)量對(duì)象時(shí)沒(méi)有細(xì)化到daName，而僅有doName，這是與電力系統(tǒng)中常見(jiàn)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(kāi)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(wù)
當(dāng)客戶端因網(wǎng)絡(luò)故障沒(méi)有收到IED發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)告，客戶端則可以通過(guò)日志服務(wù)檢索歷史數(shù)據(jù)。日志的內(nèi)容按時(shí)間順序構(gòu)成一個(gè)“先入先出”隊(duì)列，因此客戶端可次序獲取歷史測(cè)量數(shù)據(jù)或告警信息，這為數(shù)據(jù)核對(duì)和故障分析帶來(lái)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(shè)備功能描述中關(guān)于日志服務(wù)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(yīng)相一致。
日志內(nèi)容也是面向?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)，對(duì)象成員包括數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對(duì)象、原因代碼、觸發(fā)選項(xiàng)，客戶端可以通過(guò)修改LogEna為false停止日志服務(wù)功能。觸發(fā)選項(xiàng)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(shí)才添加日志內(nèi)容。
日志內(nèi)容是保存在RAM中的隊(duì)列，為保證IED重啟后日志內(nèi)容不丟失，因此在添加隊(duì)列條目時(shí)，同時(shí)將之保存為磁盤文件，當(dāng)IED重啟后shou先將文件內(nèi)容依次加載到隊(duì)列中。本文的日志服務(wù)實(shí)現(xiàn)始終保存#近6個(gè)月的日志內(nèi)容
四、軟件實(shí)現(xiàn)
目前，IEC61850通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)大都采用SISCO公司的MMS-EASE Lite軟件包，它利用MMS(報(bào)文制造規(guī)范)實(shí)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(yàn)證I E C 6 1 8 5 0協(xié)議在設(shè)計(jì)液位變送器應(yīng)用中的可行性，本文在原有的液位儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備與IEC61850之間添加了一個(gè)轉(zhuǎn)換層，該轉(zhuǎn)換層一方面對(duì)上實(shí)現(xiàn)與MMS-EASE Lite的數(shù)據(jù)接口，另一方面與監(jiān)測(cè)設(shè)備仍采用串行通訊的方式周期性查詢監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)、狀態(tài)等。作者認(rèn)為：從經(jīng)濟(jì)角度和實(shí)現(xiàn)周期角度來(lái)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(yùn)行utuLinux2.6.24嵌入式操作系統(tǒng)的S3C2440的工控板實(shí)現(xiàn)的，其硬件資源有主頻400MHz, 內(nèi)存64MB，一個(gè)以太網(wǎng)口, 三個(gè)串行口，一個(gè)SD卡接口。本文中的可執(zhí)行程序、設(shè)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(shí)現(xiàn)主要考慮論如何合理地實(shí)現(xiàn)的MMS-EASE Lite數(shù)據(jù)接口、高效地完成與監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊。
1．?dāng)?shù)據(jù)接口
客戶端獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)對(duì)象的過(guò)程如下：①客戶端解析設(shè)備功能描述文件獲取對(duì)象的語(yǔ)義路徑，以之為參數(shù)請(qǐng)求讀數(shù)據(jù)服務(wù)；②服務(wù)器端應(yīng)用程序訪問(wèn)內(nèi)存中該對(duì)象的實(shí)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(yīng)服務(wù); ③將響應(yīng)報(bào)文按客戶端組織報(bào)文的流程發(fā)送給客戶端；④客戶端接收到報(bào)文后分析、確認(rèn)為讀數(shù)據(jù)服務(wù)的響應(yīng)。
此可見(jiàn)，客戶端是數(shù)據(jù)的消費(fèi)者，而數(shù)據(jù)的生產(chǎn)者則是不同廠商的液位監(jiān)測(cè)設(shè)備。為了能夠程序少改動(dòng)、甚至不改動(dòng)的情況下，#大限度兼容不同廠家的液位監(jiān)測(cè)設(shè)備，本文在在消費(fèi)者與生產(chǎn)者之間增加了用內(nèi)存實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)作為二者的數(shù)據(jù)接口。
以數(shù)據(jù)集dsMeasure為例，shou先為該數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)對(duì)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(shijie標(biāo)準(zhǔn)時(shí))格式的時(shí)標(biāo)。
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(cè)不同油罐的液位儀設(shè)備，uGrpNum用于區(qū)分相同設(shè)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(jìn)油相關(guān)的數(shù)據(jù)屬于不同的分組，uItemNum則同一個(gè)數(shù)據(jù)集中的不同數(shù)據(jù)項(xiàng)。
通過(guò)uDevId、uGrpNum、uItemNum可以有效地將之與數(shù)據(jù)對(duì)象的語(yǔ)義路徑非常好地關(guān)聯(lián)起來(lái)，如此服務(wù)器在為客戶端提供數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，只需查看內(nèi)存中的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)即可，這一方面wuxu擔(dān)心直接向液位儀查詢數(shù)據(jù)而導(dǎo)致服務(wù)響應(yīng)超時(shí)，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(kù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以方便地檢查每2次數(shù)據(jù)之間變化的覺(jué)對(duì)值和相對(duì)值，為判斷數(shù)據(jù)品質(zhì)，如溢出、越界、抖動(dòng)、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(yīng)、接收數(shù)據(jù)、分析結(jié)果Modbus串行數(shù)據(jù)通訊的常見(jiàn)模式，但作者發(fā)現(xiàn)等待時(shí)間過(guò)短會(huì)造成響應(yīng)數(shù)據(jù)接收的遺漏，等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則又會(huì)嚴(yán)重地影響嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使得客戶端的服務(wù)請(qǐng)求經(jīng)常得不到及時(shí)的響應(yīng)。經(jīng)過(guò)權(quán)衡，本文采用圖4所示的方式與液位儀進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。
