（电力系统及其自动化专业论文）厂站数据接入pi系统通信子站的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ep o w e rs y s t e m sd e v e l o p m e n t , t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yb e c o m e s m o r ea n dm o l li m p o r t a n tf o rp o w e rs y s t e mr u n n i n g ，a c c o r d i n gt ow h i c hp l e n t yo f i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ( i e d ) a r ea p p l i e dt os u b s t a t i o n i no r d e rt oo b t a i nm o l l r e a lt i m ei n f o r m a t i o no fp o w e rs y s t e m ，s o m e b o d ya d v a n c et ob u i l dar e a lt i m e d a m b a s eo ft h ew h o l ep o w e rs y s t e mb a s e do np id a t a b a s et e c h n o l o g y n o w , l o t so f i n f o r m a t i o nw h i c ha c q u i tb yi e d o n l yb eu s e da th o m ea n d c a l l tb et r a n s m i t t e dt ot h e d a t a b a s e ，w h i c hl o s tm u c hm e s s a g e ，s ow ea d v a n c et ob u i l dan e wd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，w h i c hi sn a m e d s u b s t a t i o nd a t ai m p o r tt op id a t a b a s es y s t e m ”，t h ef u n c t i o n o ft h en 州s y s t e mi s i m p o r t i n gd a t ao fs u b s t a t i o n i e da c q u i r e dw i t hr e a l - t i m e p r o p e r t yo rs i m i l a r i t yr e a l - t i m ep r o p e r t yt op id a t a b a s e t h ec o m m l l l l i c a t i o ns u b s t a t i o nw h i c hd i s c u s s e db yt h i st h e s i si sc o m i n gf r o mt h e s y s t e mh e r e i n b e f o r e t h em a i nf u n c t i o n o fc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o ni sd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o t o c o lc o n v e r s i o n t h e s i si n t r o d u c e st h es t a t u sa n dp e c u l i a r i t yo f t h ec o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n t h ed e s i g no ne l e c t r i c a lo fc o m m u n i c a t i o nc o n f o r m s t om u l t i p l ec p uc o o p e r a t ew o r k i n g sp r i n c i p l e t h e s i sd e s c r i b e st h ec o l l e c t i v i t y w h o l ef r a m eo fh a r d w a r ea n de a c ho fh a r d w a r e sm o d u l e si nd e t a i l v x w o r k so si s u s e db yc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n t h es o f t w a r ew h o l ef l a m e ，d a t aa c q u i s i t i o n f r a n ea n