水電站國產(chǎn)化改造串口通信解決方案探討

汪華強，儲玉玲

（1.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038；2.北京華電電子商務科技有限公司，北京 100070）

水電站自動化系統(tǒng)及設備的國產(chǎn)化改造多采取分期分批實施，如何有效解決新老系統(tǒng)及設備之間的串口數(shù)據(jù)通信，探索一種既經(jīng)濟、又穩(wěn)定且方便實施的解決方案至關重要。本文介紹了重慶石堤水電站國產(chǎn)化過程中，結合現(xiàn)場各系統(tǒng)和設備間串口通信的實踐經(jīng)驗，著重探討將串口設備連接至基于IP的以太網(wǎng)局域網(wǎng)的解決方案，取得良好的效果，值得總結借鑒。

1 國產(chǎn)化改造概況

隨著國家對水電站自動化系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造的重視和支持，已投產(chǎn)多年的老電站開始加快了國產(chǎn)化改造的步伐，充分利用枯水季及檢修期，逐步完成自動化系統(tǒng)及設備的國產(chǎn)化改造。由于電力安全生產(chǎn)關乎人民群眾的生命財產(chǎn)安全，踐行國產(chǎn)化改造將面臨諸多挑戰(zhàn)。

1.1 分期分批改造

水電站有既定的年均發(fā)電任務，需要在保障供電的基礎上將國產(chǎn)化改造的影響降至最低，因此大多采取分期分批的方式逐步完成改造，不可避免新老系統(tǒng)并存通信，以及新舊設備間數(shù)據(jù)交互的問題。

1.2 國產(chǎn)軟硬件適配性

目前國產(chǎn)操作系統(tǒng)與國產(chǎn)化服務器、網(wǎng)絡設備之間的適配性尚不完善，導致傳統(tǒng)插卡式的多串口通信方式穩(wěn)定性較差，串口通信誤碼率高。國產(chǎn)PLC 串口通信模塊支持的通信協(xié)議種類有限等問題，亟待尋找一種簡單易行的解決方案。

1.3 施工聯(lián)調時間

老電站的施工改造束縛因素較多，牽涉面較廣，不能影響到其他機組正常發(fā)電，且檢修窗口期短暫，導致系統(tǒng)、設備間的聯(lián)調時間會異常緊張，迫切需要可將各串口設備輕松接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。

2 串口通信解決方案

2.1 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層LCU與多功能儀表、智能IED設備、輔助系統(tǒng)之間的串口通信比較多，根據(jù)實際選用的PLC 以及對側設備的接口類型，可將一部分串口通信方式改為Modbus/TCP 以太網(wǎng)通信方式，將極大地提高通信便捷性和可靠性，同時也降低了通信開發(fā)維護的工作量[1]。

石堤水電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU 采用國產(chǎn)傲拓NA系列PLC 產(chǎn)品，其中公用LCU 與快速門PLC、弧門PLC、輔機PLC 等統(tǒng)一采用Modbus/TCP 通信協(xié)議讀寫數(shù)據(jù)，只需簡單地對傲拓PLC 的網(wǎng)絡模塊Modbus/TCP 通信配置即可實現(xiàn)，且支持雙以太網(wǎng)通道冗余通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

對側設備如果僅支持Modbus RTU 串口通信方式，在傲拓PLC I/O 機箱上增加串口通信模塊（CMM401-0411），該模塊支持4 個擴展串口，可以獨立完成串口通信任務，與CPU 僅完成數(shù)據(jù)交換，不占用CPU 資源，使用簡單方便。

對側設備如果采用IEC60870-5-103 或其他非標準協(xié)議的串口通信方式，配置智能通信服務器設備（ICS），該設備支持2 路網(wǎng)口，8/16 路串口，嵌入式Linux 操作系統(tǒng)支持開發(fā)不同協(xié)議的串口通信軟件，匯聚各串口數(shù)據(jù)并集中轉換成TCP/IP 數(shù)據(jù)流，可有效解決現(xiàn)場串口設備聯(lián)網(wǎng)通信問題。

