柳光軒

1  現場(chǎng)總線(xiàn)
90年代初，通信部門(mén)掀起了電源集中監控潮，電源集中監控是指對通信電源設備、空調設備和環(huán)境條件（統稱(chēng)動(dòng)力設備）進(jìn)行集中監控、集中維護、集中管理，為實(shí)現機房無(wú)人值守創(chuàng )造一個(gè)良好的環(huán)境。
現場(chǎng)總線(xiàn)在計算機和動(dòng)力設備之間架起一座通信橋梁，實(shí)現信息與設備共享。
國際電工委員會(huì )IEC給現場(chǎng)總線(xiàn)的定義是指安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室的自動(dòng)裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)。其基本內容：以串行通信數字信號取代傳統的4～20mA模擬信號；一條現場(chǎng)總線(xiàn)可為眾多的可尋址的現場(chǎng)設備實(shí)現多點(diǎn)聯(lián)接；支持底層現場(chǎng)智能設備與高層控制系統采用公用傳輸介質(zhì)交換信息。
現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是：控制系統的開(kāi)放性、功能下載的徹底性、信息傳輸的數字化。
現場(chǎng)總線(xiàn)的不足是沒(méi)有形成一個(gè)統一的國際化標準，數十種現場(chǎng)總線(xiàn)標準使用戶(hù)不知所向，給應用帶來(lái)許多麻煩。
現場(chǎng)總線(xiàn)的核心是通信協(xié)議，不同廠(chǎng)家的總線(xiàn)模塊產(chǎn)品，采用不同的通信協(xié)議，為了實(shí)現在Intranet下集成，需要解決通信協(xié)議的轉換問(wèn)題，基本對策有兩種：
網(wǎng)關(guān)策略：經(jīng)IEC制定共產(chǎn)生了8種現場(chǎng)總線(xiàn)標準，在現場(chǎng)總線(xiàn)的通信協(xié)議未取得一致的情況下，采用網(wǎng)關(guān)轉換通信協(xié)議，實(shí)現不同現場(chǎng)總線(xiàn)的互聯(lián)。但這樣做既加大了硬件投入，又增加了網(wǎng)絡(luò )延遲，此乃下策。協(xié)議策略：在眾多的現場(chǎng)總線(xiàn)中，必有一種最適宜的現場(chǎng)總線(xiàn)應用于本系統，開(kāi)發(fā)及其應用通信協(xié)議，此乃上策。
電源集中監控采用局（站）通信協(xié)議SCP，它定義了物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層共四層，如圖1所示。

 
圖1  SCP與OSI層次結構示意圖

SCP應用層為原電信總局下發(fā)的前端智能設備通信協(xié)議ECP。
SCP網(wǎng)絡(luò )層采用現場(chǎng)總線(xiàn)FB，為了與ECP協(xié)議銜接，保留了分布式控制系統DCS。
SCP數據鏈路層和物理層采用三種方案：
(1)  MS/TP（主從/令牌）加RS485，這是一種屏蔽雙絞線(xiàn)局域網(wǎng)，為電源設備提供通信速率高達76Kbps的通信方式；
(2)  PTP（點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議）加RS232，提供Modem及電話(huà)線(xiàn)通信方式，其通信速率為9.6～56Kbps；
(3)  LON TALK協(xié)議（以下介紹）。
2  LonWorks技術(shù)
LonWorks是美國Echelon公司于90年代推出的現場(chǎng)總線(xiàn)，廣泛用于設備測控系統，用來(lái)實(shí)時(shí)地測控數據量不甚多的測量信息、狀態(tài)信息和控制信息，適宜于電源集中監控。
2.1  LON TALK協(xié)議
LON TALK是LonWorks的通信協(xié)議，是唯一定義了OSI模型的全部七層協(xié)議。LON TALK協(xié)議的處理器是LonWorks的核心，稱(chēng)為Neuron（神經(jīng)元）芯片，內含3個(gè)8位CPU。第一個(gè)CPU是固化的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制器，處理LON TALK協(xié)議的第一層和第二層；第二個(gè)CPU是固化的網(wǎng)絡(luò )處理器，處理LON TALK協(xié)議的第三層到第六層；第三個(gè)CPU是活化的應用處理器，實(shí)現LON TALK協(xié)議的第七層，執行由用戶(hù)自編的代碼及其所調用的操作系統。
在SCP引入的第三種方案中，LON TALK協(xié)議的第七層（應用層）是前端智能設備的通信協(xié)議ECP，圖2是根據ECP協(xié)議編制的LON TALK協(xié)議第七層。

