MOXA嵌入式計算機在變電站綜合自動(dòng)化中的解決方案

　　1 變電站綜合自動(dòng)化的應用需求

　　變電站綜合自動(dòng)化系統從整體結構上分為3層：變電站層、通信層和間隔層。間隔層主要由保護單元和測控單元等組成，通信采用RS485現場(chǎng)總線(xiàn);通信層包括通信控制器、保護管理機以及規約轉換器等;變電站層由本地后臺服務(wù)器、保護工程師站和五防系統等構成，通信采用100M工業(yè)以太網(wǎng)。

　　一般來(lái)說(shuō)，間隔層測控裝置將實(shí)時(shí)采集的各種測量數據發(fā)送到通信層，并由通信層向變電站層轉發(fā);同時(shí)，通信層接收來(lái)自變電站層的各種操作數據，對間隔層進(jìn)行一定的控制?？梢?jiàn)，通信層在整個(gè)系統的設計上發(fā)揮著(zhù)承上啟下的關(guān)鍵作用，通信層設備是否穩定、高效會(huì )影響整個(gè)系統可靠性的高低。通信層的核心部件是通信控制器，通信控制器通過(guò)RS485網(wǎng)與各測控單元互聯(lián)，經(jīng)以太網(wǎng)與主站層沒(méi)備連接;保護管理機和智能裝置(小電流接地選線(xiàn)、直流屏)與通信控制器采用RS422接口通信，各保護裝置、保護管理機和35kV間隔層測控裝置采用RS485/422/232接口與通信控制器通信。這樣的網(wǎng)絡(luò )結構(如圖l所示)使通信控制器有更多時(shí)間對信息作綜合處理，同時(shí)使系統的靈活性得以提高。

　　2 嵌入式技術(shù)在電力綜合自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用

　　相對于工業(yè)PC，基于嵌入式技術(shù)的產(chǎn)品從內部結構到外部結構的設計都進(jìn)行了革命性的變革，克服了工業(yè)PC現有的這些缺點(diǎn)。固態(tài)電子盤(pán)(SSE)或CF)取代了PC的硬盤(pán)，低功耗、RISC架構的CPU取消了風(fēng)扇設計。所以，從內部結構上看，嵌入式控制器已經(jīng)取消了PC的諸多不穩定因素;從系統擴展方式上看，嵌入式控制器也與傳統的IPC有很大差別。傳統的IPC擴展是“插卡式”，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)的抗強震動(dòng)和沖擊能力要求;而嵌入式計算機則是采用集成化的電路設計，直接將串口、網(wǎng)口、DI/DO等接口集成在嵌入式計算機上，大大提高了系統的穩定性。同時(shí)，Win CE、Linux等嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的應用，不僅滿(mǎn)足了工業(yè)控制的實(shí)時(shí)性，而且有力地保證了系統的穩定性，降低了系統的維護成奉。

　　正是考慮到嵌入式技術(shù)在電力特別是綜合自動(dòng)化領(lǐng)域的應用前景和必然趨勢，越來(lái)越多的公司開(kāi)始研發(fā)嵌入式的產(chǎn)品。MOXA作為一個(gè)在串口領(lǐng)域耕耘近20余年的公司，在串口通信方面積累了豐富的經(jīng)驗。MOXA的串口卡、串口服務(wù)器在電力、交通、能源等基礎行業(yè)得到客戶(hù)的一致好評。MOXA通過(guò)其產(chǎn)品在各行各業(yè)的應用也對各行業(yè)的需求有了更深入的了解，特別是在電力的變電站綜合自動(dòng)化領(lǐng)域，MOXA發(fā)現客戶(hù)在進(jìn)行通信層的設計時(shí)需要一款既能夠實(shí)現串口轉以太網(wǎng)，同時(shí)又具備前置機功能的產(chǎn)品。MOXA利用在串口通信方面和底層軟件上的研發(fā)優(yōu)勢，迅速地推出了集成了多個(gè)串口、網(wǎng)口等各種接口的嵌入式計算機EC。通過(guò)嵌入不同的應用程序，EC在電力應用上可以實(shí)現通信控制器、規約轉換器、保護管理機和電能量采集終端等功能。

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　　3 MOXA嵌入式計算機UC7400系列的應用實(shí)例

