無人值守能源平臺數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)探析

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摘要：無人值守能源平臺為南極科考設(shè)備提供能源動力，發(fā)電機(jī)組是整個平臺的核心部分。為保障發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，結(jié)合硬件設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)PC104與發(fā)電機(jī)組之間的數(shù)據(jù)通信，以防止PLC出現(xiàn)故障后，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組失聯(lián)。經(jīng)試驗(yàn)通過該數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)可以穩(wěn)定采集發(fā)電機(jī)組實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)組啟停，提高了無人值守能源平臺的可靠性。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組；PC104；RS-485；可靠性

0引言

無人值守能源平臺主要包括結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、現(xiàn)場主控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、通信及監(jiān)控系統(tǒng)，其中電源系統(tǒng)為整個平臺的運(yùn)行提供電源保障[1]，主要由5臺發(fā)電機(jī)組組成，其運(yùn)行狀況的好壞直接影響到平臺的工作性能。平臺必須時刻保持對發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測，可以實(shí)時采集發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)組啟停。本文對通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有硬件設(shè)施的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于RS-485總線的數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)，上位機(jī)PC104可以通過該通道直接與發(fā)電機(jī)組進(jìn)行通信，采集發(fā)電機(jī)組的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，控制發(fā)電機(jī)組啟停，提高系統(tǒng)的可靠性。

1無人值守能源平臺數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)介紹

無人值守能源平臺的現(xiàn)場主控系統(tǒng)用PLC控制器通過I/O模塊實(shí)現(xiàn)對下層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停[2]。上位機(jī)通過與PLC的通信，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，并將數(shù)據(jù)傳回國內(nèi)監(jiān)控中心。但是無法保證PLC不會出現(xiàn)死機(jī)情況，一旦PLC出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致設(shè)備處于失聯(lián)狀態(tài)，很可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。結(jié)合系統(tǒng)現(xiàn)有的硬件特點(diǎn)在通信系統(tǒng)上增加備用數(shù)據(jù)通道，當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時，可以將數(shù)據(jù)通道切換到該備用通道，使PC104仍可保持與發(fā)電機(jī)組的聯(lián)系。電源系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組選用GOOYO品牌的發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)配備KP310V1.0控制器，用于控制單臺發(fā)電機(jī)組的啟動與停止，監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，遠(yuǎn)程操作機(jī)組的開機(jī)與停機(jī)，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的測量，報警保護(hù)等功能。KP310V1.0控制器提供有TTL電平接口，可以通過該接口與PC104直接連接，作為備用數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)利用PC104提供的軟件運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)程序通過備用數(shù)據(jù)通道定時采集機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，必要時也可以遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)組的啟停。

2數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1通訊協(xié)議

MODBUS是工業(yè)上常用的標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議，可以支持多種電氣接口，如RS-232/422/484等，數(shù)據(jù)幀格式簡單，可靠性高[3]，KP310V1.0控制器的數(shù)據(jù)幀如圖1。MODBUS網(wǎng)絡(luò)只有一個主機(jī)，由主機(jī)發(fā)起通訊請求，支持多個從機(jī)設(shè)備，每個從機(jī)有自己唯一的地址碼[3]。在本系統(tǒng)中，上位機(jī)PC104作為主機(jī)發(fā)起通訊請求，5臺發(fā)電機(jī)組作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)請求，波特率為19200，從機(jī)地址設(shè)置為1-5。功能碼為03，讀取模塊數(shù)據(jù)；功能碼為10，寫入模塊數(shù)據(jù)。起始地址為要讀取或?qū)懭氲募拇嫫髌鹗嫉刂?，具體的數(shù)據(jù)點(diǎn)位可參照廠家提供的點(diǎn)位表。校驗(yàn)碼采用CRC-16/MODBUS計(jì)算方式。

2.2硬件連接設(shè)計(jì)