 
圖2  按ECP編寫(xiě)的LON TALK第七層

任何廠(chǎng)家的智能設備，都可以通過(guò)LON TALK協(xié)議轉換到ECP，接入LonWorks網(wǎng)絡(luò )。
2.2  LonWorks模塊
圖3所示為L(cháng)onWorks模塊的兩個(gè)工作原理圖，圖3(1)是一塊可編程的LonWorks模塊接線(xiàn)圖，具有4路模擬差分輸入或者8路單端輸入以及一組LonWorks數據線(xiàn)。圖3(2)是LonWorks模塊作為網(wǎng)絡(luò )上的一個(gè)智能節點(diǎn)，它是集測量、控制、通信和I/O調理于一體的高級VLSI器件，內嵌LON TALK協(xié)議的神經(jīng)元芯片。

 
(1)  LonWorks智能模塊接線(xiàn)圖
 
(2)  LonWorks智能節點(diǎn)結構框圖
圖3  LonWorks模塊

任何廠(chǎng)家的非智能設備（含傳感器、執行器），都可以通過(guò)LonWorks模塊智能化設備接入LonWorks網(wǎng)絡(luò )。
2.3  LonWorks網(wǎng)絡(luò )
LonWorks網(wǎng)絡(luò )由許多智能節點(diǎn)組成，不同性質(zhì)的電源設備與LonWorks模塊串接成為網(wǎng)絡(luò )上的節點(diǎn)。智能設備（IE）由LON TALK協(xié)議轉換通信協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò )；非智能設備（NIE）由LonWorks模塊智能化設備接入網(wǎng)絡(luò )。
網(wǎng)關(guān)G連接了計算機和LonWorks網(wǎng)絡(luò )，形成電源集中監控低層網(wǎng)絡(luò )，如圖4所示，通過(guò)總線(xiàn)模塊實(shí)現遙測、遙信、遙控，完成通信電源設備的近端監控。

 
圖4  低層網(wǎng)絡(luò )

3  Intranet環(huán)境
Intranet是開(kāi)放的、采用TCP/IP協(xié)議的、考慮安全的企業(yè)內部信息網(wǎng)絡(luò )。Intranet的技術(shù)基礎是Web技術(shù)，其模式是瀏覽器/服務(wù)器的組合，通過(guò)通用網(wǎng)關(guān)接口CGI（Common Gateway Interface）與現場(chǎng)總線(xiàn)相連，可以獲取信息、加載控制實(shí)現通信電源設備的遠程監控。
3.1  Web技術(shù)
Web是存放在網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器上一系列完整的信息，在電源集中監控，每時(shí)每刻都有不斷的信息到達。Web技術(shù)在于實(shí)現現場(chǎng)數據與Web服務(wù)器之間的雙向傳輸；現場(chǎng)數據從現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)時(shí)傳遞給Web服務(wù)器；控制信息從Web服務(wù)器實(shí)時(shí)加載到現場(chǎng)總線(xiàn)，如圖5所示。

 
圖5  Web信息服務(wù)的框架

Web服務(wù)器與現場(chǎng)數據之間雙向傳送的工作過(guò)程是：
(1)  在服務(wù)器一側的登錄者通過(guò)Web瀏覽器瀏覽到需要的主頁(yè)后，通過(guò)超文本傳輸協(xié)議（HTTP）向Web服務(wù)器發(fā)出請求。
HTTP定義了Web的通信交換機制、請求與回應格式以及各種數據對象等。
(2)  服務(wù)器的HTTP Daemon（守護進(jìn)程）將請求首先提給安全認證服務(wù)器，然后通過(guò)環(huán)境變量傳遞給主頁(yè)指定的CGI。
安全認證服務(wù)器，對來(lái)自Intranet內外訪(fǎng)問(wèn)者的身份和權限認證，必要時(shí)可以加密和解密信息。
CGI是Web服務(wù)器與外部應用程序交互的一個(gè)標準接口。
環(huán)境變量的內容有CGI與服務(wù)器協(xié)議的版本號、服務(wù)的名字、客戶(hù)端的IP地址及域名地址、客戶(hù)端的請求方式、內容、編碼、訪(fǎng)問(wèn)信息的合法性以及用戶(hù)的輸入信息。
(3)  CGI將交互主頁(yè)中用戶(hù)輸入的信息提取出來(lái)，負責調用相應的處理程序，并啟動(dòng)此程序進(jìn)行處理：
①  完成客戶(hù)端與服務(wù)器的交互操作，打破服務(wù)器軟件的局限性，允許采用各種語(yǔ)言去實(shí)現HTTP、HTML（超文本標識語(yǔ)言）無(wú)法實(shí)現的功能。
②  當需要查詢(xún)各種歷史數據時(shí)，可以去訪(fǎng)問(wèn)外部數據庫。
③  溝通不同的服務(wù)平臺，如交換平臺、傳輸平臺、查障平臺。
(4)  處理程序將信息通過(guò)信道傳向監控級計算機、現場(chǎng)總線(xiàn)、現場(chǎng)數據，可以將它們視為一個(gè)動(dòng)態(tài)數據庫（虛框內）。
(5)  現場(chǎng)數據的反饋信息由動(dòng)態(tài)數據庫通過(guò)HTML文件返回給服務(wù)器，最終顯示在屏幕上。
3.2  Intranet層次
現代控制系統的范疇，已不再局限于某個(gè)工廠(chǎng)或院子，而是一個(gè)更為廣泛的地區乃至全球，電源集中監控系統，涵蓋了局站、市縣、地區、省區、大區五個(gè)層次。
現代通信網(wǎng)絡(luò )：PSTN、X25、DDN、FR、ISDN、ATM是溝通現場(chǎng)總線(xiàn)和Intranet信道。
將現場(chǎng)總線(xiàn)集成到Intranet，根據Intranet所處的地位可以分為三個(gè)層次：監控層（局域網(wǎng)）、管理層（城域網(wǎng)）、信息層（廣域網(wǎng)），如圖6所示。
監控層：監控層是現場(chǎng)總線(xiàn)的底層網(wǎng)絡(luò )，由現場(chǎng)總線(xiàn)模塊完成I/O多種功能的測量、診斷和控制，通過(guò)計算機軟件對現場(chǎng)設備的各種運行參數進(jìn)行實(shí)時(shí)測控、障礙報警、事故處理。它相當于電源集中監控的監控站。
管理層：將現場(chǎng)總線(xiàn)監控層的實(shí)時(shí)數據集成到Web服務(wù)器，生成各類(lèi)數據信息，進(jìn)行優(yōu)化處理，實(shí)現動(dòng)態(tài)管理。它相當于電源集中監控的城市監控管理中心。

