数字式通讯管理机的可靠通讯方法

【摘 要】在电力、能源与化工等自动化工业控制领域中,现有技术工业控制监控系统与智能电子设备（IED）之间的通讯组网方式是：将一定数量的智能电子设备串接为一组作为一个通讯总线,然后将该通讯总线连接到通讯管理机的通讯采集端口进行该通讯总线上各智能电子设备的数据采集,这种传统通讯方式当总线因故中断后,尤其当重要监控智能电子设备的通讯中断后,对整个工业控制系统的可靠稳定运行造成极大影响.本研究旨在避免上述现有技术的不足之处,对现有技术工业控制系统中智能电子设备通讯网络组态进行改进,提出一种通讯稳定可靠、兼容性强的智能电子设备可靠通讯的方法.

【关 键 词】通讯管理机；菊花链冗余；双端口冗余；双协议冗余

一、背景技术

在电力、能源与化工等自动化工业控制领域中,现有技术工业控制监控系统与智能电子设备（IED）之间的通讯组网方式是：将一定数量的智能电子设备串接为一组作为一个通讯总线,然后将该通讯总线连接到通讯管理机的通讯采集端口进行该通讯总线上各智能电子设备的数据采集,这种单通讯端口独立总线运行的方式,常常由于通讯总线因故断开后,导致该通讯端口上连接的所有智能电子设备通讯的中断.如图1所示,图中各字母含义如下：

LANx,表示通讯管理机的第几个以太网口,如LAN1表示第一个以太网口；

Px,表示通讯管理机的通讯串口编号,如P1表示第一个串口；

IEDxy,表示第几个总线上的第几个智能电子设备,如IED11表示总线1上的第1个智能电子设备；IED2n则表示总线2上的第n个智能电子设备；

Prx,表示端口协议,如Pr1表示端口协议1.

智能电子设备都是通过独立串行总线连接通过通讯端口连接到通讯管理机上的,各总线之间没有通讯,由于采用的是单协议单端口的通讯方式,当总线因故中断后,尤其当重要监控智能电子设备的通讯中断后,对整个工业控制系统的可靠稳定运行造成极大影响.

另外,如果通讯总线上各个智能电子设备有两个不同通讯协议端口时,由于通讯协议不统一,导致通讯组网时难以将对不同通讯协议的智能电子设备采集到的数据进行整合,而只能采取接入其中一个协议端口的方案,这样,就使得不同通讯协议端口的智能电子设备不能接入到一个通讯总线上来,导致兼容性太差,且浪费了智能电子设备的资源.如图12所示,各种具有双协议的智能电子设备只能通过相同协议的端口连接到通讯总线上来,且各总线之间没有通讯,大大浪费了设备资源

二、原理研究

本研究旨在避免上述现有技术的不足之处,对现有技术工业控制系统中智能电子设备通讯网络组态进行改进,提出一种通讯稳定可靠、兼容性强的智能电子设备可靠通讯的方法.

为实现本研究目的,提出一种智能电子设备可靠通讯的方法,智能电子设备监控网络包括后台监控系统、交换机、通讯管理机和智能电子设备子网络；所述智能电子设备子网络包括至少一个智能电子设备IED；所述智能电子设备IED包括单协议端口设备和双协议端口设备；尤其是,所述通讯管理机包括至少两个通讯端口；所述后台监控系统和所述智能电子设备子网络之间可靠通讯的方法包括如下步骤：

1、采集准备监控的所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED的基本信息；

2、将确定被监控的智能电子设备组成智能电子设备子网络,并将该智能电子设备子网络和所述通讯管理机的通讯端口连接；

3、根据步骤1中所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED的基本信息来确定监控网络的设备组态；

4、建立包括监控网络设备组态信息的通讯网络工程文件；

5、将步骤4所述的通讯网络工程文件配置完成后即可生成通讯管理机主程序,根据监控网络的设备组态确定监控网络的数据冗余方式.所述的通讯端口为通讯管理机上的串口.

步骤1所述的采集准备监控的所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED的基本信息,包括采集所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED的标识符ID及其可运行的通讯协议、智能电子设备的数量、智能电子设备的重要程度.

步骤2所述的智能电子设备子网络连接方式为线型、星型、环网或菊花链式.所述的通讯管理机为两个以上时,各通讯管理机之间用UDP方式连接进行数据交换、数据同步或切换控制.

步骤3所述确定监控网络的设备组态包括如下步骤：如果所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED均为单协议端口设备,就采用通讯端口冗余的方式；如果所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED均为双协议端口设备,就采用协议冗余或端口协议混合冗余方式；根据所述智能电子设备子网络中智能电子设备IED数量及其监控的重要程度确定通讯管理机冗余方式.