RS-485是一種工業(yè)串口通信接口標(biāo)準(zhǔn)，采用差分傳輸方式，相較于RS-232和RS-422標(biāo)準(zhǔn)，通信速率更高，通信距離更遠(yuǎn)，一根傳輸線路上可以接入多個節(jié)點(diǎn)的接收設(shè)備，其中一個節(jié)點(diǎn)為主機(jī)，其余節(jié)點(diǎn)為從機(jī)，從機(jī)之間不可相互通信。RS-485擴(kuò)大了總線信號的共模范圍，并增大發(fā)送設(shè)備的驅(qū)動能力和沖突保護(hù)機(jī)制，傳輸長度可達(dá)1000m，最大傳輸速率可達(dá)10Mb/s[4-5]。因此選用RS-485串口通信作為總線通信模式。PC104采用了雙機(jī)冗余的設(shè)計(jì)模式，主備機(jī)通過交換機(jī)與其他設(shè)備進(jìn)行通信[6]，故將RS-485通信轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)，從而與PC104進(jìn)行通信。選用risym的TTL轉(zhuǎn)485模塊，可以實(shí)現(xiàn)TTL與485信號的相互轉(zhuǎn)換，該模塊采用工業(yè)級設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)，工作溫度為-40～85℃，傳輸距離可達(dá)千米。選用有人物聯(lián)網(wǎng)公司的RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊可以提供串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)功能，能夠?qū)S-485串口轉(zhuǎn)換成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口，該模塊配備優(yōu)化的TCP/IP協(xié)議棧，穩(wěn)定可靠，能快速實(shí)現(xiàn)RS-485串口與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)雙向透明傳輸，工作溫度為-40～80℃，適用于艙內(nèi)的環(huán)境要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。硬件連接方法如下：發(fā)電機(jī)組上保留了一個九針串口與KP310V1.0控制器對應(yīng)的通信端相連，對應(yīng)串口引腳定義2-RXD（接收數(shù)據(jù)），3-TXD（發(fā)送數(shù)據(jù)），5-GND（地線）。使用串口線，將這三個引腳與TTL轉(zhuǎn)485模塊上對應(yīng)的RX-D,TXD和GND引腳相連，模塊另一端便可以輸出RS-485信號。再用杜邦線將TTL轉(zhuǎn)RS-485模塊與RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的A，B信號接口對應(yīng)連接。將RS-485轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊的網(wǎng)絡(luò)接口用網(wǎng)線與交換機(jī)連接，則可以實(shí)現(xiàn)PC104與發(fā)電機(jī)組的硬件連接。

2.3軟件設(shè)計(jì)

南極現(xiàn)場上位機(jī)采用性能穩(wěn)定的工業(yè)級計(jì)算機(jī)pc104，其上安裝了linux系統(tǒng)和gcc編譯工具，在此基礎(chǔ)上采用C語言進(jìn)行程序開發(fā)[7]。TCP是面向連接的協(xié)議，建立于服務(wù)端與客戶端之間，每次發(fā)出的請求都需要對方確認(rèn)?？蛻舳酥鲃酉蚍?wù)端發(fā)送SYN報文，并進(jìn)入SYN_SENT狀態(tài)，等待服務(wù)端回復(fù)。服務(wù)端收到報文后向客戶端回復(fù)確認(rèn)信息和SYN報文，此時服務(wù)端進(jìn)入SYN_RECV狀態(tài)。客戶端收到回復(fù)后，向服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)包，之后客戶端和服務(wù)端都進(jìn)入ESTABLISHED狀態(tài)，成功建立連接。以上過程被稱為三次握手，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，客戶端與服務(wù)端之間通過四次揮手向?qū)Ψ桨l(fā)送確認(rèn)包釋放TCP連接。RS-485轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手USR-TCP232-M4進(jìn)行配置，波特率設(shè)置為19200，透傳方式選擇TCPserver模式，配置模塊局域網(wǎng)IP為192.168.1.117，端口為23號端口，該IP地址和端口號用于服務(wù)端與客戶端之間建立TCP連接，該模塊作為TCP連接中的服務(wù)端，監(jiān)聽設(shè)定的23號端口是否有TCP客戶端連接。在上位機(jī)程序的配置文件Config.ini中可以配置建立TCP連接的目的IP地址和端口號，從機(jī)數(shù)量，從機(jī)地址，功能碼，數(shù)據(jù)起始地址，查詢數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)存儲位置。發(fā)電機(jī)組可以通過控制器設(shè)置唯一通訊地址，按照配備的說明書操作，將5臺發(fā)電機(jī)組的地址依次設(shè)置為1～5。在配置文件中配置從機(jī)數(shù)量為5，從機(jī)地址分別為1～5，功能碼為03（讀取數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)起始地址為0×1000，查詢數(shù)據(jù)長度設(shè)為27，發(fā)電機(jī)組的讀取模塊中共有27個INT型數(shù)據(jù)（包括發(fā)電電壓、電流、轉(zhuǎn)速值、累計(jì)運(yùn)行時間、故障狀態(tài)、警告狀態(tài)等），數(shù)據(jù)存儲位置為數(shù)據(jù)文件的存儲路徑，根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。上位機(jī)作為TCP連接的客戶端，初始化程序時，讀取配置文件，根據(jù)配置文件初始化數(shù)據(jù)請求指令，建立套接字，使用connect方法向服務(wù)端發(fā)起連接請求，如連接不成功，向PC104的主程序發(fā)送異常消息，主程序可以監(jiān)測個子程序狀態(tài)，并在必要時重啟各程序。連接成功后，用send方法將數(shù)據(jù)請求發(fā)送至服務(wù)端（RS-485轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模塊），服務(wù)端會將收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為適合485通訊的格式，發(fā)送給發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組收到與自己地址匹配的命令后返回對應(yīng)的數(shù)據(jù)，如地址不相符，忽略此數(shù)據(jù)請求。上位機(jī)通過recv方法接收數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后，檢查數(shù)據(jù)的長度，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)，數(shù)據(jù)確保無誤后，將數(shù)據(jù)保存為對應(yīng)文件夾中以“當(dāng)前時間”命名的文件中，存儲在南極現(xiàn)場的存儲設(shè)備中，以便有需要時進(jìn)行查詢。本次數(shù)據(jù)請求過程結(jié)束后，等待定時時間到后，再發(fā)起下一次數(shù)據(jù)請求。如果超時未接收到數(shù)據(jù)，關(guān)閉套接字并向PC104的監(jiān)控程序發(fā)送消息記錄異常，并結(jié)束本次查詢操作，等待下次查詢請求的發(fā)起，防止程序卡死。當(dāng)需要通過該通道對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制時，可以修改配置文件中的功能碼參數(shù)，再向發(fā)電機(jī)組發(fā)送數(shù)據(jù)幀，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組的啟停。程序流程如圖3。