圖4顯示本文以2個(gè)好立的線程分別處理串行口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收工作。shou先，IEC61850服務(wù)程序可以接收客戶端發(fā)來(lái)的遠(yuǎn)程操作命令，同時(shí)用定時(shí)器周期性地查詢液位儀以及油泵的測(cè)量數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息以及告警信息。為了使同一時(shí)刻到達(dá)的命令可以井然有序地通過(guò)串行口發(fā)送，本文用同步原語(yǔ)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(diǎn)之前，需要遍歷鏈表，以確保所添加的命令類型是非常好的。
其次，當(dāng)函數(shù)Uart_Write()被調(diào)用時(shí)，它從CallList中取出一個(gè)命令節(jié)點(diǎn)并以設(shè)備相關(guān)的方式構(gòu)造Modbus數(shù)據(jù)報(bào)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(xiě)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(xiě)入串行口。與此同時(shí)，UartWrite()啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器，如果所發(fā)報(bào)文在指定的時(shí)間內(nèi)未得到響應(yīng)，重發(fā)一次報(bào)文，若仍無(wú)響應(yīng)，則通知IEC61850的客戶端：“設(shè)備通訊連接中斷”。
#后，串行口接收線程周期地讀串行口，無(wú)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(shè)備的Modbus規(guī)約檢查數(shù)據(jù)的完整性、正確性。如果接收長(zhǎng)度不足以構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)報(bào)文，則暫不作分析；如果通過(guò)數(shù)據(jù)完整性和正確性的檢查就進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，根據(jù)報(bào)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(kù)中；同時(shí)將解析過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)報(bào)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(shuō)明從SendList發(fā)出的數(shù)據(jù)報(bào)文得到了正確的響應(yīng)，此時(shí)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(shè)置超時(shí)定時(shí)器的一個(gè)重要目的：防止所發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)文得不到響應(yīng)后，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)送流程中斷，進(jìn)而影響與其它設(shè)備的正常通訊。
至此，本文將與具體液位儀設(shè)備相關(guān)的Modbus協(xié)議隱藏在了IED設(shè)備內(nèi)部，而對(duì)外統(tǒng)一地顯露IEC61850數(shù)據(jù)服務(wù)接口，有效地消除了傳統(tǒng)液位儀與后臺(tái)信息系統(tǒng)間的強(qiáng)耦合關(guān)系。
五、應(yīng)用實(shí)踐
文中所設(shè)計(jì)的智能液位變送器，本文結(jié)合常州鐘樓儲(chǔ)油罐液位儀以及油泵監(jiān)測(cè)設(shè)備做了實(shí)地應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。所有的液位儀和油泵監(jiān)測(cè)設(shè)備都通過(guò)RS485掛接在工控板的2個(gè)串行口上。設(shè)定IED的服務(wù)器名稱為YG21MONT，其局域網(wǎng)地址為192.168.1.21，而控制中心對(duì)設(shè)備的了解只來(lái)自設(shè)備功能描述文件。借助互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程登陸服務(wù)，位于南京的控制中心可成功地連接IED設(shè)備，并實(shí)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(cè)對(duì)象列表，右側(cè)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)實(shí)。
應(yīng)用實(shí)踐表明，無(wú)論在IED設(shè)備內(nèi)部獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的方式如何，但它對(duì)外都采用了統(tǒng)一的IEC61850數(shù)據(jù)服務(wù)，這使得數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)與具體液位儀設(shè)備不再相互依賴，故而本文所設(shè)計(jì)的新型液位智能變送器是成功的。
六、 結(jié)束語(yǔ)
本文利用IEC61850協(xié)議設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了新型液位變送器，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1﹒所變送的數(shù)據(jù)對(duì)象可以根據(jù)油庫(kù)管理信息化的需要自由擴(kuò)展，不受液位儀具體的型號(hào)限制；
2﹒客戶端/服務(wù)器端(即IED設(shè)備端)不存在著直接的耦合關(guān)系，二者的技術(shù)升級(jí)不再相互影響，可以好立進(jìn)行；
3﹒測(cè)量數(shù)據(jù)除了擁有數(shù)值屬性外，還具有品質(zhì)和時(shí)標(biāo)屬性，測(cè)量數(shù)據(jù)還可以實(shí)現(xiàn)歷史追溯，為分析IED設(shè)備的故障提供了便利。
目前，雖然所設(shè)計(jì)的IED設(shè)備預(yù)留了遙控功能的接口，但具體實(shí)現(xiàn)尚未完成，這也是后續(xù)工作的重點(diǎn)。
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