基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造程序下載系統(tǒng)的研究

唐 俊,于 哲,李興建

(南京南瑞繼保電氣有限公司,江蘇 南京 211100)

當(dāng)代社會(huì)，通信技術(shù)不斷進(jìn)步、信息化水平不斷提高，為物聯(lián)網(wǎng)的提出與產(chǎn)生提供了前提和保證[1]。物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是將無處不在的設(shè)備、企業(yè)、用戶等互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[2-3]，其能夠?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)，進(jìn)行高效信息處理，建立靈活便捷的先進(jìn)智慧服務(wù)系統(tǒng)[4]。

通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的頂層設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等提供支持，無線通信接入技術(shù)以其優(yōu)越的適用性和擴(kuò)展性在物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用[5-6]。文獻(xiàn)[7-9]分析了物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行、終端使用、營(yíng)銷服務(wù)等方面的實(shí)際使用情況及應(yīng)用遠(yuǎn)景，在電力二次生產(chǎn)領(lǐng)域利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),契合當(dāng)前的發(fā)展方向,也能帶來切實(shí)的實(shí)用價(jià)值。

電力二次設(shè)備是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的堅(jiān)實(shí)防線，有效保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10]。其中，繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置是電力二次設(shè)備的重要組成部分，具有監(jiān)視一次設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，迅速反應(yīng)故障和異常，切斷故障源，維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要作用[11-13]。因此，電力二次繼電保護(hù)裝置的生產(chǎn)制造顯得尤為重要，提供安全合格的繼電保護(hù)裝置是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保證。實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)過程自動(dòng)化，可以將人類從簡(jiǎn)單、重復(fù)性的工作中解放出來，提高生產(chǎn)率和工作效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，更利于創(chuàng)造價(jià)值[14]。

當(dāng)前，電力二次繼電保護(hù)裝置生產(chǎn)制造的最后一步是程序下載。文獻(xiàn)[15-16]設(shè)計(jì)了單片機(jī)的程序下載系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)程序的升級(jí)和調(diào)試，但其調(diào)試接口限制較大。文獻(xiàn)[17-18]對(duì)DSP程序下載的接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)，解決了調(diào)試接口受限的問題，采用基于JTAG芯片實(shí)現(xiàn)程序的遠(yuǎn)程、自動(dòng)下載，但依賴于下載器的使用。文獻(xiàn)[19-22]介紹了程序下載方法、系統(tǒng)在各場(chǎng)景的應(yīng)用，但仍依賴于人工參與和上位機(jī)控制程序，未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過程。當(dāng)前，繼電保護(hù)應(yīng)用程序下載大多仍采用本地電腦網(wǎng)口或串口連接繼電保護(hù)裝置，繼而通過上位機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)[23]。這一過程占用人工時(shí)間較長(zhǎng)，出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)較大，成本較高。

為解決上述接口限制、依賴下載器、手動(dòng)下載等問題，進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了智能制造程序下載系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線、有線相結(jié)合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中繼電保護(hù)應(yīng)用程序自動(dòng)化下載，其運(yùn)行過程主要包括掃描裝置條碼、FTP獲取生產(chǎn)程序、TCP下載生產(chǎn)程序3個(gè)部分。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前，在生產(chǎn)過程中，調(diào)試人員都是通過獨(dú)立的筆記本電腦或臺(tái)式電腦，一對(duì)一給繼電保護(hù)下載應(yīng)用程序，造成設(shè)備成本較高[24]。當(dāng)繼電保護(hù)裝置距離調(diào)試人員較遠(yuǎn)時(shí)，需移動(dòng)至保護(hù)裝置，而現(xiàn)實(shí)環(huán)境中繼電保護(hù)裝置并不一定集中放置，這就導(dǎo)致調(diào)試時(shí)間成本比較高。

為解決這一問題，本文提出的程序下載系統(tǒng)采用圖1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用無線網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)各部分連接。繼電保護(hù)程序放在遠(yuǎn)端服務(wù)器進(jìn)行共享，各生產(chǎn)程序下載裝置通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)調(diào)用，繼而傳輸下載到繼電保護(hù)裝置。