所述通讯端口冗余是将通讯管理机上的通讯端口根据主/从通讯端口的先后顺序进行通讯端口的通讯冗余定义；所述协议冗余是将所述具有双协议端口的智能电子设备IED根据协议口的主/从协议口先后顺序进行通讯冗余定义；所述通讯管理机冗余是为监控网络配置两台以上的通讯管理机来连接所述智能电子设备子网络.

步骤4所述的监控网络设备组态信息包括智能电子设备子网络信息、通讯管理机信息、通讯管理机通讯端口信息、通讯端口运行的通讯协议和设置通讯管理机通讯端口的冗余关系.

步骤5所述的监控网络的数据冗余方式包括：单通讯管理机双通讯端口冗余方式、单管理机双协议冗余方式、双通讯管理机双通讯端口冗余、双通讯管理机双协议冗余和双通讯管理机双协议双通讯端口冗余方式.

与现有技术相比较,本研究具有以下有益效果：

1、智能电子设备和后台监控系统通讯稳定可靠；本研究改变了现有技术智能电子设备通讯组网方式,将通讯管理机通讯端口的采集的数据进行冗余处理,采用了单管理机双端口冗余、单管理机双协议冗余、双管理机双端口冗余、双管理机双协议冗余或双管理机双端口双协议的冗余模式,这种有效地组网策略和设备组态,将智能电子设备按照通讯端口冗余的方式扩展了智能电子设备和通讯管理机的通讯链路,形成了设备通讯的热备份,保证了智能电子设备和后台监控系统通讯的可靠稳定.2、兼容性强；现有技术智能电子设备网络只能接入相同协议的智能电子设备,本研究为智能电子设备定义了两套参数,组成端口协议冗余模式,可以将具有两个协议端口的智能电子设备同时接入同一通讯网络,使得任何种类的智能电子设备都能接入网络,兼容性更强.

三、方案实施

具体实施方式以下结合附图所示之优选实施例作进一步详述.根据工程实际情况,首先需要对准备建立通讯监控的智能电子设备进行基本信息整理（包括采集的点及运行的通讯协议）,确立智能电子设备的组网方案.基本原则是：如果智能电子设备只有一个通讯协议口,那么就采取端口主/从冗余的方式；如果智能电子设备支持两个协议端口,那么就需要考虑端口协议冗余或双端口双协议冗余方式.另外,根据智能电子设备数量的多少及监控的重要程度,确定需要的管理机数量及管理机冗余的方式.在工程设计中,针对不同的使用情况,将通讯管理机进行灵活的组网,可以配置为单管理机双端口冗余、单管理机双协议冗余、双管理机双端口冗余、双管理机双协议冗余、双管理机双协议双端口冗余的数据冗余组网方式.

按照上述工程中的实际情况,本研究可有多个实施例,下面根据数据冗余组网方式来对实施例进行描述.

实施例一：单管理机双端口冗余组网方式.

图2所示是单管理机双端口冗余组网方式,该组网方式将智能电子设备IED串接在一起,引出的两根主干线分别接到通讯管理机的两个通讯串口上.通讯管理机的两通讯串口是主/从工作方式,两通讯串口不同时工作,分为工作口和备用口,工作口具备收发权限,备用口无发送权限,处于端口数据流检测状态.当工作端口无数据流时,具备发送权限的工作端口停止发送数据,将权限交给备用口,由备用口启动发送权限.P1口的主干线因故断开后,作为备用口德P2口不能检测到端口的数据流,此时,P1口主动停止本端口的报文发送,P2口停止数据流检测接受发送权限,改由P2口去完成智能电子设备的通讯.这样,当其中一个通讯主干线因故断开后,就可以很快地由备用端口进行通讯管理,保证了智能电子设备和后台监控系统通讯的实时可靠.

实施例二：单管理机双协议端口冗余组网方式.

图3所示是单管理机双协议端口冗余组网方式,该组网方式的通讯主干线同样有两路网络分支,不同的是两路网络分支所运行的通讯协议可以不同,分主从协议口,每个智能电子设备信息点包含两套参数分别对应不同的两种协议,智能电子设备两个协议端口正常时都处于收发状态,但只有主协议口可以完成参数设置或控制及事件处理,并且每一智能电子设备两协议端口控制权限可以交互.当工作端口所有智能电子设备通讯都中断后,则控制权限交给冗余协议端口完成.如果某智能电子设备其中一个协议端口通讯中断后,也可由该智能电子设备的另一个协议端口去完成通讯.当协议口P1的Pr1协议挂接的所有智能电子设备通讯中断后,则可以通过协议端口P2的Pr2协议继续进行通讯；如果智能电子设备IED11的Pr1协议端口故障不能通讯中断后,IED11的信息采集由Pr2协议口通过P2端口去完成.这样解决了智能电子设备双协议不能同时接入的问题.