di n t e r i o rc o m m u n i c a t i o na r ei n t e r p r e t e dp a r t i c u l a r , t h et h e s i sa l s os i m p l y d e s c r i b et h eh a r d w a r ed r i v e r , b s pd e v e l o p m e n t , k e y b o a r dp r o g r a m m e ra n ds oo n b e m d e ，t h et h e s i sh a si n t r o d u c e dh o wd a t ai si m p o r t e dt o p id a t a b a s eb y i e c 6 1 8 5 0 1 0 3p r o t o c o lo ro p cp r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：p l a n ti n f o r m a t i o nd a t a b a s e ；v x w o r l 【s ；d a t aa c q u i s i t i o n ； i n t e l l i g e n te l e c t r i cd e v i c e ( i e d ) ；c o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n ； o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 课题来源 为了保证电网的安全、可靠、经济运行，浙江省电力公司以实时数据库为技 术实现手段，正在开展建设全电网实时数据仓库的全面工作。通过对电网变电设 备的运行数据( 包括变电站自动化系统、电网监控及数据采集系统s c a d a 、电能 量采集和管理系统、配电网数据采集及监控系统、在线监测系统、直流监测系统 等) 进行集中数据存贮，实时数据仓库既充当电网运行的记录器，又为实时运行 分析和高级应用提供强大的数据基础。 电网变电设备的运行数据中存在大量的准实时和非实时的数据信息，如电网 继电保护故障信息、变电站直流监测信息、蓄电池监测信息、主设备状态监测信 息( 包括变压器油色谱检测、绝缘检测、断路器状态检测等) 等。上述信息的异 常情况应及时反映到相关专业部门及专业人员处，为此在区域电网信息中心将这 些准实时信息及时收集到实时数据仓库中并对其进行相应的处理及数据的二次 挖掘是必要的。当前电网中运用的主要数据库类型是关系型数据库，该类型数据 库存在一些弊端。对于一些准实时和非实时的数据信息无法存储。介于此，浙江 省电力公司提出了利用p i 实时数据库来建设全电网的实时数据仓库，对电网变 电设备的运行数据进行集中数据存贮，为实时运行分析和高级应用提供强大的、 统一的数据基础。 建立一个基于p l 的实时数据平台，浙江省公司分为两个步骤：首先是将电 网中实时性较强的运行数据通过s a c d a 系统直接导入p i 系统；其次将变电站 内的安全保障、设备监视、电源等辅助系统的信息接入p i 数据库。其中第二类 信息在一般情况下无须实时地反映到调度控制中心，只有在设备异常或故障的情 况下，需要在第一时间将这些信息报告到上级调度中心。目前上述系统和装置相 对比较独立，有很多系统只能在当地存储和查看装置的信息，有些系统只能上传 部分数据，有些系统甚至没有监控上传功能，而且规约类型( 多种标准规约或生 产厂商自定义规约) 较多，信息“孤岛效应”比较严重。 为实现上述信息有效集中、转换、存贮、上传和相应的应用，浙江大学、杭 浙江大学硕士学位论文 州升源科技公司和绍兴电力局联合开展了“厂站数据接入p i 系统的研究”项目。 这是一条除了目前的s c a d a 系统之外的另一个数据通道。该系统可将所有准实时 及非实时系统的智能装置中的信息都统一地接入，由通信子站通过o p c 接口直接 将采集信息写入p i 数据库，或者是由通信子站统一规约标准( i e c 6 1 8 5 0 1 0 4 ) 并通过电力信息网上送主站，写入p i 数据库。实现数据采集于一个最小化的平 台和最简化的集成接线方式，消除了冗余的设备和数据库，以提高可靠性和易维 护性，降低投资、运行、维护成本。本毕业设计课题正是源于该项目中的通信子 站部分。 2 课题意义 近年来国内外学者和企业提出了很多关于变电站准实时及非实时系统的智 能装置的信息采集传输方法。现有的变电站准实时及非实时系统的信息采集方法 主要采取在变电站内加装多串v i 通信服务器或网络交换机，实现区域电网信息中 心主站与智能装置的点对多点的信息传输模式。这种信息传输方式存在许多弊 端，如： a 由于不能提供有效的数据安全隔离措施，在数据传输过程中存在许多 无法预知的安全隐患； b 点对多点的通信方式将大大增加信息中心主站的通信负担，实效性差， 加重中心主站的信息接入的复杂程度，从而降低中心主站的运行安全 可靠性及实时性； c 不符合信息化建设分级分层的总体框架要求。 