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柳光軒

1  現場總線
90年代初，通信部門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、空調設備和環境條件（統稱動力設備）進行集中監控、集中維護、集中管理，為實現機房無人值守創造一個良好的環境。
現場總線在計算機和動力設備之間架起一座通信橋梁，實現信息與設備共享。
國際電工委員會IEC給現場總線的定義是指安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。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；一條現場總線可為眾多的可尋址的現場設備實現多點聯接；支持底層現場智能設備與高層控制系統采用公用傳輸介質交換信息。
現場總線的優點是：控制系統的開放性、功能下載的徹底性、信息傳輸的數字化。
現場總線的不足是沒有形成一個統一的國際化標準，數十種現場總線標準使用戶不知所向，給應用帶來許多麻煩。
現場總線的核心是通信協議，不同廠家的總線模塊產品，采用不同的通信協議，為了實現在Intranet下集成，需要解決通信協議的轉換問題，基本對策有兩種：
網關策略：經IEC制定共產生了8種現場總線標準，在現場總線的通信協議未取得一致的情況下，采用網關轉換通信協議，實現不同現場總線的互聯。但這樣做既加大了硬件投入，又增加了網絡延遲，此乃下策。協議策略：在眾多的現場總線中，必有一種最適宜的現場總線應用于本系統，開發及其應用通信協議，此乃上策。
電源集中監控采用局（站）通信協議SCP，它定義了物理層、數據鏈路層、網絡層、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的前端智能設備通信協議ECP。
SCP網絡層采用現場總線FB，為了與ECP協議銜接，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局域網，為電源設備提供通信速率高達76Kbps的通信方式；
(2)  PTP（點到點協議）加RS232，提供Modem及電話線通信方式，其通信速率為9.6～56Kbps；
(3)  LON TALK協議（以下介紹）。
2  LonWorks技術
LonWorks是美國Echelon公司于90年代推出的現場總線，廣泛用于設備測控系統，用來實時地測控數據量不甚多的測量信息、狀態信息和控制信息，適宜于電源集中監控。
2.1  LON TALK協議
LON TALK是LonWorks的通信協議，是唯一定義了OSI模型的全部七層協議。LON TALK協議的處理器是LonWorks的核心，稱為Neuron（神經元）芯片，內含3個8位CPU。第一個CPU是固化的介質訪問控制器，處理LON TALK協議的第一層和第二層；第二個CPU是固化的網絡處理器，處理LON TALK協議的第三層到第六層；第三個CPU是活化的應用處理器，實現LON TALK協議的第七層，執行由用戶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協議的第七層（應用層）是前端智能設備的通信協議ECP，圖2是根據ECP協議編制的LON TALK協議第七層。

 
圖2  按ECP編寫的LON TALK第七層

任何廠家的智能設備，都可以通過LON TALK協議轉換到ECP，接入LonWorks網絡。
2.2  LonWorks模塊
圖3所示為LonWorks模塊的兩個工作原理圖，圖3(1)是一塊可編程的LonWorks模塊接線圖，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。圖3(2)是LonWorks模塊作為網絡上的一個智能節點，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協議的神經元芯片。

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

任何廠家的非智能設備（含傳感器、執行器），都可以通過LonWorks模塊智能化設備接入LonWorks網絡。
2.3  LonWorks網絡
LonWorks網絡由許多智能節點組成，不同性質的電源設備與LonWorks模塊串接成為網絡上的節點。智能設備（IE）由LON TALK協議轉換通信協議接入網絡；非智能設備（NIE）由LonWorks模塊智能化設備接入網絡。
網關G連接了計算機和LonWorks網絡，形成電源集中監控低層網絡，如圖4所示，通過總線模塊實現遙測、遙信、遙控，完成通信電源設備的近端監控。

 
圖4  低層網絡

3  Intranet環境
Intranet是開放的、采用TCP/IP協議的、考慮安全的企業內部信息網絡。Intranet的技術基礎是Web技術，其模式是瀏覽器/服務器的組合，通過通用網關接口CGI（Common Gateway Interface）與現場總線相連，可以獲取信息、加載控制實現通信電源設備的遠程監控。
3.1  Web技術
Web是存放在網絡服務器上一系列完整的信息，在電源集中監控，每時每刻都有不斷的信息到達。Web技術在于實現現場數據與Web服務器之間的雙向傳輸；現場數據從現場總線實時傳遞給Web服務器；控制信息從Web服務器實時加載到現場總線，如圖5所示。

