摘要：針對油庫液位變送器數據變送能力的不足，本文利用IEC61850通訊協(xié)議設計并實(shí)現了新型的數據變送器。shou先，通過(guò)分析IEC61850的特點(diǎn)及其概念模型論證了跨行業(yè)應用該協(xié)議的可行性；其次，討論了設備功能的劃分，并給出了設備功能描述文件的重點(diǎn)片段；#后，設計、實(shí)現了智能設備與IEC61850的數據接口以及與原有液位儀的數據通訊。應用實(shí)踐表明，該新型的液位變送器不僅提高了數據變送能力，而且使監控信息系統不再依賴(lài)某種特定的液位儀。
一、引言
用液位儀獲取油庫的油位、水位、溫度等數據是加油站信息系統的重要組成部分。液位儀在用傳感器獲取各項數據后，將數據變送至信息系統進(jìn)行數據集中處理的模式有：利用4~20mA模擬信號或Modbus串口協(xié)議。在實(shí)際應用中發(fā)現這兩種工作模式有下列不足：①信息系統對數據的解析嚴重依賴(lài)特定的液位儀，使得液位儀更新和信息系統升級相互制約、無(wú)法好立進(jìn)行；②信息系統所獲得的測量數據缺乏品質(zhì)、時(shí)標等信息，對數據分析不利；③在數據傳輸過(guò)程中若發(fā)生線(xiàn)路中斷，則無(wú)法追溯歷史數據，不利于故障分析。
顯然，液位儀現有的數據變送模式已無(wú)法滿(mǎn)足油庫信息化系統建設的需求，故此設計并實(shí)現了新型的液位變送器。該設備以嵌入式操作系統為基礎、借助電力系統中普及應用的IEC61850協(xié)議，成功地克服了液位儀現有數據變送模式的缺點(diǎn)，為油庫管理的信息化和自動(dòng)化控制預留豐富的接口。
二、應用IEC61850的可行性
1．IEC61850的特點(diǎn)
IEC61850是變電站自動(dòng)化系統通信的國際標準，其目的是實(shí)現不同廠(chǎng)商設備間的無(wú)縫信息通信和互操作。該標準的突出特點(diǎn)有：①開(kāi)放、分層的拓撲結構；②面向對象的統一建模技術(shù)；③建模與具體實(shí)現相好立、服務(wù)與通信網(wǎng)絡(luò )好立；④提供能夠自我描述的數據對象及服務(wù)；⑤不同的廠(chǎng)商設備間可互操作。
2．設備描述的概念模型
IEC61850用客戶(hù)/服務(wù)器概念來(lái)實(shí)現設備的互操作和系統無(wú)縫集成，服務(wù)器的核心功能是提供數據服務(wù)，客戶(hù)端，亦即后臺信息系統，通過(guò)請求數據服務(wù)獲取數據信息，其中能提供數據服務(wù)的設備也稱(chēng)作智能電子設備(IED)。
客戶(hù)/服務(wù)器進(jìn)行信息交互的基礎是設備功能描述文件，它XML語(yǔ)言為基礎，詳細地描述了與通信相關(guān)的智能電子設備結構和參數、通信系統結構及它們之間關(guān)系。由于XML擁有可擴展性和自定義性、異構系統間的信息無(wú)障礙互通、數據內容與顯示處理相分離等特點(diǎn), 因此功能描述文件能夠在不同廠(chǎng)家的IED和信息系統之間進(jìn)行交換。同時(shí)，功能描述文件采用面向對象的建模方式，使得數據對象、設備功能以及數據服務(wù)具備自描述特性。以上2點(diǎn)決定了客戶(hù)／服務(wù)器之間不存在直接的依賴(lài)關(guān)系，換言之二者的設計與實(shí)現完全可以好立進(jìn)行。
圖1 是描述I E D設備功能的概念模型，位于頂層的是服務(wù)器(Server),它擁有名稱(chēng)和IP地址。Server以下的邏輯層次依次為邏輯設備(LD)、邏輯節點(diǎn)(LN)、數據(Data)、數據屬性(DA)以及數據屬性功能約束(FCDA),它們都以對象的方式存在。FCDA約束了DA的特性，表明DA所屬的類(lèi)別，如ST代表狀態(tài)數據，MX代表測量數據。此外，LN中包含相同類(lèi)別的FCDA所構成數據集(DataSet)、指明數據服務(wù)方式的報告控制塊(RCB)以及可用于歷史數據追溯的日志控制塊(LCB)等對象模型。圍繞設備功能描述，服務(wù)器端提供不同的服務(wù)，如讀值、報告、日志、控制。