 
圖6  遠程監控系統結構和層次

信息層：將監控層、管理層、通信網(wǎng)絡(luò )融為一體，實(shí)現數據共享、主體優(yōu)化、操作開(kāi)放。有關(guān)人員登錄到Web服務(wù)器，可能根據各自的權限，進(jìn)行相關(guān)的監控和管理。它囊括了電源集中監控的地區、省區、大區監控管理中心。
4  一個(gè)城市監控管理中心
4.1  簡(jiǎn)述
1995年原紹興市郵電局第一期電源集中監控工程基本建成，形成了一個(gè)城市監控中心和城東等14個(gè)監控站聯(lián)網(wǎng)組成的電源集中監控系統，由于當時(shí)技術(shù)的局限性，如LonWorks尚未引入國內，前端智能設備通信協(xié)議ECP還未出臺，接著(zhù)又進(jìn)行了技術(shù)改造。圖7所示為實(shí)施技術(shù)改造的總體方案，表1列出了技術(shù)改造前后情況對照。

圖7  浙江省紹興市電源集中監控系統

4.2  監控中心
監控中心是電源集中監控的一個(gè)Web站點(diǎn)，能完成四項功能任務(wù)。

表1 

(1)  電源網(wǎng)管
設置市區管轄地理圖一幅，標明監控站位置，綠色顯示供電正常，紅色顯示供電異常（停電、故障）。
(2)  定點(diǎn)監控
定點(diǎn)監控指監控中心向某監控站進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，需設計一個(gè)友好的界面。
一個(gè)電源監控站通常有幾十臺電源設備，可以分成五個(gè)系統，設置八幅界面圖：交流供電系統一幅、直流供電系統三幅（直流供電、整流器、開(kāi)關(guān)電源）、油機發(fā)電系統一幅、機房空調系統二幅（中央空調、專(zhuān)用空調）、環(huán)境監測系統一幅。
在這八幅界面上，劃分遙測區（顯示測量數據）、遙信區（顯示狀態(tài)及告警）、遙控區（顯示操作點(diǎn)）。
(3)  自動(dòng)上報
自動(dòng)上報是監控站向監控中心發(fā)出的報警信號，表示某監控站某設備出問(wèn)題了，它可以在運行界面上，彈出一個(gè)報警窗口，顯示地點(diǎn)、時(shí)間、內容，還可用聲光同時(shí)報警，也可將報警信號傳給值班人員的手機。
(4)  編制報表（略）
4.3  監控站
圖7的虛框內為經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后的城東電源監控站。網(wǎng)關(guān)G連接了計算機和LonWorks網(wǎng)絡(luò )，由LonWorks模塊擴展的16路數采器與電源設備串接成為L(cháng)onWorks網(wǎng)絡(luò )上的智能節點(diǎn)，城東電源監控站共有8個(gè)智能節點(diǎn)。
節點(diǎn)1由Lon TALK協(xié)議（TM）轉換辛普森柴油發(fā)電機組的通信協(xié)議；節點(diǎn)2由LonWorks模塊（FM）智能化無(wú)錫柴油發(fā)電機組；節點(diǎn)3、4由LonWorks模塊（FM）智能化兩臺佳力圖空調；節點(diǎn)5由LonWorks模塊（FM）智能化一套（四柜）交流配電設備；節點(diǎn)6由LonWorks模塊（FM）智能化一套（五臺）F150配置整流器；節點(diǎn)7、8由LonWorks模塊（FM）智能化兩組48V?1000AH蓄電池。