2.2 廠站控制層

廠站控制層對外的通信軟件主要部署在各通信主機上運行，國產(chǎn)化改造前大多基于Windows 或Linux 系統(tǒng)開發(fā)，改造過程中需要基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)開發(fā)，如凝思、麒麟等操作系統(tǒng)。

石堤水電站廠站層通信主機采用H3C 品牌服務器，安裝凝思操作系統(tǒng)，調試過程中發(fā)現(xiàn)安裝凝思操作系統(tǒng)的H3C 服務器與其他網(wǎng)絡外設的適配性尚不完善，如傳統(tǒng)插卡式的多串口通信卡等，串口通信誤碼率高，無法正常使用。基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)開發(fā)的串口通信軟件，避免不同場景下的二次開發(fā)，確保不對其作任何改動。TCP/IP 網(wǎng)絡通信軟件和串口通信軟件均部署在通信主機上，以便于集中管理維護[2]。

MOXA NPort 系列產(chǎn)品基于IP 的以太網(wǎng)串口服務器組網(wǎng)方式[3]，可以方便地將RS-232/422/485串口設備連接至基于IP 的以太網(wǎng)局域網(wǎng)，使得串口設備輕松接入網(wǎng)絡，通信主機可從任何地點通過本地局域網(wǎng)直接訪問NPort 串口服務器。這種方案確保原有通信軟件不做任何改動，并能充分享受聯(lián)網(wǎng)串口服務器帶來的優(yōu)勢，如圖1 所示。

圖1 單機組網(wǎng)

3 基于IP 的以太網(wǎng)串口服務器組網(wǎng)方式

NPort 串口設備聯(lián)網(wǎng)服務器，可以在串口和以太網(wǎng)界面間輕易地執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)的傳輸，實現(xiàn)PLC、儀表、智能IED 設備和傳感器等RS-232/422/485 串口設備連接至基于IP 的以太網(wǎng)組網(wǎng)方式。NPort 串口服務器支持標準TCP/IP 協(xié)議和多種操作模式，通過其附帶的Real COM/TTY 驅動程序管理現(xiàn)有通信軟件，迅速將基于COM/TTY 端口的通信軟件無縫集成到TCP/IP 網(wǎng)絡中，以及通過TCP/IP 或傳統(tǒng)COM/TTY 端口遠程控制串口設備。

Real COM/TTY 模式旨在允許通信主機將NPort串行端口視為本地COM 端口，可用于創(chuàng)建從本地COM 端口到NPort 串行端口的透明數(shù)據(jù)隧道。

通信主機分布在網(wǎng)絡存在的任何地方，不限于設備機房，通信主機和串口服務器的IP 地址必須設在同一網(wǎng)段，通信主機通過網(wǎng)絡交換機，選擇網(wǎng)絡上的某臺串口服務器的某個串口，從而實現(xiàn)與終端設備或其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

石堤水電站廠站層兩臺通信主機采用上述基于IP 的以太網(wǎng)串口服務器組網(wǎng)方式，完成了與眾多電能量儀表及采集終端（IEC102 協(xié)議）、集控中心（CDT協(xié)議）之間串口通信，其組網(wǎng)方式如圖2 所示。

圖2 多機組網(wǎng)

4 結語

基于IP 的以太網(wǎng)串口服務器組網(wǎng)方式，利用TCP/IP 傳輸?shù)膬?yōu)勢，妥善解決串口通信與網(wǎng)絡通信融合的壁壘，提供靈活易行且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務，保證串口設備與通信主機間的通信質量，在水電站任何存在以太網(wǎng)LAN 的地方，都可以就近布置NPort 串口服務器，接入分散的串口設備，借助以太網(wǎng)LAN 有效解決串口傳輸距離短的弱點。在國產(chǎn)化過程中主機、操作系統(tǒng)等軟硬件適配性較差的情況下，能夠保證原有通信軟件不做任何改動，即可簡單可靠地接入原有的串口設備或系統(tǒng)，為類似水電站的國產(chǎn)化過程中串口通信設計改造提供借鑒。