　　下面就以MOXA的一款嵌入式計算機UC-7420為例，詳細說(shuō)明嵌入式計算機在變電站綜合自動(dòng)化領(lǐng)域中的應用?；赗ISC的UC-7420/74l嵌入式計算機是嵌入式應用的理想選擇。該產(chǎn)品具備8個(gè)RS232/422/485串口、2個(gè)lO/100 Mbps以太網(wǎng)口、1個(gè)用于無(wú)線(xiàn)通信的PC-MCIA接口，以及用于擴展閃存空間的CF卡插槽和USB接口。UC-7420/7410采用Intel XScale IXP-422 266MHz RISC CPU。與采用CISC設計的x86 CPU不同的是，IXP-422的RISC架構設計和先進(jìn)的半導體技術(shù)賦予了UC-7420強大的計算和通信能力，且發(fā)熱量很小。內建32 MB NOR F1ash ROM和128 MB SDRAM，為直接將應用軟件放在UC-7420/7410上提供了足夠的存儲空間。同時(shí)，建置在IXP-422 CPU的雙網(wǎng)口是安全的網(wǎng)絡(luò )應用方案的理想通信平臺。如果所設計的方案需要將UC-7420安裝在無(wú)以太網(wǎng)連接的地方，那么可以通過(guò)使用UC-7420的PCMCIA接口安裝無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現。

　　預裝的Linux操作系統為開(kāi)發(fā)程序提供了一個(gè)開(kāi)放平臺。通過(guò)使用GNU交叉編譯器，可以將用于桌面型電腦的軟件輕松導入UC-7-420，無(wú)須修改程序源代碼。UC-7420自帶了一些設備驅動(dòng)，如PCMCIA無(wú)線(xiàn)模塊、鍵盤(pán)、LCM和蜂鳴器控制器等。操作系統、設備驅動(dòng)和自己升發(fā)的應用程序均可以存放在UC-7420的Flash中。

　　UC-7420所具備的上述特性在電力行業(yè)獲得了很大的認可，因此在電力行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。由于該產(chǎn)品不僅提供了一個(gè)穩定、高教的工業(yè)級計算機硬件平臺，而且已經(jīng)在其中嵌入了經(jīng)過(guò)裁剪的操作系統和包括串口驅動(dòng)在內的底層軟件平臺，使得電力系統的開(kāi)發(fā)工程師再也不需要從底層硬件做起。MOXAUC-7420的出現使得致力于電力行業(yè)各種應用的工程師只需要集中精力完成有關(guān)業(yè)務(wù)應用的程序，大大節省了原來(lái)自己做硬件、自己裁剪操作系統所花費的時(shí)間和精力，極大地提高了系統開(kāi)發(fā)的效率。

　　2005年MOXA在全球開(kāi)展了產(chǎn)業(yè)內的軟件合作伙伴計劃，在中國大陸地區主要針對電力市場(chǎng)與電力的軟件公司建立了緊密的合作關(guān)系。例如深圳先鋒電力，一家專(zhuān)門(mén)從事電力自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化的公司，利用自己在電力軟件系統上的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗，基于MOXA的嵌入式計算機平臺，推出了針對變電站綜合自動(dòng)化、電廠(chǎng)綜合自動(dòng)化、綜合調度、規約轉換等多個(gè)系統。變電站的綜合自動(dòng)化系統架構圖如圖2所示。

　　該系統非常易于擴展，規?？梢詮膯螜C系統發(fā)展為多機系統，以便最有效地和用資源和提供重要應用功能的硬件備份。系統的設計采用合適的冗余配置和診斷至模件級的自診斷功能，具有高度的可靠性。系統內任一組件發(fā)生故障，均不會(huì )影響整個(gè)系統的工作。嵌入式計算機UC-7400內置GE、SEL，SIEMENS、ABB、SEPAM、ALS-TOM、AEC等國外品牌保護協(xié)議庫，還支持南瑞保護、許繼保護、五防系統、電度表、直流屏、智能儀表、PLC二等協(xié)議庫。為了保證系統的安全性，事件報警、預告信號全部采用消息處理機制，大大提高了告警的速度。整個(gè)系統的設計易于組態(tài)和使用，可裁剪，可移植。發(fā)電廠(chǎng)的綜合自動(dòng)化系統架構圖如圖3所示。

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　　在專(zhuān)門(mén)針對電力的規約轉換方面，基于MOXA嵌入式計算機產(chǎn)品的UC-7400可以嵌入IEC102、IECl03，IEC1107、IEC61850、DLT645、SEL、LMD、MODBUS(主/ 從)、TCP MODBUS、非標MODBUS、IEC10l(主/從)、IEC104(主/從)、新部頒CDT(主/從)、XT9702、DISA、SC1801、 DNP3.0(主/從)、N4F、MB88、ABBR571、OPCSetver/Client、電話(huà)撥號、GSM發(fā)送短信及工程定制的串口/USB/TCP/UDP協(xié)議等。

　　結語(yǔ)

　　MOXA嵌入式計算機系列產(chǎn)品在RISC架構平臺上集成了多串口、多網(wǎng)口、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出等數據通信和工業(yè)控制接口，使用戶(hù)節省了購買(mǎi)各功能板卡的二次投資;同時(shí)通過(guò)多項特殊的設計，避免了傳統工控機存在的缺陷，使產(chǎn)品具有高性能、無(wú)風(fēng)扇、免維護、高度靈活性、良好擴展性等特點(diǎn)，滿(mǎn)足各種工業(yè)現場(chǎng)特別是電力現場(chǎng)的使用需求。