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柳光軒

1  現(xiàn)場總線
90年代初，通信部門掀起了電源集中監(jiān)控潮，電源集中監(jiān)控是指對通信電源設備、空調(diào)設備和環(huán)境條件（統(tǒng)稱動力設備）進行集中監(jiān)控、集中維護、集中管理，為實現(xiàn)機房無人值守創(chuàng)造一個良好的環(huán)境。
現(xiàn)場總線在計算機和動力設備之間架起一座通信橋梁，實現(xiàn)信息與設備共享。
國際電工委員會IEC給現(xiàn)場總線的定義是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。其基本內(nèi)容：以串行通信數(shù)字信號取代傳統(tǒng)的4～20mA模擬信號；一條現(xiàn)場總線可為眾多的可尋址的現(xiàn)場設備實現(xiàn)多點聯(lián)接；支持底層現(xiàn)場智能設備與高層控制系統(tǒng)采用公用傳輸介質(zhì)交換信息。
現(xiàn)場總線的優(yōu)點是：控制系統(tǒng)的開放性、功能下載的徹底性、信息傳輸?shù)臄?shù)字化。
現(xiàn)場總線的不足是沒有形成一個統(tǒng)一的國際化標準，數(shù)十種現(xiàn)場總線標準使用戶不知所向，給應用帶來許多麻煩。
現(xiàn)場總線的核心是通信協(xié)議，不同廠家的總線模塊產(chǎn)品，采用不同的通信協(xié)議，為了實現(xiàn)在Intranet下集成，需要解決通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換問題，基本對策有兩種：
網(wǎng)關策略：經(jīng)IEC制定共產(chǎn)生了8種現(xiàn)場總線標準，在現(xiàn)場總線的通信協(xié)議未取得一致的情況下，采用網(wǎng)關轉(zhuǎn)換通信協(xié)議，實現(xiàn)不同現(xiàn)場總線的互聯(lián)。但這樣做既加大了硬件投入，又增加了網(wǎng)絡延遲，此乃下策。協(xié)議策略：在眾多的現(xiàn)場總線中，必有一種最適宜的現(xiàn)場總線應用于本系統(tǒng)，開發(fā)及其應用通信協(xié)議，此乃上策。
電源集中監(jiān)控采用局（站）通信協(xié)議SCP，它定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)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(fā)的前端智能設備通信協(xié)議ECP。
SCP網(wǎng)絡層采用現(xiàn)場總線FB，為了與ECP協(xié)議銜接，保留了分布式控制系統(tǒng)DCS。
SCP數(shù)據(jù)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(wǎng)，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(xié)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(xié)議（以下介紹）。
2  LonWorks技術
LonWorks是美國Echelon公司于90年代推出的現(xiàn)場總線，廣泛用于設備測控系統(tǒng)，用來實時地測控數(shù)據(jù)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(jiān)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，稱為Neuron（神經(jīng)元）芯片，內(nèi)含3個8位CPU。第一個CPU是固化的介質(zhì)訪問控制器，處理LON TALK協(xié)議的第一層和第二層；第二個CPU是固化的網(wǎng)絡處理器，處理LON TALK協(xié)議的第三層到第六層；第三個CPU是活化的應用處理器，實現(xiàn)LON TALK協(xié)議的第七層，執(zhí)行由用戶自編的代碼及其所調(diào)用的操作系統(tǒng)。
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(jù)ECP協(xié)議編制的LON TALK協(xié)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(xié)議轉(zhuǎn)換到ECP，接入LonWorks網(wǎng)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(shù)據(jù)線。圖3(2)是LonWorks模塊作為網(wǎng)絡上的一個智能節(jié)點，它是集測量、控制、通信和I/O調(diào)理于一體的高級VLSI器件，內(nèi)嵌LON TALK協(xié)議的神經(jīng)元芯片。

 
(1)  LonWorks智能模塊接線圖
 
(2)  LonWorks智能節(jié)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(zhí)行器），都可以通過LonWorks模塊智能化設備接入LonWorks網(wǎng)絡。
2.3  LonWorks網(wǎng)絡
LonWorks網(wǎng)絡由許多智能節(jié)點組成，不同性質(zhì)的電源設備與LonWorks模塊串接成為網(wǎng)絡上的節(jié)點。智能設備（IE）由LON TALK協(xié)議轉(zhuǎn)換通信協(xié)議接入網(wǎng)絡；非智能設備（NIE）由LonWorks模塊智能化設備接入網(wǎng)絡。
網(wǎng)關G連接了計算機和LonWorks網(wǎng)絡，形成電源集中監(jiān)控低層網(wǎng)絡，如圖4所示，通過總線模塊實現(xiàn)遙測、遙信、遙控，完成通信電源設備的近端監(jiān)控。

 
圖4  低層網(wǎng)絡

3  Intranet環(huán)境
Intranet是開放的、采用TCP/IP協(xié)議的、考慮安全的企業(yè)內(nèi)部信息網(wǎng)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(wǎng)關接口CGI（Common Gateway Interface）與現(xiàn)場總線相連，可以獲取信息、加載控制實現(xiàn)通信電源設備的遠程監(jiān)控。
3.1  Web技術
Web是存放在網(wǎng)絡服務器上一系列完整的信息，在電源集中監(jiān)控，每時每刻都有不斷的信息到達。Web技術在于實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)與Web服務器之間的雙向傳輸；現(xiàn)場數(shù)據(jù)從現(xiàn)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(xiàn)場總線，如圖5所示。