本文设计开发的厂站数据接入p i 系统通信子站正是响应了现代电力信息集 成化建设对于电力设备硬件和软件的要求，通信子站在电气设计方案上采用多 c p u 协同工作的设计原则，硬件采用模块化、可扩展式设计，在总体设计及各 模块设计上均充分考虑了可靠性的要求，并且具有单项数据隔离功能。在软件上 采用了嵌入式v x w o r k s 操作系统，该操作系统是业界稳定性高、可靠性强的多 任务实时操作系统。 随着计算机技术、通信技术和电子技术的迅猛发展，基于嵌入式硬件和嵌入 浙江大学硕士学位论文 式实时操作系统的具有多种规约转换功能通信子站，将为变电站准实时及非实时 系统与区域电网信息中心之间建立高效的信息互通提供高效可靠的解决方案，应 用前景将十分广阔。 3 本文内容安排 本文各章节主要内容排列如下： 第一章，绪论。简要说明本课题来源，目前厂站数据采集的状况和提出研制“厂 站数据p i 系统通信子站”的意义。 第二章，厂站数据接入p i 系统。包括了p i 的概念和p i 数据库的引入，也描述 了如何实现数据接入p i 数据库的方案，并提出研究的重点和方向。 第三章，v x w o r k s 操作系统。本章对实时操作系统作了简要介绍，并针对v x w o r k s 系统的特点进行了具体的说明和分析，重点介绍了v x w o r k s 内核的任务调 度和通信机制。对v x w o r k s 操作系统的开发工具作了介绍。为通信予站的 软件部分的描述作铺垫。 第四章，通信子站硬件。详细的描述了通信子站硬件，对装置硬件的各个功能模 块进行了较为详细的叙述。包括了如何扩展存储器、如何扩展串行口、如 何实现光电隔离、如何使用时钟、如何扩展网口等等。读者可以从中获得 一些芯片的基本使用知识，了解电路设计的基本步骤。 第五章，通信子站软件。介绍了通信子站软件的总体框架和总的数据信息流程， 简单描述了b s p 和驱动程序的实现；详细的描述了采集程序的架构；阐述 了采集板和管理板间的软总线的实现方法；最后简单介绍了上行通信和人 机界面的开发。 第六章，总结。总结了本文的主要研究工作，指出不足以及今后需要进一步研究 的问题和方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章厂站数据接入p i 系统 2 1 概述 电力信息化建设要求将电力系统中各种设备的运行状况及时的反应到相关 专业人士手中，以便分析和研究。对电网运行的安全性和可靠性非常重要，同时 也给电力系统故障提供最有用的第一手资料。这就要求用一个庞大的数据库来保 存电网运行的信息。 目前的运动系统，既通常所说的s c a d a 系统，在电力系统中应用最为广泛， 技术发展也最为成熟，它充当了电力系统自动化的实时数据源，为电力系统的运 行与控制提供了大量的实时数据。就目前的情况来看，s c a d a 系统的数据采集 和监视功能是非常强大的，已经能够提供绝大多数运行数据。已经能够将电网的 最重要的数据通过电力数据网导入实时数据库。但其存储实时历史数据的能力 还相对欠缺，表现在：s c a d a 的实时数据库具有专用性，一般由各个厂商独立 开发，其数据模型和访问接口是非标准的，限制了整个系统的开放性和互操作性； s c a d a 的历史数据处理能力是有限的，不能进行历史数据的长期在线保存。 随着电力信息化的深入发展，原来的一些在变电站本地展示和处理的数据信 息，如变压器油色谱分析仪、蓄电池在线监测、智能直流屏、直流绝缘监测装 置、高压开关实时状态在线监测系统、电能质量监测装置等装置的运行状况信 息，也要反应到上级调度部门。于是在s c a d a 系统之外再建立一个标准的实时 数据平台就成为信息集成的一种趋势。这里带来了两个问题： 第一，如何选择合适的数据库来存储这么庞大而复杂的信息。这些信息中有 实时信息、有非实时信息、还有一些准时实信息，也就是那些当正常时不需要了 解但是当有故障时要第一时间反映到上级调度的信息。 第二，如何将这些数据安全、可靠、实时的导入到数据库中。 对于第一个问题，目前浙江省电力公司引入了p i 数据来存储所有这些信息， 对于第二各问题本章将进行详细介绍。 浙江大学硕士学位论文 一个完整的p i 应用体系架构通常应该包括三个方面：p i 数据源、p i 数据库 平台、p i 高级应用。其中数据源是p i 应用体系的基础，厂站数据接入p i 系统的 目的是优化数据源，保证数据的质量，提高p i 对供电企业数据积累的广度和深 度，为电力系统实时运行分析和p i 的高级应用提供丰富的数据。系统中通信子 站就是该系统的数据源的一部分，它目前的主要功能是采集准时实和非实时信 息，尽可能大的采集变电站中智能设备的数据信息。 厂站数据接入p i 系统总体功能就是将厂站端的电网变电设备的准时实时和 非实时运行数据安全、可靠、实时的写入p i 数据库中。以便相关专业部门及相 关专业人员对这些数据做相应处理和数据的二次挖掘。本章接下来将对p i 的概 念和该系统的的相关内容部分进行阐述。 2 1 1 系统结构 厂站数据p i 系统结构如图2 1 所示，图中只画出了p i 数据库的两个数据源 示意图。s c a d a 数据通过电力数据网导入p i 数据库，这里的电力数据网和通信 子站所用的电力信息网是相互隔离的。