根據以上的敘述可看出， 雖然IEC61850是變電站自動(dòng)化的標準，但因為它廣泛吸收了計算機、通訊和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的成熟技術(shù)，使得它可以無(wú)障礙地直接應用到其它的自動(dòng)化控制領(lǐng)域。正是基于上述認識，本文決定采用IEC61850通訊協(xié)議設計和實(shí)現智能的液位數據變送器，使得設備實(shí)現、數據傳輸、信息處理系統的相互好立。
三、設備功能描述
IEC61850在電力系統的應用已經(jīng)成熟，因此對如何描述設備功能亦有著(zhù)詳盡的規范可以遵循，但如何描述液位變送器的設備功能則需探討。經(jīng)實(shí)際分析認為新設計的變送器應具備的功能有：數據測量、信息告警、日志服務(wù)、設備遙控。限于篇幅，本文只從數據測量和日志記錄2個(gè)方面簡(jiǎn)要敘述。
1．定義測量數據集
綜合相關(guān)文獻并結合油罐信息采集的實(shí)際需求，本文將測量數據分為2組：地衣組是液位、水位、溫度、體積、密度等與儲油量相關(guān)的數據；第二組是泵電流、泵進(jìn)口壓力、油氣濃度等收油、發(fā)油相關(guān)的數據，每一組數據對應一個(gè)數據集。
一個(gè)FCDA描述了一個(gè)被測數據對象，相同性質(zhì)的數據對象構成一個(gè)數據集，例如與儲油量相關(guān)的數據構成個(gè)數據集dsMeasure，圖2是數據集的示例。圖2所示是定義地衣組測量數據集實(shí)例的一部分，數據集名稱(chēng)為dsMeasure。設服務(wù)器名為YG21MONT，則在客戶(hù)/服務(wù)器中表示油液高度數據的語(yǔ)義路徑為YG21MONT/SIML1$MX$OilLvl。
需要說(shuō)明的是，由于測量數據的品質(zhì)、時(shí)標等信息對測量值起到置信說(shuō)明的緣故，因此本文在定義被測量對象時(shí)沒(méi)有細化到daName，而僅有doName，這是與電力系統中常見(jiàn)的配置方法所不同之處。
按類(lèi)似的方法可以定義狀態(tài)數據集dsState，如閥門(mén)位置、液位開(kāi)關(guān)位置；告警數據集dsAlarm包括油氣濃度告警、溫度告警、水位告警等信息。
2．定義日志服務(wù)
當客戶(hù)端因網(wǎng)絡(luò )故障沒(méi)有收到IED發(fā)來(lái)的數據報告，客戶(hù)端則可以通過(guò)日志服務(wù)檢索歷史數據。日志的內容按時(shí)間順序構成一個(gè)“先入先出”隊列，因此客戶(hù)端可次序獲取歷史測量數據或告警信息，這為數據核對和故障分析帶來(lái)了極大便利。
日志模型包括日志控制塊和日志內容2部分，圖3是設備功能描述中關(guān)于日志服務(wù)的內容片段，它定義數據集dsMeasure作為日志內容，而logName與數據集中的ldInst名稱(chēng)應相一致。
日志內容也是面向對象結構，對象成員包括數據集中的數據對象、原因代碼、觸發(fā)選項，客戶(hù)端可以通過(guò)修改LogEna為false停止日志服務(wù)功能。觸發(fā)選項TrgOps指明或者發(fā)生數據值變化、或者發(fā)生數據品質(zhì)變化時(shí)才添加日志內容。
日志內容是保存在RAM中的隊列，為保證IED重啟后日志內容不丟失，因此在添加隊列條目時(shí)，同時(shí)將之保存為磁盤(pán)文件，當IED重啟后shou先將文件內容依次加載到隊列中。本文的日志服務(wù)實(shí)現始終保存#近6個(gè)月的日志內容
四、軟件實(shí)現
目前，IEC61850通訊協(xié)議的實(shí)現大都采用SISCO公司的MMS-EASE Lite軟件包，它利用MMS(報文制造規范)實(shí)現與IEC61850的數據映射本文的也采用該軟件包。
為集中精力驗證I E C 6 1 8 5 0協(xié)議在設計液位變送器應用中的可行性，本文在原有的液位儀等監測設備與IEC61850之間添加了一個(gè)轉換層，該轉換層一方面對上實(shí)現與MMS-EASE Lite的數據接口，另一方面與監測設備仍采用串行通訊的方式周期性查詢(xún)監測設備的數據、狀態(tài)等。作者認為：從經(jīng)濟角度和實(shí)現周期角度來(lái)看，采用“轉換”模式是改造現有液位儀系統較為可行的方案。
