雙高嵌入式工控機(jī)平臺(tái)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

0　引言

　　保證高度可靠性，提高運(yùn)行性能，同時(shí)還能靈活應(yīng)用和便于擴(kuò)展是電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要采用兩種平臺(tái)：專用結(jié)構(gòu)平臺(tái)和通用工控平臺(tái)。前者主要采用8051，80C196等單片機(jī)作主CPU，以RS—485，CAN和LonWorks作為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，大多采用單板或自定義的小總線，有較強(qiáng)的針對(duì)性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，整體性能和可靠性較高，但存在著通用性、可擴(kuò)充性以及系統(tǒng)升級(jí)等方面的不足。后者通常采用目前廣泛使用的STD總線工控機(jī)、工業(yè)PC和PC104等總線，結(jié)構(gòu)通用性、可擴(kuò)充性較好，也易于系統(tǒng)的升級(jí)，但是由于采用通用結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)有較多的冗余，總線的“金手指”、過(guò)多的插件和扁平電纜也降低了系統(tǒng)的可靠性。
　　為此，北京康拓工業(yè)電腦公司開(kāi)發(fā)出能滿足高可靠性、高性能，又有較好通用性和可擴(kuò)充性，適合電力系統(tǒng)的工控機(jī)平臺(tái)。整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化插件結(jié)構(gòu)，模板之間通過(guò)可靠的并行總線互聯(lián)；系統(tǒng)包括以80X86和LonWorks網(wǎng)絡(luò)為核心的主控板及高性能、功能獨(dú)立的智能I/O。目前已在一些保護(hù)監(jiān)控方面開(kāi)始應(yīng)用。

1　模塊化插件結(jié)構(gòu)

　　從“開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組合設(shè)計(jì)方法”的思想來(lái)看，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍采用模塊化的插件結(jié)構(gòu)，模板之間采用總線結(jié)構(gòu)連接是一種較好的方法，利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。
1.1　插件結(jié)構(gòu)
　　電力系統(tǒng)中信號(hào)線與I/O模板的連接一般采用繞接的方式，如歐式48芯繞接頭；同時(shí)要求I/O接口從模板后端引出,前模板主要是人機(jī)接口，如液晶接口和小鍵盤接口，使用通用的STD或PC總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)都很難滿足此要求。因此插件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用標(biāo)準(zhǔn)VME雙高尺寸，機(jī)箱是6U高度，上半部分是I/O總線，直接給出繞接方式的接口，下半部分是數(shù)據(jù)、地址和控制三總線(見(jiàn)圖1)。
 

圖1　模板結(jié)構(gòu)框圖
Fig.1　The structure of module

1.2　總線
　　采用插件結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，廣泛使用標(biāo)準(zhǔn)并行底板總線。它能以簡(jiǎn)單的硬件支持高速數(shù)據(jù)傳輸和處理，并使整個(gè)系統(tǒng)具備較高的兼容性及靈活的配置。
　　采用96芯歐式針孔結(jié)構(gòu)。實(shí)踐證明，插針?lè)绞奖?ldquo;金手指”方式接觸更可靠，特別是在對(duì)可靠性要求較高的惡劣環(huán)境中，插針整個(gè)包在插座里，與外界環(huán)境隔離，更能抵御惡劣環(huán)境的影響。
　　信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)ISA定義。ISA是最適合80X86的總線。對(duì)于采用80X86的系統(tǒng)，只需加上總線驅(qū)動(dòng)芯片就可基本滿足目前ISA的要求，同時(shí)也可以最大限度地利用目前與80X86配套的芯片，顯然這些芯片的價(jià)格也比較適宜。
1.3　功能的獨(dú)立性
　　模塊之間通過(guò)總線互聯(lián)，模板和總線之間通過(guò)總線驅(qū)動(dòng)芯片將三總線和板外總線隔離，減少模板間的干擾。
　　整個(gè)系統(tǒng)可分為事務(wù)性模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊。事務(wù)性模塊由80X86和LonWorks網(wǎng)絡(luò)主控CPU完成：處理網(wǎng)絡(luò)操作，協(xié)議轉(zhuǎn)換；人機(jī)接口（如小鍵盤、液晶顯示）；利用模板上的大規(guī)模非易失存儲(chǔ)單元，保存數(shù)據(jù)采集處理模塊上的數(shù)據(jù)；利用板上的日歷鐘、串行口等完成其他事務(wù)性操作；還可操作一些開(kāi)關(guān)量輸入和輸出，以彌補(bǔ)數(shù)據(jù)采集處理模塊的開(kāi)入、開(kāi)出的不足。數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是以DSP為核心的智能A/D，它肩負(fù)著模擬量的采集、處理及一些重要的出口控制功能。一個(gè)系統(tǒng)中可以有多塊數(shù)據(jù)采集處理模塊。因此事務(wù)性處理模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊以及由事務(wù)性處理模塊控制的開(kāi)入/開(kāi)出，可有效實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的分散控制和集中管理。
　　系統(tǒng)功能的獨(dú)立性也標(biāo)志著系統(tǒng)整體可靠性的提高。主CPU的功能獨(dú)立，智能A/D的功能獨(dú)立，所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通過(guò)雙口RAM實(shí)現(xiàn)，任何一者的非災(zāi)難性的失效（如電源與地由于芯片擊穿而短路），都不會(huì)造成其他模板失效。每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，使模板之間可以互相監(jiān)督。
　　功能的獨(dú)立性可根據(jù)系統(tǒng)的規(guī)模靈活配置，事務(wù)性處理較少的系統(tǒng)可以V40為主控模塊，事務(wù)性處理較多的可采用386EX，甚至是ST公司486PC。同樣數(shù)據(jù)采集處理模塊可選擇16路、32路、64路，甚至更多路模擬量輸入，可采用高性能如TMS320C32，低性能如TMS320F206，甚至是80C196。在所有同一類型的模塊中，除主CPU不同外，力求其他硬件功能模塊都保持一致，這樣可以使軟件在主控模塊中匯編級(jí)兼容，在其他模塊中C語(yǔ)言級(jí)兼容，方便用戶系統(tǒng)的移植。