而变电站中一些i e d s ( i n t e l l i g e n t e l e c t r i c d e v i c e 智能装置) 的信息，这些信息是准实时或者是非实时的数据信息，则是通 过我们的通信子站统一采集然后接入p l 数据库，主要的途径有两条，第一种方 式是子站完成对数据的统一规约转换，转换成i e c6 1 8 5 0 m m s 格式或者是 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 的数据格式，然后通过电力信息网上送到主站，主站位于远方调 度中心，负责管理各个信息采集子站，解析各个子站上来的信息，同时将这些准 实时数据送入p i 服务器；第二种方式是利用子站本身提供的o p c 服务器，通过 o p c 方式将i e d s 的信息直接导入p i 数据库。 图中的子站就是本毕业设计的通信子站，通信子站位于厂站端，主要负责站 内l e d 信息集成，同时向本地的变电站监控系统提供信息服务；通信子站从功 能上可以划分为两层，第一层为l e d 设备的数据采集层，主要实现数据采集、 规约转换与转发；第二层为数据服务层，用于接收数据采集板的数据，实现数据 服务与远方通讯进行数据上传。 浙江大学硕士学位论文 2 1 2 p i 的概念 图2 1 数据接入p i 系统结构图 p i 实时数据库系统( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是基于c s 结构开发的商品化 软件应用平台，是工厂底层控制网络与上层管理信息系统连接的桥梁，p i 在工 厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色。p l 实时数据库系统适用于电力、石油、 化工、冶金、造纸、制药、水处理、食品饮料、通讯等各种生产流程企业的生产 过程优化。p i 是全世界装机量最多的实时数据库系统，已成为o s i 公司的标志 产品。 一方面，p i 用于厂站数据的自动采集、存贮和监视。作为大型实时数据库 和历史数据库，p i 可在线存贮每个生产过程点的多年历史数据。它提供了清晰、 精确的操作情况画面，用户既可浏览当前厂站的运行情况，也可回顾过去的运行 情况。 另一方面，p i 为最终用户和应用软件开发人员提供了快捷高效的厂站信息。 由于厂站数据存放在统一的数据仓库中，公司中的所有人，无论什么地方都可看 到和分析相同的信息。p l 客户端的应用程序可使用户很容易对厂站级和省级实 旌管理，诸如改进生产、故障预防维护等。通过p i 可集成维护管理、专家系统、 l i m s 和优化建模等应用程序。p i 在业务管理和实时生产之间起到桥梁作用。 6 浙江大学硕士学位论文 2 1 3 p i 的核心 p i 的核心就是数据归档管理，它采集并存贮与流程上千、上万点的数据。 历史数据库管理的经验告诉我们，现在要知道将来进行分析时，哪些数据是必须 的，对目前来说是很困难的。因此，保存所有的数据是防止丢失所需信息的最 好方法。没有厂站历史数据管理，对于重建厂站历史数据是几乎不可能的。p i 采集、存贮生产流程信息，并把这些数据提供绘我们，其他应用程序可从这些数 据中精选出有意义的信息。这些以用来指生产改进，降低损耗，提高效益。 2 1 4 p i 的优势 p l 成功推出的一个主要特点是因为它具备一个商品化软件生产所有的特性。 o s is o f t w a r e 公司是一个软件产品公司，它推向市场的新产品是与客户紧密联系 的。由于p i 不提供特殊的程序开发服务，o s is o f t w a r e 公司的产品必须使客户 易于安装、维护和使用。客户对p i 的维护量实际上比其它系统要少得多。客户 有时要求扩充p i 以满足特殊的要求。o s is o f t w a r e 公司开发了相应集成器，提 供很好的集成服务，并可在p i 的上端开发应用以满足这些用户的要求。 p i 实时数据库与传统的关系型数据库相比较有着本质的区别。对于关系型 数据库而言，其设计目标是维护数据的正确性、保证系统的低代价、提供友好的 用户接口。这种数据库系统适于传统的商务和事务型应用。当运用于一些实时性 要求较强的生产过程控制如电力生产控制时，关系型数据库就受到了极大的限 制。而p i 实时数据库系统( r e a l - t i m ed a t a b a s e i a n a g e m e n ts y s t e m ，r t d b m s ) 设计的首要目标即满足对于事务的定时限制，是数据和事务均具有定时特性或确 定的定时限制的数据库系统。p i 实时数据库系统的正确性基于逻辑和时间两方 面，其结合了数据库与实时系统两者的功能特性，既支持海量数据长期在线共享， 维护数据的一致性、完整性，又支持数据和事务的时间限制，因而在实时控制和 管理控制上表现出巨大的应用前景，为电厂的“管控一体化”提供了技术保障， 同时这一点满足了现代电力系统信息化建设对数据库的要求。 p i 是一个真正的c s 计算机环境，它所使用的智能结构可在多种系统配置 下运行。p i 数据服务器提供信息集中采集和系统维护。p i 客户端软件包使用户 7 浙江大学硕士学位论文 可处理手中所有的最大数量的信息。这些客户端应用程序包括p i d a t a l i n k 和 p i p r o c e s sb o o k 。