該轉換層利用可運行utuLinux2.6.24嵌入式操作系統的S3C2440的工控板實(shí)現的，其硬件資源有主頻400MHz, 內存64MB，一個(gè)以太網(wǎng)口, 三個(gè)串行口，一個(gè)SD卡接口。本文中的可執行程序、設備功能描述文件以及日志文件都是保存在SD中的。
故而，軟件實(shí)現主要考慮論如何合理地實(shí)現的MMS-EASE Lite數據接口、高效地完成與監測設備的數據通訊。
1．數據接口
客戶(hù)端獲取服務(wù)器數據對象的過(guò)程如下：①客戶(hù)端解析設備功能描述文件獲取對象的語(yǔ)義路徑，以之為參數請求讀數據服務(wù)；②服務(wù)器端應用程序訪(fǎng)問(wèn)內存中該對象的實(shí)例后，將結果傳遞給通信映射程序，然后將其映射為MMS的讀響應服務(wù); ③將響應報文按客戶(hù)端組織報文的流程發(fā)送給客戶(hù)端；④客戶(hù)端接收到報文后分析、確認為讀數據服務(wù)的響應。
此可見(jiàn)，客戶(hù)端是數據的消費者，而數據的生產(chǎn)者則是不同廠(chǎng)商的液位監測設備。為了能夠程序少改動(dòng)、甚至不改動(dòng)的情況下，#大限度兼容不同廠(chǎng)家的液位監測設備，本文在在消費者與生產(chǎn)者之間增加了用內存實(shí)現的數據庫作為二者的數據接口。
以數據集dsMeasure為例，shou先為該數據集中的數據對象定義通用的數據結構
DATA_YC.
typedef struct
{
FLOATfValue;
UINT16 uQuality;
MMS_UTC_TIME utc;
}DATA_YC
其中fValue為數據值，uQuality為數據品質(zhì)，utc為UTC(shijie標準時(shí))格式的時(shí)標。
然后分配內存區域容納RDB_YC型的數組
typedef struct
{
UINT16 uDevId;
UINT16 uGrpNum;
UINT16 uItemNum;
DATA_YC dataYc;
}RDB_YC;
其中uDevId用于區分監測不同油罐的液位儀設備，uGrpNum用于區分相同設備中的不同數據集，例如3.1中與液位相關(guān)的數據和與進(jìn)油相關(guān)的數據屬于不同的分組，uItemNum則同一個(gè)數據集中的不同數據項。
通過(guò)uDevId、uGrpNum、uItemNum可以有效地將之與數據對象的語(yǔ)義路徑非常好地關(guān)聯(lián)起來(lái)，如此服務(wù)器在為客戶(hù)端提供數據服務(wù)時(shí)，只需查看內存中的關(guān)系數據庫即可，這一方面wuxu擔心直接向液位儀查詢(xún)數據而導致服務(wù)響應超時(shí)，令一方面也不必關(guān)心具體的液位儀類(lèi)型。
利用內存關(guān)系數據庫的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可以方便地檢查每2次數據之間變化的覺(jué)對值和相對值，為判斷數據品質(zhì)，如溢出、越界、抖動(dòng)、不一致，提供直接依據。
2﹒串行數據通訊
發(fā)送命令、等待響應、接收數據、分析結果Modbus串行數據通訊的常見(jiàn)模式，但作者發(fā)現等待時(shí)間過(guò)短會(huì )造成響應數據接收的遺漏，等待時(shí)間過(guò)長(cháng)則又會(huì )嚴重地影響嵌入式系統的運行效率，使得客戶(hù)端的服務(wù)請求經(jīng)常得不到及時(shí)的響應。經(jīng)過(guò)權衡，本文采用圖4所示的方式與液位儀進(jìn)行數據通訊。
圖4顯示本文以2個(gè)好立的線(xiàn)程分別處理串行口數據的發(fā)送和接收工作。shou先，IEC61850服務(wù)程序可以接收客戶(hù)端發(fā)來(lái)的遠程操作命令，同時(shí)用定時(shí)器周期性地查詢(xún)液位儀以及油泵的測量數據、狀態(tài)信息以及告警信息。為了使同一時(shí)刻到達的命令可以井然有序地通過(guò)串行口發(fā)送，本文用同步原語(yǔ)的方式將這些命令緩存于命令鏈表CallList中。在向CallList中添加節點(diǎn)之前，需要遍歷鏈表，以確保所添加的命令類(lèi)型是非常好的。