3通信測試結(jié)果分析

按照之前介紹的硬件連接方法，在實(shí)際現(xiàn)場中搭建該數(shù)據(jù)通道，并在PC104上通過串口助手進(jìn)行測試，根據(jù)廠家提供的點(diǎn)位表，發(fā)送數(shù)據(jù)請求，機(jī)組地址為01，功能碼為03，讀取模塊數(shù)據(jù)，寄存器起始地址為(1010)，讀取1個寄存器的數(shù)據(jù)，即為(0001)，最后的(0F81)為CRC校驗(yàn)碼，該數(shù)據(jù)請求的實(shí)際意義為讀取發(fā)電機(jī)組1的轉(zhuǎn)速值。返回的數(shù)據(jù)中按照通訊格式讀取到轉(zhuǎn)速值為1388（十六進(jìn)制），轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制為5000，與機(jī)組默認(rèn)值一致，由此可知數(shù)據(jù)接收情況良好，如圖4所示。上位機(jī)和發(fā)電機(jī)組之間的通信測試結(jié)果如下：將采集周期設(shè)置為30min，每采集一次便以當(dāng)前采集時間命名該數(shù)據(jù)文件，文件保存結(jié)果如圖5所示。將配置文件中的功能碼改為寫入功能，發(fā)送停止命令，可以現(xiàn)場觀察到發(fā)電機(jī)組確實(shí)停機(jī)。根據(jù)測試結(jié)果可知，PC104通過該數(shù)據(jù)通道可以直接與發(fā)電機(jī)組通信，通過程序可以自動實(shí)時采集發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)組的啟停。

4結(jié)束語

本文先介紹了南極科考支撐平臺的主要功能和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，考慮到發(fā)電機(jī)組在平臺中的重要性，結(jié)合系統(tǒng)的硬件條件分析后，設(shè)計(jì)了一條上位機(jī)與發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)通道，并在PC104上開發(fā)了相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)定時采集機(jī)組數(shù)據(jù)，并可以遠(yuǎn)程控制機(jī)組的啟停，提高了系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果顯示該通道滿足數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制發(fā)電機(jī)組的需求，可以提高無人值守能源平臺的可靠性和安全性。

作者:劉一鳴 張侃健 葛健 方仕雄 單位:東南大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院 東南大學(xué)自動化學(xué)院