是在用户熟悉的m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下运行的。在全电网 可使用多个p i 数据服务器。数据服务器小的可以是一千点，大的可达到几十万 点。每个p i 都可同时与一个或多个实时系统相连，并可读写几乎任何实时设 备或数据库。p l 通常被用来在两个不同厂商的产品之间传送信息。p i 可支持的 用户个数没有限制。只要安装p i 服务器的机器性能以及网络性能允许，对客户 端用户数就没有什么限制。 2 2 通信子站 由图2 1 可知通信子站从功能上可以划分为两层，第一层为l e d 设备的数据 采集层，主要实现数据采集、规约转换与转发；第二层为数据服务层，用于接收 数据采集板的数据，实现数据服务与远方通讯进行数据上传。通信子站是p i 数 据库的另一个数据源，作为区域电网信息中心与二次智能设备之间数据和通信的 中转站，主要担负着“数据接收转发”、“规约转换”及“信息处理”等任务。 在硬件上，通信子站具有很强的数据通信和处理能力，并提供丰富的数字设备接 口( 如：r s 2 3 2 r s 4 8 5 串行口，1 0 1 1 0 0 m 以太网口) ，数字接口可根据需要灵活 扩充；软件上，为适应实时性要求，采用了v x w o r k s 实时多任务操作系统，并 提供了强大的数据处理和转发功能，可以满足与多个主站和其他设备通信的需 要。 2 2 1 通信子站的特点 根据通信子站的作用，本文设计的通信子站具有如下特点： 1 ) 安全性 安全性是对通信子站的一个基本指标。由于变电站的电网继电保护故障信 息、变电站直流监测信息、蓄电池监测信息、主设备状态监测信息( 包括变压器 油色谱检测、绝缘检测、断路器状态检测等) 等准实时和非实时信息类型多、规 约复杂，必须要综合考虑信息转发和集中的安全性。 在硬件上装置的采集板和管理板的采用单向隔离，软件上采集模块主动向管 理模块发送数据，这样就在硬件和软件上实现安全隔离。另外不同的采集模块之 8 浙江大学硕士学位论文 间不存在数据交换，这样就可以按功能模块将i e d 接入不同的采集模块，从而 也保证了i e d 子系统的安全。 2 ) 方便性 采集装置的调试可以现场利用调试串口进行调试，也可以利用以太网口远程 调试。能方便加载新设备的规约转换程序、注册新设备。使用和维护都非常方便， 减少工作人员的维护工作量。 3 ) 可靠性 通信子站装置采用冗余的双电源设计，可实现主、备电源无缝切换。软件上 选用了嵌入式v x w o r k s 操作系统，该系统是一个多任务实时操作系统，以其稳 定性和可靠性著称。所有这些都提高了装置运行的鲁棒性。 4 ) 灵活性 随着技术的进步和发展，变电站综合自动化的深入发展，变电站会更新或新 增更多准实时、非实时系统和智能装置。通信子站可以根据客户的要求增加采集 模块，能很好的满足变电站发展的需要。 2 3 数据接入p i 方案 随着p i 实时数据库在电力系统中的引入，随之而来的是如何实现电力系统 的信息与p i 数据库的无缝连接。国内外学者和企业提出了很多方案。基本的思 想可以归纳如下，一种是通过开发信息集成设备实现厂站数据接入p i 系统；一 种是在现有的信息集成系统上通过开发p i 接口来实现数据接入p i 系统。以下对 目前几种厂站数据接入p i 系统的方案做了分析和比较。在此基础上提出了在嵌 入式系统中用o p c 接口将厂站数据接入p l 系统的方案。 2 3 1i i - a p i 方案 如图2 2 所示，这种方法是利用现有的数据采集系统。从图中可以看出 现有的数据采集系统将一些智能设备的信息采集并存储到关系数据库中，然后利 用p i 的a p i 函数来实现数据导入p i 数据库。 9 浙江大学硕士学位论文 这种模式的优点是基于现有的数据库系统，如果关系数据库中的数据满足要 求则开发相对简单。最大的缺点是关系型数据库主要面对的是离散的、非连续的 不带时标的数据对象，如果要存储实时数据，则需要定义大量的表做大量的开发 工作，而实时数据是实时刷新的、海量的，从而也就会造成数据存储效率低，不 能充分发挥实时数据库p i 在存储过程数据的优势。此外由于受现有的系统的限 制，因而能够接入的设备有限，可扩性不强。 2 3 2 串口服务器方案 ，j ，一 电 t 麓撅 图2 2 数据接入p l 系统一方案1 如图2 3 所示。厂站端i e d 数据首先经过串口服务器或直接与交换机相连， 然后利用t c p i p 协议通过电力信息网将数据传输到主站端的集中协议转换服务 器上，经过协议的解析、规约转换，最后导入p i 系统。这种方式较之与第一种 方式可以获得更多的数据信息，同时也可以接入更多的设备。在没有故障录波信 息和故障信息的时候能够可靠、实时的将数据传输到主站的协议转换服务器中。 同时协议转换服务器是可以购买的成品，所以利用这种方式实现厂站数据接入 p i 系统开发也比较简单。 但是这种信息传输的模式存在弊端，如：a 由于不能提供有效的数据安全隔 离措施，在数据传输过程中存在许多无法预知的安全隐患；b 该种模式协议转换 放在主站，也就是点对多点的通信方式，当规约众多或数据量很大的时候将大大 增加信息中心主站的通信负担。