2　智能通信

　　根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，采用無(wú)中心控制模式，使控制節(jié)點(diǎn)盡量靠近被控設(shè)備。變電站層和單元層可以都使用統(tǒng)一的LonWorks網(wǎng)絡(luò)，采用相同的通信協(xié)議。
　　變電站層包括全站(網(wǎng))性的用于本站監(jiān)控的監(jiān)控主機(jī)、系統(tǒng)和用于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工程師站，一般裝在控制室中。單元層的設(shè)備一般放在現(xiàn)場(chǎng)，按照分布式系統(tǒng)的原則，各單元之間沒(méi)有電路連接，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)等(peer to peer)交換數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)單元的監(jiān)控、保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)故障或異常，可以僅停下該單元設(shè)備進(jìn)行檢查處理，不影響其它單元。
　　LonWorks技術(shù)，符合ISO的7層開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有效地解決互操作性問(wèn)題。作為現(xiàn)場(chǎng)總線，在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。

3　以80X86為核心的主控模塊

　　80年代以來(lái)，相繼推出以80X86為核心的PC機(jī)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制、辦公自動(dòng)化、商業(yè)、家庭等領(lǐng)域，也相應(yīng)地在電力系統(tǒng)中得到了應(yīng)用。
　　V40(uPD70208)是一種高性能的CMOS、全靜態(tài)嵌入式8位微處理器芯片(相當(dāng)于80188)。V40集成了許多外圍器件，在軟件上完全和8088 CPU兼容。386EX是Intel公司1994年推出的、適合工業(yè)控制32位高性能的嵌入式CPU。采用CMOS工藝和靜態(tài)器件設(shè)計(jì)，完全符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的低功耗、高可靠性、能夠在惡劣環(huán)境中使用的要求。
　　除了上述CPU，主控模塊還包括總線部分、系統(tǒng)復(fù)位、電源管理等。總線匹配、總線驅(qū)動(dòng)和總線隔離主要完成總線對(duì)主控模塊的隔離，同時(shí)保證三總線驅(qū)動(dòng)芯片的個(gè)數(shù)只與系統(tǒng)模塊的個(gè)數(shù)有關(guān)。系統(tǒng)的復(fù)位可以根據(jù)需求采用復(fù)位輸出或輸入。采用輸出方式時(shí)，主控CPU能夠?qū)ζ渌?strong>模板進(jìn)行復(fù)位；如果采用輸入方式，系統(tǒng)有一個(gè)總的電平監(jiān)測(cè)和看門狗復(fù)位輸出，對(duì)系統(tǒng)其他模塊進(jìn)行復(fù)位控制。
　　大容量只讀電子盤，用于存儲(chǔ)用戶程序；大容量可讀寫的電子盤，采用M—System公司的DOC2000，最大空間可達(dá)100 MB,作為大規(guī)模的數(shù)據(jù)保存；高可靠可讀非易失存儲(chǔ)器,采用高可靠E2PROM，用于存儲(chǔ)定值。
　　主CPU模塊還包含日歷鐘、液晶控制和小鍵盤控制，可方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口。

4　數(shù)字信號(hào)處理器DSP

　　DSP與目前通用的CPU不同，是一種為了達(dá)到快速數(shù)學(xué)運(yùn)算而具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。快速的指令周期、哈佛結(jié)構(gòu)、流水操作、專用的乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使DSP的指令周期達(dá)200 ns。
　　DSP具有相當(dāng)強(qiáng)大的處理能力，在相同的主頻下，甚至比目前最先進(jìn)的個(gè)人計(jì)算機(jī)要快10倍～50倍。DSP不再單純作為數(shù)據(jù)采集，還同時(shí)肩負(fù)以往由主CPU完成的主要運(yùn)算功能。采用DSP為核心的智能A/D，完全可以獨(dú)立完成電力系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，例如在保護(hù)中，可以直接通過(guò)DSP發(fā)出保護(hù)動(dòng)作，不必上傳到主CPU，可以大大加快系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。因此智能A/D同時(shí)具有開(kāi)關(guān)量輸入/輸出的功能。