其次，當函數Uart_Write()被調用時(shí)，它從CallList中取出一個(gè)命令節點(diǎn)并以設備相關(guān)的方式構造Modbus數據報文，構造好的數據包添加到待發(fā)送數據鏈表SendList中。寫(xiě)串行口的線(xiàn)程周期性地檢查SendList中是否有待發(fā)數據，若有則調用操作系統所提供的接口函數將數據序列寫(xiě)入串行口。與此同時(shí)，UartWrite()啟動(dòng)超時(shí)定時(shí)器，如果所發(fā)報文在指定的時(shí)間內未得到響應，重發(fā)一次報文，若仍無(wú)響應，則通知IEC61850的客戶(hù)端：“設備通訊連接中斷”。
#后，串行口接收線(xiàn)程周期地讀串行口，無(wú)論讀出多少數據都將之依先后順序存入數據接收緩沖區，供數據分析函數使用。分析函數根據具體設備的Modbus規約檢查數據的完整性、正確性。如果接收長(cháng)度不足以構成一個(gè)完整的數據報文，則暫不作分析；如果通過(guò)數據完整性和正確性的檢查就進(jìn)行數據解析，根據報文的種類(lèi)解析出信息結果，并將結果放入內存關(guān)系數據庫中；同時(shí)將解析過(guò)程所消耗的字節數從接收緩沖區中刪除，剩余數據作為下一個(gè)數據報文的內容留作以后分析使用。
一次成功的數據分析說(shuō)明從SendList發(fā)出的數據報文得到了正確的響應，此時(shí)即可再次觸發(fā)函數Uart_Write()的執行。從這里可以看到，Uart_Write()中設置超時(shí)定時(shí)器的一個(gè)重要目的：防止所發(fā)數據報文得不到響應后，導致整個(gè)發(fā)送流程中斷，進(jìn)而影響與其它設備的正常通訊。
至此，本文將與具體液位儀設備相關(guān)的Modbus協(xié)議隱藏在了IED設備內部，而對外統一地顯露IEC61850數據服務(wù)接口，有效地消除了傳統液位儀與后臺信息系統間的強耦合關(guān)系。
五、應用實(shí)踐
文中所設計的智能液位變送器，本文結合常州鐘樓儲油罐液位儀以及油泵監測設備做了實(shí)地應用實(shí)驗。所有的液位儀和油泵監測設備都通過(guò)RS485掛接在工控板的2個(gè)串行口上。設定IED的服務(wù)器名稱(chēng)為YG21MONT，其局域網(wǎng)地址為192.168.1.21，而控制中心對設備的了解只來(lái)自設備功能描述文件。借助互聯(lián)網(wǎng)的遠程登陸服務(wù)，位于南京的控制中心可成功地連接IED設備，并實(shí)現數據信息的獲取，如圖5所示，其中左側是監測對象列表，右側為監測數據現實(shí)。
應用實(shí)踐表明，無(wú)論在IED設備內部獲取測量數據的方式如何，但它對外都采用了統一的IEC61850數據服務(wù)，這使得數據信息系統與具體液位儀設備不再相互依賴(lài)，故而本文所設計的新型液位智能變送器是成功的。
六、 結束語(yǔ)
本文利用IEC61850協(xié)議設計和實(shí)現了新型液位變送器，它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1﹒所變送的數據對象可以根據油庫管理信息化的需要自由擴展，不受液位儀具體的型號限制；
2﹒客戶(hù)端/服務(wù)器端(即IED設備端)不存在著(zhù)直接的耦合關(guān)系，二者的技術(shù)升級不再相互影響，可以好立進(jìn)行；
3﹒測量數據除了擁有數值屬性外，還具有品質(zhì)和時(shí)標屬性，測量數據還可以實(shí)現歷史追溯，為分析IED設備的故障提供了便利。
目前，雖然所設計的IED設備預留了遙控功能的接口，但具體實(shí)現尚未完成，這也是后續工作的重點(diǎn)。
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