造成实效性差，加重中心主站的信息接入的复杂 程度，从而降低中心主站的运行安全可靠性及实时性；c 不符合信息化建设分级 1 0 浙江大学硕士学位论文 分层的总体框架要求。 2 3 3 窃取模式 图2 3 数据接入p l 系统一方案2 这种模式有人称之为“窃取”模式，数据流程如图2 4 所示。基本的思想和 方案一相同。也是建立在现有的信息集成系统能够之上。所不同的是这里是利用 了s c a d a 系统。信息传输所用的网络是电力数据息网，安全等级要求更高。由 图可见在p i - - s c a d a 接口机后面有一个物理隔离装置，这就保证了信息网数据 与电力数据网的互不于扰。 图2 4 数据接入p i 系统一方案3 因为是基于s c a d a 系统，也就限制了接入p i 的数据只能局限于s c a d a 系统的数据。同样存在数据量少的问题。对于其它的设备信息只能通过别的方法 l l 浙江大学硕士学位论文 获取。同时由于是“窃取”模式，对于电力数据网来说这种模式始终存在安全隐 患。 2 , 3 4 0 p c 方案 对于现有的模式主要存在的问题有三个方面： 1 数据量少 2 规约转换是放在主站还是子站 3 安全性和可靠性问题 以上几种模式采用的都是工控机平台。方案一和方案三都是基于现有的信息 集成系统，稳定性和可靠性会降低并且接入p i 的数据量有限；而方案二由于将 协议转换放在主站侧，规约转换任务较重，接入的i e d 设备数量有限又不适于 接入数据量大的设备( 如保护装置、故障录波器) 。 为了解决数据量少和数据处理瓶颈问题，我们提出了改进的方案，如图2 5 所示。其基本思想开发嵌入式的变电站信息采集子站来专门负责对厂站端各种信 息的集成，然后在子站完成规约解析和规约转化，最后利用o p c 接口直接与p i 实时数据库连接。 p i 数据库 ( u d s ) 。p i a p i 或o p c 二竺梦。 h o p c 1 - 瑚夕卜吖弋子枷 f8 ( 1 e 4 c ；6 1 6 8 5 8 0 1 “0 4t 体眠态 t a s k s u s p e n d 0 悬置态 就绪态 s e m g i v e 0 m s g q s e n d 0 悬置态 休眠态 t a s k s u s p e n d 0 休眠态 悬置态 t a s k r e s u m e o 休眠态 就绪态t a s k r e s u m e 0 m s k a c t i v a t e 0 休眠态 迟延态t a s k r e s u m e o 延迟态 就绪态 e x p i r e dd e l a y 延迟态 休眠态 t a s k s u s p e n d 0 w i n d 内核采用基于优先级的抢占式调度法作为它的缺省策略，同时它也提供 了轮转调度法。 图3 3 给出了基于优先级的抢占式调度的任务调度过程。这种调度方法为每个 任务指定不同的优先级。没有处于悬置或休眠态的最高优先级任务将一直运行下 去。当更高优先级的任务由就绪态进入运行时，系统内核立即保存当前任务的上 下文，切换到更高优先级的任务。w i n d 内核划分优先级为2 5 6 级( 0 - 2 5 5 ) 。优 先级0 为最高优先级，优先级2 5 5 为最低。当任务被创建时，系统根据给定值分配 任务优先级。然而，优先级也可以是动态的，它们能在系统运行时被用户使用系 1 7 浙江大学硕士学位论文 统调用t a s k p r i o r i t y s e t 0 来加以改变，但不能在运行时被操作系统所改变。 高 优 先 级 低 个表示抢占 l 表示任务完成 图3 3 基于优先级的多任务抢占调度 图3 4 给出了基于轮转调度法的多任务调度流程图。轮转调度法的核心思想是 分配给处于就绪态的每个同优先级的任务一个相同的执行时间片。时间片的长度 可由系统调用k e m e l t i m e s l i c e 0 通过输入参数值来指定。很明显，每个任务都有 一运行时间计数器，任务运行时每一时间滴答加1 。一个任务用完时间片之后， 就进行任务切换，停止执行当前运行的任务，将它放入队列尾部，对运行时间计 数器置零，并开始执行就绪队列中的下一个任务。当运行任务被更高优先级的任 务抢占时，此任务的运行时间计数器被保存，直到该任务下次运行时。 个表示抢占l 表示任务完成 图3 4 基于轮转调度法的多任务调度 3 2 2 2 任务通信 w i n d 核提供信号量作为任务问同步和互斥的机制。在州n d 核中有几种类 型的信号量，它们分别针对不同的应用需求：二进制信号量、计数信号量、互斥 信号量和p o s i x 信号量。所有的这些信号量是快速和高效的，它们除了被应用 在开发设计过程中外，还被广泛地应用在v x w o r k s 高层应用系统中。对于进程 间通信，w i n d 核也提供了诸如消息队列、管道、套接字和信号等机制。 浙江大学硕士学位论文 3 2 3 网络系统 v x w o r k s 的网络结构如图3 4 所示，它提供了对其它网络和t c p i p 网络系 统的“透明”访问，包括与b s d 套接字兼容的编程接口，远程过程调用( r p c ) ， s n m p ( 可选项) ，远程文件访问( 包括客户端和服务端的n f s 机制以及使用r s h ， f t p 或聊的非n f s 机制) 以及b o o t p 和a r p 代理。