实施例三：双管理机双端口冗余组网方式.

图4所示是双管理机双端口冗余组网方式,该组网方式由两台通讯管理机组成,也即双管理机方式；该组网方式将智能电子设备IED串接在一起,通讯主干线同实施例一相同,也有两路网络分支,但是两路网络分支分别接入到两台通讯管理机通讯端口上,通讯管理机之间用UDP方式连接进行数据交换、数据同步或切换控制.在该种方式下,两通讯管理机的智能电子设备信息点完全一致,采用热备份工作方式,可完成对多客户端进行数据信息的转发,两台通讯管理机都可以进行信息转发.

实施例四：双管理机双协议冗余组网方式.

图5所示是双管理机双协议冗余组网方式,该组网方式由两台通讯管理机组成,具有双协议端口的智能电子设备通过两路网络分支分别和通讯管理机相连,在该种方式下,两通讯管理机接入的智能电子设备是完全一致的,两通讯管理机之间通过UDP方式连接为热备份工作方式,可完成对多客户端进行数据信息的转发,两台通讯管理机之间可以进行信息转发.该方式将本通讯管理机双端口协议冗余后再把智能电子设备相同协议的两端口进行端口冗余,可以充分保证智能电子设备信息采集的可靠.在该种工作方式下,通讯管理机的通讯口分为主协议主口、主协议从口、从协议主口、从协议从口这四种类型.这几种协议端口的优先权限按如下过程循环：主协议主口、从协议从口、主协议从口、从协议主口.

实施例五：双管理机双端口双协议冗余组网方式.

图6所示是双管理机双端口双协议冗余组网方式,该组网方式在将本通讯管理机双端口协议冗余后再把通讯管理机相同协议的两端口进行端口冗余,可以充分保证设备信息采集的可靠.在该种工作方式下,通讯管理机的通讯口分为主协议主口、主协议从口、从协议主口、从协议从口这四种类型.这几种类型口的优先权限按如下过程循环：主协议主口、从协议从口、主协议从口、从协议主口.

通过以上四种端口类型的逻辑优先权限的判断,然后以UDP信息同步的方式交互两通讯管理机的信息,以达到两通讯管理机间不同端口类型的报文收发及控制权限的管理.两通讯管理机的遥测、遥脉以变化率方式同步,事件、遥信变位和控制命令则实时同步.这样有效地控制了网络流量,又由于两通讯管理机间是以非连接的UDP方式进行信息同步,可以很好地提高实时性,同时也起到了可靠通讯的目的.

通过以上五种实施例的组网方式,智能电子设备的通讯组网方式确定后,就需要配置该工程的设备组态.在应用中,先建立一个工程文件,以后该工程的设备组态信息都在该工程目录中,然后在该工程节点下添加需要的通讯管理机,再为各通讯管理机添加通讯串口,并设置串口运行的通讯协议,接着设置通讯管理机串口间的冗余关系（端口冗余或协议冗余）.这样,基本的组网策略就配置完成了.剩下的工作就是为通讯管理机的通讯口添加智能电子设备及设备采集的信息点.当智能电子设备的信息点添加完成后,再为转发协议端口添加需要转发的信息点.如果是双通讯管理机冗余方式,还需要配置好完成数据同步的以太网端口的IP地址,这是完成双通讯管理机冗余的关键.这些配置都完成后,就可以生成通讯管理机运行所需的设备配置文件,然后下载到通讯管理机,引导通讯管理机协议程序运行,进行配置文件正确性的基本检测.

当通讯管理机的设备配置文件检测正确后,根据前面确定的组网方案,就需要搭建整个网络的组网平台.这时需要完成的工作是：连接智能电子设备的串口通讯线至对应的通讯管理机通讯端口；将智能电子管理机的以太网口连至相应的交换机,并与转发监控端后台或远方调度连接起来.

四、结论

上述数字式通讯管理机的通讯方案的研究,提出了一种可靠性通讯的解决方法,能适应各种组网应用的可靠性要求,并已获得了国家发明专利.该方法已广泛应用于公司电力自动化工程的实施,运行稳定,赢得了用户的一直好评.