圖1 程序下載系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)考慮保護(hù)裝置的CPU在單板調(diào)試后，IP(以及MAC地址)固定且相同，若通過無線或有線組網(wǎng)則無法分辨目標(biāo)下載裝置，所以采取有線網(wǎng)絡(luò)直連方式與生產(chǎn)程序下載裝置進(jìn)行連接。

智能制造程序下載系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)硬件部分由生產(chǎn)程序下載裝置、遠(yuǎn)端服務(wù)器及繼電保護(hù)裝置組成。生產(chǎn)程序下載裝置是整個(gè)系統(tǒng)的主體，其由掃碼板、CPU板、液晶組成。

生產(chǎn)程序下載裝置：獲取繼電保護(hù)裝置條碼，根據(jù)條碼獲取遠(yuǎn)端服務(wù)器存儲(chǔ)的程序，并最終下載到繼電保護(hù)裝置。具體各板卡功能如下：掃碼板的主要功能是連接掃碼槍，掃描繼電保護(hù)裝置條形碼，獲取裝置機(jī)箱編碼，通過CAN報(bào)文發(fā)送給CPU板。CPU板主要功能是接收機(jī)箱條碼，訪問服務(wù)器獲取程序，向繼電保護(hù)裝置下載程序，并將整個(gè)運(yùn)行步驟及異常發(fā)送液晶顯示。液晶的主要功能是顯示下載過程及下載異常信息。

遠(yuǎn)端服務(wù)器：按規(guī)則名稱(軟件名稱$版本號(hào)$管理號(hào))存儲(chǔ)應(yīng)用程序，并存儲(chǔ)物料索引表(包含機(jī)箱條碼與硬件物料對(duì)照表，硬件物料與軟件物料對(duì)照表)。該方法中物料索引表可采用機(jī)箱條碼與軟件物料直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。

繼電保護(hù)裝置：提供機(jī)箱條碼，等待程序下載。

2 通信協(xié)議

智能制造程序下載系統(tǒng)各部分相互通信依賴于通信協(xié)議。生產(chǎn)程序下載裝置與遠(yuǎn)端服務(wù)器之間通信采用標(biāo)準(zhǔn)的FTP協(xié)議，遠(yuǎn)端服務(wù)器為FTP服務(wù)端，生產(chǎn)程序下載裝置為FTP客戶端。生產(chǎn)程序下載裝置與繼電保護(hù)裝置之間通信采用TCP/IP協(xié)議。生產(chǎn)程序下載裝置各板卡間通信采用CAN協(xié)議[25]。

各廠家保護(hù)裝置TCP協(xié)議應(yīng)用數(shù)據(jù)部分及CAN協(xié)議定義不同，本文僅對(duì)系統(tǒng)采用的協(xié)議私有部分做簡(jiǎn)要介紹，其他廠家構(gòu)建本系統(tǒng)需進(jìn)行相應(yīng)定義。

a.CAN報(bào)文定義

CAN報(bào)文鏈路層定義如表1所示。

表1 鏈路層結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用已有的鏈路層架構(gòu)，并對(duì)其中的應(yīng)用數(shù)據(jù)單元部分進(jìn)行重新定義，實(shí)現(xiàn)掃碼板CAN報(bào)文解析以及調(diào)試步驟、錯(cuò)誤信息發(fā)送顯示。

應(yīng)用數(shù)據(jù)單元定義如表2所示，包含類型標(biāo)識(shí)、傳送原因、目標(biāo)板卡地址、數(shù)據(jù)信息體。

表2 應(yīng)用數(shù)據(jù)單元定義

本系統(tǒng)采用如上定義的CAN報(bào)文結(jié)構(gòu)，通過多個(gè)字節(jié)的信息約束能夠提高信息傳輸?shù)恼_性。采用CAN報(bào)文實(shí)現(xiàn)板間通信，調(diào)試信息能夠快速發(fā)送到液晶顯示，進(jìn)而準(zhǔn)確提示生產(chǎn)人員系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

b.TCP數(shù)據(jù)部分定義

由于本裝置存在多個(gè)開發(fā)平臺(tái)，保護(hù)裝置的通信協(xié)議略有差別，存在2種應(yīng)用數(shù)據(jù)定義[26]。下面僅對(duì)TCP數(shù)據(jù)部分定義做簡(jiǎn)要介紹。