无论是松耦合的串 行线路、标准的以太网连接还是紧耦合的利用共享内存的背板总线，所有的 v x w o r k s 网络机制都遵循标准的i n t e m e t 协议。 3 2 4 文件系统与i o 系统 v x w o r k s 提供的快速文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使用 块设备( 如磁盘) 的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口从而使得文 件系统能够被灵活地在设备驱动程序上移植。 v x w o r k s 也支持s c s i 磁带设备的本地文件系统。v x w o r k si o 体系结构 甚至还支持在一个单独的v x w o r k s 系统上同时并存几个不同的文件系统。 v x w o r k s 支持四种文件系统：d o s f s 、r t l l f s 、r a w f s 、t a p e f s 。 另一方面，普通数据文件，外部设备都统一作为文件处理。它们在用户面前 有相同的语法定义，使用相同的保护机制。这样既简化了系统设计又便于用户使 用。 v x w o r k s 提供了一个快速灵活的与a n s ic 兼容的i o 系统，包括： u 】m x 标准的缓冲i o 和p ( ) s 标准的异步i o 。 3 3v x w o r k s 的启动 3 3 1 基本概念 v x w o r k si m a g e ( v x w o r k s 操作系统映象) 。v x w o r k si m a g e 含有完整的 v x w o r k s 操作系统，是真正运行于目标板上的操作系统，应用程序运行在该 v x w o r k s 系统之上。 b o o t l o a d e r 。b o o t l o a d e r 相当于p c 机主板上的b i o s ，是最底层的引导软件， 初始化主板的基本设置，为接收外部程序做硬件上的准备。有些b o o t l o a d e r 已经 嵌在c p u 内了，没有b o o t l o a d e r 的c p u 可以在片外的e e p r o m 或f l a s h 内做 1 9 浙江大学硕士学位论文 b o o t l o a d e r ，也可以不要b o o t l o a d e r ，直接通过j t a g 口灌入程序。 b o o t l o a d e r 的主要执行任务如下： 上电复位后对硬件进行必要的初始化，如c p u 工作状态、寄存器、r a m 等。 初始化通信端口和需要的协议栈，如串口、以太网口及f t p 客户端等。 将操作系统映像( v x w o r k si m a g e ) 加载到主板。如果目标代码是压缩过 的，则需要解压缩。 3 - 3 2 启动顺序 一般的v x w o r k s 操作系统启动过程：首先启动b o o t l o a d e r ，然后再加载 v x w o r k s 操作系统的映像文件。 对于通信子站的v x w o r k s 操作系统的启动，管理板和采集板的启动稍有不 同。管理板的c p u 模块采用的是基于x 8 6 的p c i 0 4 模块，它本身具有一个b i o s 引导程序，所以启动的时候首先启动b i o s ，然后启动b o o t l o a d e r ，接着再加载 v x w o r k s 操作系统的映像文件；采集板的启动和般的v x w o r k s 操作系统的启 动是一样的。 3 4v x w o r k s 开发工具t o r a n d oi i t o m a d o l i 开发环境是嵌入式实时领域里最新一代的开发调试环境，是实现 嵌入式实时应用程序的完整的软件开发平台，是交叉开发环境运行在主机上的部 分，是开发和调试v x w o r k s 系统不可缺少的组成部分。t o m a d o l i 给嵌入式系统 开发人员提供了一个不受目标机资源限制的超级开发和调试环境。 t o m a d o l i 开发系统包含三个高度集成的部分： 运行在宿主机和目标机上的强有力的交叉开发工具和实用程序； 运行在目标机上的高性能、可裁剪的实时操作系统v x w o r k s ； 连接宿主机和目标机的多种通讯方式，如：以太网，串口线，i c e 或 r o m 仿真器等。 2 0 浙江大学硕士学位论文 图3 5t o r a n d o l l 嵌入式集成开发系统结构图 t o m a d o i i 的最大特点就是支持动态链接和加载。t o m a d o i i 允许开发者增量 地将目标模块加载到目标系统上去，这种动态的链接和加载功能是t o m a d o l i 系 统的核心功能，可以使开发者省去通常的开发步骤：在主机上将应用程序与内核 链接起来，然后将整个应用程序下载到目标系统上去。这样，编辑一测试调试的 周期就会大为缩短；而且，所有的模块都是可以共享的，主机上的应用程序模块 也不需要重新链接，所以，加载目标模块到运行中的v x w o r k s 目标系统中以达 到调试和重新配置的目的成为可能。 