双以太网的电力厂站及变电站监控系统

0．引言 在厂站自动化领域，各种现场总线连接各种现场控制器以及上位监控机系统，起着传递自动化信息（监控信息）的作用，一直是过程控制通讯中的主角。而以太网以其所具有的高速度（高带宽）、开放性、低成本、存在广泛应用的软硬件支持等明显优势正从不同途径进入到厂站自动化和过程控制市场，越来越多的厂站自动化领域引入了以太网作为其过程控制系统集成的基本手段，在很多情况下，以太网已经取代了现场总线在过程控制中的地位和作用。 但是，厂站自动化和工业控制的历史和特点决定了有大量的现场设备无法直接接入以太网，例如有大量的现场监控装置为RS232／485／422接口，以及其他现场总线接口如PROFIBUS、CAN等等，如何将这些设备接入以太网是以太网这一具有较大性价比优势的通讯模式能否真正在厂站自动化和工业控制中得到广泛应用的关键。 通讯网关是一个自然的选择，通过通讯网关可以实现其他通讯模式与以太网的衔接，从而实现以以太网为主要框架的高性价比的网络监控自动化系统。以往，这种通讯网关一般都采用工控机，即工控机一方面具备网络接口，一方面通过插通讯卡（例如串口卡、现场总线卡等等）具备其他现场总线接口，通过在工控机上运行的网关软件实现网关功能。随着目前分布式控制模式的流行，要求现场控制装置能够直接上网，采用工控机作为网关的局限性越来越多的体现出来，而对一种能够直接嵌入监控装置内部的通讯网关的需求就显得越来越迫切。 1．以太网型厂站监控系统的构成 目前，以太网在工业控制中应用的基本模式通常有两种，其一为星型网结构，网络通讯节点（具备以太网接口的工业控制器）通过交换机（或集线器）组成可级联的星型网，这种模式最为常见，它要求网络节点分布相对集中，否则将会带来布线上的困难。其二为环形以太网结构，所有的网络通讯节点都必须具备环型以太网接口或通过专用的、具备环网接口的小型交换机组成环形以太网，可以构成光纤环网和五类线环网，环网的模式不要求网络节点分布集中，可以将分散于现场的具备以太网接口的工业控制器以较少的布线代价加以集成，这种模式比较符合具备通讯接口的现场控制器分散布置的分散式厂站监控系统的要求，特别是工业控制器分布相距较远的情况。 由于星型网是一种从商用直接转化而来的模式，可以直接使用电信或普通商用的交换机来集成监控系统中的网络设备，且一般性能都能满足要求，所以其应用比较广泛，但星型以太网的拓扑结构在许多场合不能完全反映分散式厂站监控系统中监控设备和监控点分散分布的特点，在工业现场应用中存在一定的局限性，无法与在工业现场广泛使用的现场总线相比。而环形以太网则更加符合分散式监控系统的要求，更加类似于现场总线在工业现场设备集成中的作用。 两种类型的以太网，存在着对于现场设备接入的不同要求，需要有一种智能嵌入式网关将现场设备方便地接入各自的网络监控系统。台湾上尚科技股份有限公司的GW21S-mega嵌入式可编程模块就是这样的一种嵌入式通讯网关。 2．Atop GW21S-mega可编程模块的结构和主要功能参数 GW21S-mega的功能参数为： 主处理器 : ATOP TCP/IP Engine ES3200 (80MHz) 双串口，RS-485/422/232/TTL串口界面可选 提供2路10/100Mbps自适应以太网 提供一个编程调试接口（RS232） 提供4路逻辑I/O设置 5V或3.3V输入电压，0℃~60℃宽工作温度 功耗：2.4W 提供基于Telnet、web浏览器、串口控制、windows等多种配置方式 采用多任务实时嵌入式操作系统 提供C语言软件开发包，方便二次开发和编程 为开发编程提供8M的Flash和16M的内存空间 具备看门狗功能 外形尺寸： 图1 GW21S-MEGA提供了插针接口，可以直接插在专门设计的母板上，插针具备了RS-485/232/TTL、双网接口、电源接口、指示灯接口等，从而能够方便地集成入现场监控设备内部，使得原先的为非以太网接口的装置直接成为具备两个以太网接口的上网设备，而针对以太网高层协议通讯的多样性、复杂性，此模块安装的嵌入式多任务操作系统和允许在其上面利用C语言进行编程开发的功能，不失为明智之举。这是一个功能完备的嵌入式网关。其通讯接口逻辑图见图2 。 图2 3．利用Atop GW21S-MEGA可编程模块可以构成的网络型厂站监控系统模式 如上所述，以太网型场站监控系统有星型和环形两种方式，GW21S-MEGA可以分别接入这两种模式的以太网，从而分别构成基于星型和环形的以太网厂站监控系统。 1）星型网结构 图3 图3为加入了GW21S-MEGA网关后的监控装置接入星型以太网监控系统的示意图。在这种方式中，每个I/O现场装置既可以与多台上位监控计算机利用网络进行通讯，也可用以太网与现场其他监控装置通讯，达到共享数据、逻辑闭锁、功能互动的效能，不仅大大提高了系统传输效率，也节省了监控投资成本，优化了系统结构，这比起利用传统的RS485通讯所构成的简单星型结构的监控系统不啻是一次革命。 2）环形网结构 图4 图4为加入了该网关后的监控装置接入环形以太网监控系统的示意图。 