 
圖5  Web信息服務的框架

Web服務器與現場數據之間雙向傳送的工作過程是：
(1)  在服務器一側的登錄者通過Web瀏覽器瀏覽到需要的主頁后，通過超文本傳輸協議（HTTP）向Web服務器發出請求。
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)  服務器的HTTP Daemon（守護進程）將請求首先提給安全認證服務器，然后通過環境變量傳遞給主頁指定的CGI。
安全認證服務器，對來自Intranet內外訪問者的身份和權限認證，必要時可以加密和解密信息。
CGI是Web服務器與外部應用程序交互的一個標準接口。
環境變量的內容有CGI與服務器協議的版本號、服務的名字、客戶端的IP地址及域名地址、客戶端的請求方式、內容、編碼、訪問信息的合法性以及用戶的輸入信息。
(3)  CGI將交互主頁中用戶輸入的信息提取出來，負責調用相應的處理程序，并啟動此程序進行處理：
①  完成客戶端與服務器的交互操作，打破服務器軟件的局限性，允許采用各種語言去實現HTTP、HTML（超文本標識語言）無法實現的功能。
②  當需要查詢各種歷史數據時，可以去訪問外部數據庫。
③  溝通不同的服務平臺，如交換平臺、傳輸平臺、查障平臺。
(4)  處理程序將信息通過信道傳向監控級計算機、現場總線、現場數據，可以將它們視為一個動態數據庫（虛框內）。
(5)  現場數據的反饋信息由動態數據庫通過HTML文件返回給服務器，最終顯示在屏幕上。
3.2  Intranet層次
現代控制系統的范疇，已不再局限于某個工廠或院子，而是一個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、大區五個層次。
現代通信網絡：PSTN、X25、DDN、FR、ISDN、ATM是溝通現場總線和Intranet信道。
將現場總線集成到Intranet，根據Intranet所處的地位可以分為三個層次：監控層（局域網）、管理層（城域網）、信息層（廣域網），如圖6所示。
監控層：監控層是現場總線的底層網絡，由現場總線模塊完成I/O多種功能的測量、診斷和控制，通過計算機軟件對現場設備的各種運行參數進行實時測控、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：將現場總線監控層的實時數據集成到Web服務器，生成各類數據信息，進行優化處理，實現動態管理。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、通信網絡融為一體，實現數據共享、主體優化、操作開放。有關人員登錄到Web服務器，可能根據各自的權限，進行相關的監控和管理。它囊括了電源集中監控的地區、省區、大區監控管理中心。
4  一個城市監控管理中心
4.1  簡述
1995年原紹興市郵電局第一期電源集中監控工程基本建成，形成了一個城市監控中心和城東等14個監控站聯網組成的電源集中監控系統，由于當時技術的局限性，如LonWorks尚未引入國內，前端智能設備通信協議ECP還未出臺，接著又進行了技術改造。圖7所示為實施技術改造的總體方案，表1列出了技術改造前后情況對照。

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Web站點，能完成四項功能任務。

表1 

(1)  電源網管
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)  定點監控
定點監控指監控中心向某監控站進行訪問，需設計一個友好的界面。
一個電源監控站通常有幾十臺電源設備，可以分成五個系統，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、開關電源）、油機發電系統一幅、機房空調系統二幅（中央空調、專用空調）、環境監測系統一幅。
在這八幅界面上，劃分遙測區（顯示測量數據）、遙信區（顯示狀態及告警）、遙控區（顯示操作點）。
(3)  自動上報
自動上報是監控站向監控中心發出的報警信號，表示某監控站某設備出問題了，它可以在運行界面上，彈出一個報警窗口，顯示地點、時間、內容，還可用聲光同時報警，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的虛框內為經過技術改造后的城東電源監控站。網關G連接了計算機和LonWorks網絡，由LonWorks模塊擴展的16路數采器與電源設備串接成為LonWorks網絡上的智能節點，城東電源監控站共有8個智能節點。
節點1由Lon TALK協議（TM）轉換辛普森柴油發電機組的通信協議；節點2由LonWorks模塊（FM）智能化無錫柴油發電機組；節點3、4由LonWorks模塊（FM）智能化兩臺佳力圖空調；節點5由LonWorks模塊（FM）智能化一套（四柜）交流配電設備；節點6由LonWorks模塊（FM）智能化一套（五臺）F150配置整流器；節點7、8由LonWorks模塊（FM）智能化兩組48V?1000AH蓄電池。