通信管理機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓強(qiáng)，劉愛國(guó)

（1.山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.安科瑞電氣股份有限公司）

1 引言

通信管理機(jī)廣泛適用于SCADA、工業(yè)自動(dòng)化、電力自動(dòng)化、石油化工和智能交通等行業(yè)，在其中擔(dān)任著重要的角色。結(jié)合通信管理機(jī)的使用環(huán)境，研究出了一種通信管理機(jī)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)，這套軟件系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)使用環(huán)境分為兩部分：配置管理軟件和裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)。配置管理軟件提供豐富的配置、測(cè)試、管理和維護(hù)接口；裝置側(cè)軟件系統(tǒng)提供豐富靈活的API接口，以實(shí)時(shí)庫(kù)為數(shù)據(jù)核心，使用消息機(jī)制處理控制命令，采用多線程任務(wù)并行處理的方式，實(shí)現(xiàn)了軟硬件系統(tǒng)的隔離，縮短了通信規(guī)約的開發(fā)時(shí)間等。

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)原則

軟件系統(tǒng)架構(gòu)的原則主要介紹了軟件系統(tǒng)的功能和目標(biāo)。

2.1 軟件系統(tǒng)的功能

通信管理機(jī)始終位于監(jiān)控的終端，并且向著調(diào)度中心發(fā)展，其位于每個(gè)IED的終端以及設(shè)置之間，是整個(gè)變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)較為核心的單元[1]，其主要的功能有以下四個(gè)。

1）高效統(tǒng)一的規(guī)約轉(zhuǎn)換

高效統(tǒng)一的規(guī)約轉(zhuǎn)換包含三方面的內(nèi)容：①數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)換，要求采集和轉(zhuǎn)發(fā)是完全隔離和獨(dú)立的；②通道的隔離，要求RS-485接口之間、RJ45網(wǎng)絡(luò)接口之間和RS-485接口與網(wǎng)絡(luò)接口之間是隔離且獨(dú)立的；③數(shù)據(jù)流和控制流的轉(zhuǎn)換，要求數(shù)據(jù)流和控制流采用不同的優(yōu)先級(jí)處理，且控制流比數(shù)據(jù)流的優(yōu)先級(jí)較高。

2）數(shù)據(jù)處理功能

數(shù)據(jù)處理功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)二次計(jì)算功能。通信管理機(jī)要求存儲(chǔ)一定數(shù)量的實(shí)時(shí)、歷史、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等，以供查詢和調(diào)用，而且通常存儲(chǔ)空間需要擴(kuò)展。

3）配置功能

通信管理機(jī)需要可以按照現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境配置工程，通信管理機(jī)的參數(shù)、通道（RS485串口以及RJ45以太網(wǎng)口和虛擬端口）、設(shè)備、虛設(shè)備、數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)方案等均可獨(dú)立配置，要求人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)單。

4）管理維護(hù)功能

通信管理機(jī)具有本地維護(hù)端口和遠(yuǎn)程維護(hù)端口的功能，可提供完備的統(tǒng)一集中式遠(yuǎn)程管理平臺(tái)進(jìn)行管理、維護(hù)、監(jiān)控、測(cè)試、升級(jí)等功能，方便技術(shù)和開發(fā)人員調(diào)試使用。

2.2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)的目標(biāo)

通信管理機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)中通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測(cè)設(shè)備之間的樞紐設(shè)備，在監(jiān)控系統(tǒng)中起到重要的作用，這就對(duì)通信管理機(jī)的性能和功能有很高的要求，所以軟件系統(tǒng)要求滿足五個(gè)指標(biāo)。

1）功能完善

軟件系統(tǒng)架構(gòu)要求功能完善，必須滿足通信管理機(jī)的功能要求。

2）穩(wěn)、準(zhǔn)、快

軟件系統(tǒng)要求穩(wěn)定性高、精確性高、效率高。穩(wěn)定性高要求必須保證通信管理機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，能夠隨時(shí)監(jiān)控、管理、維護(hù)通信管理機(jī)，并有一定的容錯(cuò)機(jī)制，出現(xiàn)錯(cuò)誤能夠從錯(cuò)誤中恢復(fù)過(guò)來(lái)，還需要有日志和告警功能。精確性高要求設(shè)備側(cè)采集的數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)儀表中的數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)的數(shù)據(jù)是一致的。效率高要求數(shù)據(jù)采集和控制命令能得到快速的響應(yīng)，保證規(guī)約轉(zhuǎn)換能夠快速進(jìn)行。