前面提到，环形网络在工业现场的应用也很普遍，尤其是现场监控设备分布比较分散的情况，由于该网关模块具备两个以太网接口，又能够在其所具备的嵌入式多任务的操作系统上用C语言进行编程开发，这就使得环形以太网所必须具备的生成树协议802.1D和快速生成树协议802.1W可以在其中方便地通过开发来实现［1］，并且I/O装置直接接入环形以太网成为可能。 环形以太网也同时具备上述星型以太网中所提到的若干优点。 4．应用情况 图5 图5 为加入了GW21S-MEGA网关的监控、保护装置在一个双以太网星型结构的500kV变电站监控自动化系统中应用的系统结构图。此前的监控、保护装置由于只具备RS485接口，无法实现用户所提出的间隔级监控保护设备直接接入双以太网、装置间相互直接通信、取消主控单元、在间隔层直接实现五防联闭锁功能（取消以前专用的五防机、锁具等设备）等要求。采用GW21S-MEGA网关嵌如间隔层装置后，上述要求皆可得到很好地满足。 5．结语 目前，在工业监控系统中有大量的不具备以太网接口的监控装置，在电力系统厂站监控领域也有许多微机型继电保护装置存在着直接上网的需求，如果采用这种嵌入式网关接入以太网，将会减少为此重新开发产品的投资和时间，可以省去以前必备的主单元或专用通讯处理机等环节, 可令同一个网络上的监控装置相互通讯、共享数据资源，并使得系统结构得到优化。 将来，我们期待着除了串行接口（RS232／485／TTL）外的其他现场总线接口（例如Profibus、Can等）的类似网关的出现和应用，Atop GW21S-MEGA网关为以太网在工业控制领域的大规模应用开了一个好头。 参考文献： 1、 徐明，郑翀、杨晓松《环形以太网——一种合理的分散式厂站自动化系统组网模式》 电力系统自动化设备 pp.76-78 Vol. 24 No.11 2004 2、 《IEC61850变电站通信网络和系统系列标准》 全国电力系统控制及其通信标准化技术委员会 2002.11 3、 杨晓松、阙连元、唐涛《500kV超高压变电站综合自动化系统应用》 电力系统自动化 pp. 65-66, Vol. 24 No.8 2000 4、 Othmar Kyas著 夏俊杰周 雪峥译《Network Troubleshooting》（网络故障与诊断）人民邮电出版社2002.10 5、 杨宪惠主编 《现场总线技术及其应用》 ，北京， 清华大学出版社 1999 6、 胡俊 《工业以太网和基于Internet的远程监控系统》 世界仪表与自动化， pp. 43－45，Vol.6 No.2, 2002 7、 赵天宏　《现场总线与控制系统》　电力系统自动化，pp.62-65 Vol.24 No.13 2000 8、 洪宪平　《走向网络化的远动系统》电力系统自动化．pp.1-3 Vol.25 No.6 2001 1. XuMing, ZhenChong,YangXiaosong. Loop Ethernet－A Rational Integration Mode In Station Control and Supervision System Electric Power Automation Equipment pp.76-78 Vol.24 No.11 2004 2. Series Standard of IEC 61850 Substation Telecommunication Network and System..2002.11. Standardization Technology Committee of National Electricity System Control and Communication. 3. Yangxiaosong, Queliayuan, Tangtao. The Application of 500kV Ultra High Voltage Substation Automation System. Automation of Electric Power Systems. pp. 65-66, Vol. 24 No.8 2000 4. Othmar Kyas. Network Troubleshooting. The Peoples Postage Publishing Company. 2002.10. 5. Yangxianhui, Technology and Application of Field Bus. Qsinghua University Publishing Company. 1999. 6. Hujun, Industrial Ethernet and Remote Control System based on Internet. World Instruments and Automation. pp. 43－45，Vol.6 No.2, 2002 7. Zhaotianhong, Field Bus and Control System, Automation of Electric Power Systems, pp.62-65 Vol.24 No.13 2000. 8. Hongxianping, Remote Control and Supervision System, Automation of Electric Power Systems, pp.1-3 Vol.25 No.6 2001