數字式通訊管理機的可靠通訊方法研究

【摘 要】在電力、能源與化工等自動化工業控制領域中，現有技術工業控制監控系統與智能電子設備（IED）之間的通訊組網方式是：將一定數量的智能電子設備串接為一組作為一個通訊總線，然后將該通訊總線連接到通訊管理機的通訊采集端口進行該通訊總線上各智能電子設備的數據采集，這種傳統通訊方式當總線因故中斷后，尤其當重要監控智能電子設備的通訊中斷后，對整個工業控制系統的可靠穩定運行造成極大影響。本研究旨在避免上述現有技術的不足之處，對現有技術工業控制系統中智能電子設備通訊網絡組態進行改進，提出一種通訊穩定可靠、兼容性強的智能電子設備可靠通訊的方法。

【關鍵詞】通訊管理機；菊花鏈冗余；雙端口冗余；雙協議冗余

一、背景技術

在電力、能源與化工等自動化工業控制領域中，現有技術工業控制監控系統與智能電子設備（IED）之間的通訊組網方式是：將一定數量的智能電子設備串接為一組作為一個通訊總線，然后將該通訊總線連接到通訊管理機的通訊采集端口進行該通訊總線上各智能電子設備的數據采集，這種單通訊端口獨立總線運行的方式，常常由于通訊總線因故斷開后，導致該通訊端口上連接的所有智能電子設備通訊的中斷。如圖1所示，圖中各字母含義如下：

LANx，表示通訊管理機的第幾個以太網口，如LAN1表示第一個以太網口；

Px，表示通訊管理機的通訊串口編號，如P1表示第一個串口；

IEDxy，表示第幾個總線上的第幾個智能電子設備，如IED11表示總線1上的第1個智能電子設備；IED2n則表示總線2上的第n個智能電子設備；

Prx，表示端口協議，如Pr1表示端口協議1。

智能電子設備都是通過獨立串行總線連接通過通訊端口連接到通訊管理機上的，各總線之間沒有通訊，由于采用的是單協議單端口的通訊方式，當總線因故中斷后，尤其當重要監控智能電子設備的通訊中斷后，對整個工業控制系統的可靠穩定運行造成極大影響。

另外，如果通訊總線上各個智能電子設備有兩個不同通訊協議端口時，由于通訊協議不統一，導致通訊組網時難以將對不同通訊協議的智能電子設備采集到的數據進行整合，而只能采取接入其中一個協議端口的方案，這樣，就使得不同通訊協議端口的智能電子設備不能接入到一個通訊總線上來，導致兼容性太差，且浪費了智能電子設備的資源。如圖12所示，各種具有雙協議的智能電子設備只能通過相同協議的端口連接到通訊總線上來，且各總線之間沒有通訊，大大浪費了設備資源

二、原理研究

本研究旨在避免上述現有技術的不足之處，對現有技術工業控制系統中智能電子設備通訊網絡組態進行改進，提出一種通訊穩定可靠、兼容性強的智能電子設備可靠通訊的方法。

為實現本研究目的，提出一種智能電子設備可靠通訊的方法，智能電子設備監控網絡包括后臺監控系統、交換機、通訊管理機和智能電子設備子網絡；所述智能電子設備子網絡包括至少一個智能電子設備IED；所述智能電子設備IED包括單協議端口設備和雙協議端口設備；尤其是，所述通訊管理機包括至少兩個通訊端口；所述后臺監控系統和所述智能電子設備子網絡之間可靠通訊的方法包括如下步驟：

1、采集準備監控的所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED的基本信息；

2、將確定被監控的智能電子設備組成智能電子設備子網絡，并將該智能電子設備子網絡和所述通訊管理機的通訊端口連接；

3、根據步驟1中所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED的基本信息來確定監控網絡的設備組態；

4、建立包括監控網絡設備組態信息的通訊網絡工程文件；

5、將步驟4所述的通訊網絡工程文件配置完成后即可生成通訊管理機主程序，根據監控網絡的設備組態確定監控網絡的數據冗余方式。所述的通訊端口為通訊管理機上的串口。

步驟1所述的采集準備監控的所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED的基本信息，包括采集所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED的標識符ID及其可運行的通訊協議、智能電子設備的數量、智能電子設備的重要程度。

步驟2所述的智能電子設備子網絡連接方式為線型、星型、環網或菊花鏈式。所述的通訊管理機為兩個以上時，各通訊管理機之間用UDP方式連接進行數據交換、數據同步或切換控制。

步驟3所述確定監控網絡的設備組態包括如下步驟：如果所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED均為單協議端口設備，就采用通訊端口冗余的方式；如果所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED均為雙協議端口設備，就采用協議冗余或端口協議混合冗余方式；根據所述智能電子設備子網絡中智能電子設備IED數量及其監控的重要程度確定通訊管理機冗余方式。