3）操作簡(jiǎn)單

通信管理機(jī)配置管理軟件界面友好，配置靈活、安裝方便、操作簡(jiǎn)單。

4）可維護(hù)性高

采用分層設(shè)計(jì)的思想，降低硬件和軟件平臺(tái)的耦合度，同時(shí)對(duì)上層提供統(tǒng)一的API接口函數(shù)，便于系統(tǒng)的維護(hù)。

5）可移植性高

采用跨平臺(tái)的語(yǔ)言編碼，可以運(yùn)行在不同的硬件平臺(tái)上，可移植性高。

3 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

軟件系統(tǒng)主要包括兩部分的架構(gòu)：通信管理機(jī)的配置管理軟件和裝置內(nèi)運(yùn)行的軟件系統(tǒng)。配置管理軟件運(yùn)行在Windows環(huán)境中，裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)運(yùn)行在Linux環(huán)境中，PC側(cè)的軟件和裝置內(nèi)的軟件系統(tǒng)通過(guò)自定義的內(nèi)部協(xié)議進(jìn)行通信。

軟件系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

配置管理軟件提供規(guī)約和設(shè)備模板的管理、配置管理、在線監(jiān)控、在線管理、在線維護(hù)、集成工具的功能。在線監(jiān)控包括監(jiān)控報(bào)文、緩沖區(qū)報(bào)文和實(shí)時(shí)庫(kù)數(shù)據(jù)三個(gè)接口。在線管理包括更新配置、軟件升級(jí)、時(shí)鐘校時(shí)等的接口。在線維護(hù)包含通信管理機(jī)的日志信息、告警信息、文件管理、重啟裝置等的接口。通信管理機(jī)裝置側(cè)軟件系統(tǒng)包括主應(yīng)用進(jìn)程、監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程、管理維護(hù)進(jìn)程三個(gè)進(jìn)程運(yùn)行。監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程是監(jiān)控主應(yīng)用進(jìn)程的運(yùn)行情況和配置管理軟件通信情況。管理維護(hù)進(jìn)程是管理監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程和應(yīng)用進(jìn)程的情況。

4 軟件系統(tǒng)架構(gòu)方案

軟件系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境不同，包括配置管理軟件和裝置內(nèi)運(yùn)行的軟件系統(tǒng)兩部分的架構(gòu)。

4.1 配置管理軟件方案設(shè)計(jì)

配置管理軟件是集配置、管理、測(cè)試和維護(hù)功能于一體的專業(yè)軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)安裝方式，便于工程調(diào)試人員安裝使用。

軟件功能分為兩部分：項(xiàng)目文件配置和管理機(jī)管理維護(hù)。首先需要配置一個(gè)工程文件，然后傳入通訊管理機(jī)系統(tǒng)中指定路徑，才能實(shí)現(xiàn)通訊管理機(jī)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)上傳功能。通訊管理機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控與系統(tǒng)控制。

圖1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 工程項(xiàng)目配置界面

4.1.1 項(xiàng)目配置

關(guān)于項(xiàng)目文件配置，主要配置項(xiàng)有通道類型、通信規(guī)約、通道參數(shù)、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備參數(shù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等。配置界面如2圖所示。

為方便項(xiàng)目配置和配置文件的復(fù)用，配置軟件中還提供有規(guī)約模板和設(shè)備模板的管理，規(guī)約模板由廠家提供，而設(shè)備模板由工程調(diào)試人員配置，可導(dǎo)入導(dǎo)出模板，以便于其他工程項(xiàng)目中使用，加快項(xiàng)目配置的速度。

圖2中配置工程還存在虛擬模塊配置項(xiàng)，此配置項(xiàng)用于實(shí)現(xiàn)一些預(yù)定義自動(dòng)化數(shù)學(xué)計(jì)算功能。例如，復(fù)雜的二次計(jì)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和處理等。

4.1.2 項(xiàng)目管理和維護(hù)

通信管理機(jī)對(duì)于工程調(diào)試人員相當(dāng)于黑盒，無(wú)法確定通信管理機(jī)的運(yùn)行狀況，所以需要提供較多的測(cè)試、管理和維護(hù)接口，以便于調(diào)試工作的順利進(jìn)行。