3 4 1t o r n a d o 与o p c 如图3 5 所示，在t o n a d o 开发工具的t h i r dp a r t y t o o l s 部分有一个针对o p c 的开发包，通过它就可以在v x w o r k s 操作系统下开发o p cc l i e n t 和o p cs e r v e r 接口程序。 3 5 小结 本章节对初略的介绍v x w o r k s 操作系特点、优势、和基本构成，对其功能 模块进行了较为详细的介绍。重点阐述了v x w o r k s 操作系统如何来调度任务及 任务间的通信。最后介绍了t o r n a d o i i 开发工具的基本知识，为后续通信子站的 软件部分的介绍做铺垫。 2 l 浙江大学硕士学位论文 第四章通信子站硬件 为了保证厂站数据采集装置强大的数据采集、处理能力，以及数据传输的安 全隔离，装置在电气设计方案上采用多c p u 协同工作的设计原则，硬件采用模 块化、可扩展式设计，在总体设计及各模块设计上均充分考虑了可靠性的要求。 从功能上划分，装置主要由以下功能模块组成； 中央处理器模块，即管理板 数据采集模块，即采集板 人机交互模块 电源模块 总线连接模块 其中，采集板与管理板之间的数据传输是单向的，只能由采集板向管理板发 送数据，从物理上保证数据的单向传输。装置外壳采用6 u 机箱，管理模块、采 集模块、电源模块都是采用背插式结构，他们通过总线连接模块实现相连，通信 子站数据采集装置背板示意图如图4 1 所示。 盖基二嚣 o o 肼o 埘o 州 ：=：=：= 。舶。“。“。口4 d d d d d d d d d d d d i 咖d d d d d d d d -d l 聃 d - d d d d d d d - d d d d d d d -d 。匍d -d -d d - d id -d -d -d d 姗d - h 制 t 1 ) + 一， 一一， 圆二醚 图4 1 装置背板示意图 浙江大学硕士学位论文 其中串口采用r j - 4 5 接口，其信号分布如下表所示。 表4 1r j - 4 5 针脚信号定义 l u - 4 5 针脚信号名称 l u - 4 5 图例 1r s 4 8 5 a 2 r s - 4 8 5 b 3g n d 4r s 2 3 2 t x 5r s 2 3 2r x 6r t s 7p g n d 8n i 八未用 4 1 管理板 4 1 1 概述 管理板块主要实现l e d 的数据服务层功能，包括数据处理、规约转换、人 机界面管理、上行通信处理等高级功能。中央处理器模块与各采集板之间通过标 准的单向隔离数据接口( r s 2 3 2 4 8 5 或1 0 m 1 0 0 m 网络口) 进行通信，从而获得 所需的信息。通过标准的1 0 m 1 0 0 m 以太网口远方监控中心实现标准化的数据通 信服务。管理板功能框图如图4 2 所示。 管理板支持不少于4 个1 0 1 0 0 m 以太网接口和1 2 1 6 个标准r s 2 3 2 4 8 5 串 行接口，其中一个1 0 1 0 0 m 以太网接口和1 0 个标准r s 2 3 2 4 8 5 串行接口作为物 理隔离单向通道通过总线连接模块与采集板实现单向数据通信，其余数字接口可 作为与上级主站的数据交互通道。下文将对管理板的各个功能扩展部分进行详细 的介绍。 浙江大学硕士学位论文 至互 i 通用显示键盘接口l c d t i逻辑控制模块 采集板 l z 天物理隔离通道 ： i 扩展串口k s z s z m s 一 l 嵌入式x 8 6 c p u： ： ： 系 v x w o r k s 操作系统 “统 ： 一 线 系统电源 ： ： c纠扩展串口k s 2 3 2 4 8 5 弋 7 数据上传通道 至远方控制中心 图4 2 管理板功能框图 4 1 2 c p u 模块 中央处理器模块为厂站数据采集装置的核心部分，是整个装置的数据处理中 心，其硬件软件性能要求很高。在嵌入式系统中c p u 系列有很多，如a r m 、 m i p s 、x 8 6 、m o t o r o l a 系列等等。在选择过程中主要考虑的是数据处理能力和可 靠性。在充分考虑了各种类型处理器的运算能力和网络处理能力的基础上，我们 选择嵌人式p c 1 0 4 总线结构的x 8 6 兼容的6 4 位处理器作为核心c p u ，最高运 行速度可达3 0 0 m h z ；在软件平台上，选择业界最流行的嵌入式实时多任务操作 系统v x w o r k s ，充分保证了系统的实时性、稳定性和可移植性。 4 1 2 1p c 1 0 4 总线 p c 1 0 4 是嵌入式p c 的机械电气标准。它的制定，为嵌入式应用提供了标 准的系统平台，它秉承了i b m - p c 开放式总线结构的优点，为设计应用系统的 工程师提供了标准的、高可靠的、功能强大的、方便使用的系统组件，从而将人 2 4 量 浙江大学硕士学位论文 力从繁琐的基于芯片的设计中解放出来。p c 1 0 4 总线的主要特点是，通过压缩 个人电脑结构使其满足嵌入式系统的外观要求。该总线的电气标准方面与i s a 总线完全一致，但是其结构和外观却有着明显的不同。该