所述通訊端口冗余是將通訊管理機上的通訊端口根據主/從通訊端口的先后順序進行通訊端口的通訊冗余定義；所述協議冗余是將所述具有雙協議端口的智能電子設備IED根據協議口的主/從協議口先后順序進行通訊冗余定義；所述通訊管理機冗余是為監控網絡配置兩臺以上的通訊管理機來連接所述智能電子設備子網絡。

步驟4所述的監控網絡設備組態信息包括智能電子設備子網絡信息、通訊管理機信息、通訊管理機通訊端口信息、通訊端口運行的通訊協議和設置通訊管理機通訊端口的冗余關系。

步驟5所述的監控網絡的數據冗余方式包括：單通訊管理機雙通訊端口冗余方式、單管理機雙協議冗余方式、雙通訊管理機雙通訊端口冗余、雙通訊管理機雙協議冗余和雙通訊管理機雙協議雙通訊端口冗余方式。

與現有技術相比較，本研究具有以下有益效果：

1、智能電子設備和后臺監控系統通訊穩定可靠；本研究改變了現有技術智能電子設備通訊組網方式，將通訊管理機通訊端口的采集的數據進行冗余處理，采用了單管理機雙端口冗余、單管理機雙協議冗余、雙管理機雙端口冗余、雙管理機雙協議冗余或雙管理機雙端口雙協議的冗余模式，這種有效地組網策略和設備組態，將智能電子設備按照通訊端口冗余的方式擴展了智能電子設備和通訊管理機的通訊鏈路，形成了設備通訊的熱備份，保證了智能電子設備和后臺監控系統通訊的可靠穩定。

2、兼容性強；現有技術智能電子設備網絡只能接入相同協議的智能電子設備，本研究為智能電子設備定義了兩套參數，組成端口協議冗余模式，可以將具有兩個協議端口的智能電子設備同時接入同一通訊網絡，使得任何種類的智能電子設備都能接入網絡，兼容性更強。

三、方案實施

具體實施方式 以下結合附圖所示之優選實施例作進一步詳述。根據工程實際情況，首先需要對準備建立通訊監控的智能電子設備進行基本信息整理（包括采集的點及運行的通訊協議），確立智能電子設備的組網方案。基本原則是：如果智能電子設備只有一個通訊協議口，那么就采取端口主/從冗余的方式；如果智能電子設備支持兩個協議端口，那么就需要考慮端口協議冗余或雙端口雙協議冗余方式。另外，根據智能電子設備數量的多少及監控的重要程度，確定需要的管理機數量及管理機冗余的方式。在工程設計中，針對不同的使用情況，將通訊管理機進行靈活的組網，可以配置為單管理機雙端口冗余、單管理機雙協議冗余、雙管理機雙端口冗余、雙管理機雙協議冗余、雙管理機雙協議雙端口冗余的數據冗余組網方式。

按照上述工程中的實際情況，本研究可有多個實施例，下面根據數據冗余組網方式來對實施例進行描述。

實施例一：單管理機雙端口冗余組網方式。

圖2所示是單管理機雙端口冗余組網方式，該組網方式將智能電子設備IED串接在一起，引出的兩根主干線分別接到通訊管理機的兩個通訊串口上。通訊管理機的兩通訊串口是主/從工作方式，兩通訊串口不同時工作，分為工作口和備用口，工作口具備收發權限，備用口無發送權限，處于端口數據流檢測狀態。當工作端口無數據流時，具備發送權限的工作端口停止發送數據，將權限交給備用口，由備用口啟動發送權限。P1口的主干線因故斷開后，作為備用口德P2口不能檢測到端口的數據流，此時，P1口主動停止本端口的報文發送，P2口停止數據流檢測接受發送權限，改由P2口去完成智能電子設備的通訊。這樣，當其中一個通訊主干線因故斷開后，就可以很快地由備用端口進行通訊管理，保證了智能電子設備和后臺監控系統通訊的實時可靠。

實施例二：單管理機雙協議端口冗余組網方式。

圖3所示是單管理機雙協議端口冗余組網方式，該組網方式的通訊主干線同樣有兩路網絡分支，不同的是兩路網絡分支所運行的通訊協議可以不同，分主從協議口，每個智能電子設備信息點包含兩套參數分別對應不同的兩種協議，智能電子設備兩個協議端口正常時都處于收發狀態，但只有主協議口可以完成參數設置或控制及事件處理，并且每一智能電子設備兩協議端口控制權限可以交互。當工作端口所有智能電子設備通訊都中斷后，則控制權限交給冗余協議端口完成。如果某智能電子設備其中一個協議端口通訊中斷后，也可由該智能電子設備的另一個協議端口去完成通訊。當協議口P1的Pr1協議掛接的所有智能電子設備通訊中斷后，則可以通過協議端口P2的Pr2協議繼續進行通訊；如果智能電子設備IED11的Pr1協議端口故障不能通訊中斷后，IED11的信息采集由Pr2協議口通過P2端口去完成。這樣解決了智能電子設備雙協議不能同時接入的問題。