繼電保護(hù)裝置協(xié)議的TCP應(yīng)用數(shù)據(jù)部分定義如表3、表4所示。

表3 協(xié)議基本幀格式1

表4 協(xié)議基本幀格式2

智能制造程序下載系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議，由生產(chǎn)程序下載裝置控制傳輸程序文件給繼電保護(hù)裝置。該過程無需人工參與，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)繼電保護(hù)裝置程序的自動(dòng)下載。由于通信協(xié)議的私有性，該部分可自行定義。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

智能制造程序下載系統(tǒng)的軟件整體系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 軟件程序系統(tǒng)流程

智能制造程序下載系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)過程如下：

程序運(yùn)行后，等待掃碼槍掃描繼電保護(hù)裝置機(jī)箱條碼，獲取條碼信息，并通過CAN總線傳遞給CPU板卡。當(dāng)獲取正確的條碼信息后，CPU板卡檢查本地磁盤存儲(chǔ)空間充足后，生產(chǎn)程序下載裝置與遠(yuǎn)端服務(wù)器建立TCP鏈接，F(xiàn)TP登錄服務(wù)器，獲取存儲(chǔ)文件列表及物料信息表。

程序查看下載的物料信息表的大小及時(shí)間，并與上次儲(chǔ)存信息比較，確定是否需要重新下載。若本地?zé)o物料信息表，則直接下載。通過物料信息表，根據(jù)繼電保護(hù)裝置機(jī)箱條碼查找硬件物料及軟件物料名稱，進(jìn)而獲取繼電保護(hù)裝置應(yīng)用程序名稱。

根據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)文件列表，查找繼電保護(hù)應(yīng)用程序名稱完全一致中版本號(hào)最新、管理序號(hào)最新的程序存儲(chǔ)名稱。最后，程序判斷該繼電保護(hù)應(yīng)用程序是否本地已經(jīng)存在且大小正確。若否，則FTP獲取該程序并下載到CPU板卡儲(chǔ)存；若是，則無需重復(fù)下載以提高程序運(yùn)行效率。

繼電保護(hù)裝置程序下載具體交互過程如圖4所示。

圖4 程序下載流程

獲取繼電保護(hù)應(yīng)用程序文件后，生產(chǎn)程序下載裝置與繼電保護(hù)裝置建立TCP連接，根據(jù)下載文件后綴決定采用協(xié)議1或協(xié)議2下載程序文件。不同協(xié)議下載過程略有差別。當(dāng)待測(cè)裝置顯示恢復(fù)出廠設(shè)置成功后，生產(chǎn)程序下載裝置主動(dòng)斷開TCP連接，完成程序下載。

智能制造程序下載系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)完成一次程序下載或出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，則等待裝置條碼信息重新進(jìn)行測(cè)試。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的智能制造程序下載系統(tǒng)已交付公司生產(chǎn)制造部門，并在實(shí)際使用中目前反饋良好，解決了生產(chǎn)過程中的重復(fù)性勞動(dòng)問題。

本系統(tǒng)提出的系統(tǒng)方法及架構(gòu)不局限于電力生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)涉及程序更新、傳輸?shù)母餍懈鳂I(yè)均可適用。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取云端存儲(chǔ)程序，并自動(dòng)更新目標(biāo)對(duì)象的應(yīng)用程序，提高程序更新的效率和準(zhǔn)確率，在批量化作業(yè)過程中效果顯著。

5 結(jié)束語

本文在分析物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了智能制造程序下載系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過掃描繼電保護(hù)裝置條碼信息，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置應(yīng)用程序自動(dòng)下載。該系統(tǒng)采用FTP協(xié)議獲取遠(yuǎn)端服務(wù)器存儲(chǔ)程序文件，并采用TCP協(xié)議將該應(yīng)用程序文件傳輸給繼電保護(hù)裝置進(jìn)行程序更新，能通過CAN報(bào)文協(xié)議實(shí)時(shí)顯示程序執(zhí)行步驟及執(zhí)行情況，具有良好的人機(jī)交互界面。采用該系統(tǒng)能夠降低人力成本，提高程序下載效率，滿足不斷提高自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。