 
圖5  Web信息服務的框架

Web服務器與現(xiàn)場數(shù)據(jù)之間雙向傳送的工作過程是：
(1)  在服務器一側(cè)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(xié)議（HTTP）向Web服務器發(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(shù)據(jù)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(huán)境變量傳遞給主頁指定的CGI。
安全認證服務器，對來自Intranet內(nèi)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(huán)境變量的內(nèi)容有CGI與服務器協(xié)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(nèi)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(diào)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(xiàn)HTTP、HTML（超文本標識語言）無法實現(xiàn)的功能。
②  當需要查詢各種歷史數(shù)據(jù)時，可以去訪問外部數(shù)據(jù)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?qū)⑿畔⑼ㄟ^信道傳向監(jiān)控級計算機、現(xiàn)場總線、現(xiàn)場數(shù)據(jù)，可以將它們視為一個動態(tài)數(shù)據(jù)庫（虛框內(nèi)）。
(5)  現(xiàn)場數(shù)據(jù)的反饋信息由動態(tài)數(shù)據(jù)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(xiàn)代控制系統(tǒng)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(qū)乃至全球，電源集中監(jiān)控系統(tǒng)，涵蓋了局站、市縣、地區(qū)、省區(qū)、大區(qū)五個層次。
現(xiàn)代通信網(wǎng)絡：PSTN、X25、DDN、FR、ISDN、ATM是溝通現(xiàn)場總線和Intranet信道。
將現(xiàn)場總線集成到Intranet，根據(jù)Intranet所處的地位可以分為三個層次：監(jiān)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(jiān)控層：監(jiān)控層是現(xiàn)場總線的底層網(wǎng)絡，由現(xiàn)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(xiàn)場設備的各種運行參數(shù)進行實時測控、障礙報警、事故處理。它相當于電源集中監(jiān)控的監(jiān)控站。
管理層：將現(xiàn)場總線監(jiān)控層的實時數(shù)據(jù)集成到Web服務器，生成各類數(shù)據(jù)信息，進行優(yōu)化處理，實現(xiàn)動態(tài)管理。它相當于電源集中監(jiān)控的城市監(jiān)控管理中心。

 
圖6  遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構和層次

信息層：將監(jiān)控層、管理層、通信網(wǎng)絡融為一體，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、主體優(yōu)化、操作開放。有關人員登錄到Web服務器，可能根據(jù)各自的權限，進行相關的監(jiān)控和管理。它囊括了電源集中監(jiān)控的地區(qū)、省區(qū)、大區(qū)監(jiān)控管理中心。
4  一個城市監(jiān)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(jiān)控工程基本建成，形成了一個城市監(jiān)控中心和城東等14個監(jiān)控站聯(lián)網(wǎng)組成的電源集中監(jiān)控系統(tǒng)，由于當時技術的局限性，如LonWorks尚未引入國內(nèi)，前端智能設備通信協(xié)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(jiān)控系統(tǒng)

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

表1 

(1)  電源網(wǎng)管
設置市區(qū)管轄地理圖一幅，標明監(jiān)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(jiān)控
定點監(jiān)控指監(jiān)控中心向某監(jiān)控站進行訪問，需設計一個友好的界面。
一個電源監(jiān)控站通常有幾十臺電源設備，可以分成五個系統(tǒng)，設置八幅界面圖：交流供電系統(tǒng)一幅、直流供電系統(tǒng)三幅（直流供電、整流器、開關電源）、油機發(fā)電系統(tǒng)一幅、機房空調(diào)系統(tǒng)二幅（中央空調(diào)、專用空調(diào)）、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)一幅。
在這八幅界面上，劃分遙測區(qū)（顯示測量數(shù)據(jù)）、遙信區(qū)（顯示狀態(tài)及告警）、遙控區(qū)（顯示操作點）。
(3)  自動上報
自動上報是監(jiān)控站向監(jiān)控中心發(fā)出的報警信號，表示某監(jiān)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(nèi)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(jiān)控站
圖7的虛框內(nèi)為經(jīng)過技術改造后的城東電源監(jiān)控站。網(wǎng)關G連接了計算機和LonWorks網(wǎng)絡，由LonWorks模塊擴展的16路數(shù)采器與電源設備串接成為LonWorks網(wǎng)絡上的智能節(jié)點，城東電源監(jiān)控站共有8個智能節(jié)點。
節(jié)點1由Lon TALK協(xié)議（TM）轉(zhuǎn)換辛普森柴油發(fā)電機組的通信協(xié)議；節(jié)點2由LonWorks模塊（FM）智能化無錫柴油發(fā)電機組；節(jié)點3、4由LonWorks模塊（FM）智能化兩臺佳力圖空調(diào)；節(jié)點5由LonWorks模塊（FM）智能化一套（四柜）交流配電設備；節(jié)點6由LonWorks模塊（FM）智能化一套（五臺）F150配置整流器；節(jié)點7、8由LonWorks模塊（FM）智能化兩組48V?1000AH蓄電池。