實施例三：雙管理機雙端口冗余組網方式。

圖4所示是雙管理機雙端口冗余組網方式，該組網方式由兩臺通訊管理機組成，也即雙管理機方式；該組網方式將智能電子設備IED串接在一起，通訊主干線同實施例一相同，也有兩路網絡分支，但是兩路網絡分支分別接入到兩臺通訊管理機通訊端口上，通訊管理機之間用UDP方式連接進行數據交換、數據同步或切換控制。在該種方式下，兩通訊管理機的智能電子設備信息點完全一致，采用熱備份工作方式，可完成對多客戶端進行數據信息的轉發，兩臺通訊管理機都可以進行信息轉發。

實施例四：雙管理機雙協議冗余組網方式。

圖5所示是雙管理機雙協議冗余組網方式，該組網方式由兩臺通訊管理機組成，具有雙協議端口的智能電子設備通過兩路網絡分支分別和通訊管理機相連，在該種方式下，兩通訊管理機接入的智能電子設備是完全一致的，兩通訊管理機之間通過UDP方式連接為熱備份工作方式，可完成對多客戶端進行數據信息的轉發，兩臺通訊管理機之間可以進行信息轉發。該方式將本通訊管理機雙端口協議冗余后再把智能電子設備相同協議的兩端口進行端口冗余，可以充分保證智能電子設備信息采集的可靠。在該種工作方式下，通訊管理機的通訊口分為主協議主口、主協議從口、從協議主口、從協議從口這四種類型。這幾種協議端口的優先權限按如下過程循環：主協議主口、從協議從口、主協議從口、從協議主口。

實施例五：雙管理機雙端口雙協議冗余組網方式。

圖6所示是雙管理機雙端口雙協議冗余組網方式，該組網方式在將本通訊管理機雙端口協議冗余后再把通訊管理機相同協議的兩端口進行端口冗余，可以充分保證設備信息采集的可靠。在該種工作方式下，通訊管理機的通訊口分為主協議主口、主協議從口、從協議主口、從協議從口這四種類型。這幾種類型口的優先權限按如下過程循環：主協議主口、從協議從口、主協議從口、從協議主口。

通過以上四種端口類型的邏輯優先權限的判斷，然后以UDP信息同步的方式交互兩通訊管理機的信息，以達到兩通訊管理機間不同端口類型的報文收發及控制權限的管理。兩通訊管理機的遙測、遙脈以變化率方式同步，事件、遙信變位和控制命令則實時同步。這樣有效地控制了網絡流量，又由于兩通訊管理機間是以非連接的UDP方式進行信息同步，可以很好地提高實時性，同時也起到了可靠通訊的目的。

通過以上五種實施例的組網方式，智能電子設備的通訊組網方式確定后，就需要配置該工程的設備組態。在應用中，先建立一個工程文件，以后該工程的設備組態信息都在該工程目錄中，然后在該工程節點下添加需要的通訊管理機，再為各通訊管理機添加通訊串口，并設置串口運行的通訊協議，接著設置通訊管理機串口間的冗余關系（端口冗余或協議冗余）。這樣，基本的組網策略就配置完成了。剩下的工作就是為通訊管理機的通訊口添加智能電子設備及設備采集的信息點。當智能電子設備的信息點添加完成后，再為轉發協議端口添加需要轉發的信息點。如果是雙通訊管理機冗余方式，還需要配置好完成數據同步的以太網端口的IP地址，這是完成雙通訊管理機冗余的關鍵。這些配置都完成后，就可以生成通訊管理機運行所需的設備配置文件，然后下載到通訊管理機，引導通訊管理機協議程序運行，進行配置文件正確性的基本檢測。

當通訊管理機的設備配置文件檢測正確后，根據前面確定的組網方案，就需要搭建整個網絡的組網平臺。這時需要完成的工作是：連接智能電子設備的串口通訊線至對應的通訊管理機通訊端口；將智能電子管理機的以太網口連至相應的交換機，并與轉發監控端后臺或遠方調度連接起來。

四、結論

上述數字式通訊管理機的通訊方案的研究，提出了一種可靠性通訊的解決方法，能適應各種組網應用的可靠性要求，并已獲得了國家發明專利。該方法已廣泛應用于公司電力自動化工程的實施，運行穩定，贏得了用戶的一直好評。