配置管理軟件中提供的管理維護(hù)接口有在線監(jiān)控、管理維護(hù)、調(diào)試等接口。

1）在線監(jiān)控

在線監(jiān)控包括監(jiān)控實(shí)時(shí)庫(kù)、緩沖區(qū)、報(bào)文三方面的信息。監(jiān)控實(shí)時(shí)庫(kù)確定采集到的數(shù)據(jù)是否正確；緩沖區(qū)監(jiān)控硬件緩沖區(qū)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)；報(bào)文是監(jiān)控緩沖區(qū)中符合本通道協(xié)議的報(bào)文。這三方面的監(jiān)控能確定數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的正確性。

2）管理維護(hù)

管理維護(hù)的功能提供遠(yuǎn)程集中管理、時(shí)鐘校準(zhǔn)、文件管理、更新配置、軟件升級(jí)、日志信息、告警信息、重啟裝置等的接口。

①遠(yuǎn)程集中管理，提供多臺(tái)通信管理機(jī)集中管理的接口，可同時(shí)升級(jí)維護(hù)；提供用戶管理的接口，用戶權(quán)限的管理和用戶的增加、刪除、修改等。

②時(shí)鐘校時(shí)，可讀取和設(shè)置通信管理機(jī)的時(shí)鐘。

③文件管理，可下載和上傳通信管理機(jī)中的文件。

④更新配置，可在線替換工程配置文件。

⑤軟件升級(jí)，可在線升級(jí)通信管理機(jī)的軟件系統(tǒng)文件。

⑥日志信息，可在線讀取通信管理機(jī)日志信息。

⑦告警信息，連接建立之后主動(dòng)上傳通信管理機(jī)的告警信息。

⑧重啟裝置，在線軟重啟通信管理機(jī)。

3）調(diào)試

調(diào)試接口中提供集成工具和在線測(cè)試的接口。

①集成工具：包含常用到的規(guī)約測(cè)試工具、SSH、FTP等工具，便于開發(fā)者和技術(shù)人員調(diào)試。

②測(cè)試：配置的工程文件可在Windows環(huán)境中運(yùn)行，測(cè)試工程文件配置是否正確。

4.2 裝置側(cè)軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

裝置側(cè)軟件系統(tǒng)采用多進(jìn)程的方案設(shè)計(jì)，包含管理維護(hù)進(jìn)程、監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程和主應(yīng)用進(jìn)程等。其中，管理維護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程，監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程啟動(dòng)主應(yīng)用進(jìn)程。通信規(guī)約封裝成動(dòng)態(tài)庫(kù)，根據(jù)配置采用動(dòng)態(tài)加載的方式運(yùn)行，可按需擴(kuò)展。

4.2.1 軟件分層架構(gòu)設(shè)計(jì)

裝置側(cè)的軟件系統(tǒng)采用分層模塊化的設(shè)計(jì)思想[2]，主要由四層組成：管理維護(hù)層、通信應(yīng)用層、核心接口層、設(shè)備操作層（見表1）。

表1 通信管理機(jī)軟件系統(tǒng)分層架構(gòu)

①管理維護(hù)層：由管理維護(hù)進(jìn)程和監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程組成，提供設(shè)備軟件系統(tǒng)程序的升級(jí)，保證應(yīng)用進(jìn)程的正常運(yùn)行，完成與配置管理軟件的通信。

②通信應(yīng)用層：由主應(yīng)用進(jìn)程和若干規(guī)約動(dòng)態(tài)庫(kù)組成，完成工程配置文件的解析，動(dòng)態(tài)加載規(guī)約文件。

③API接口層：核心動(dòng)態(tài)庫(kù)提供對(duì)各種硬件接口的直接操作，為通信應(yīng)用層提供統(tǒng)一的API接口函數(shù)，便于完成通信規(guī)約的開發(fā)和擴(kuò)展；歷史動(dòng)態(tài)庫(kù)封裝了sqlite3嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)上層提供數(shù)據(jù)庫(kù)的各種應(yīng)用接口，便于存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)；XML動(dòng)態(tài)庫(kù)提供XML格式的應(yīng)用接口。

④設(shè)備操作層：提供硬件驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)接口，由裝置提供。

4.2.2 軟件主要功能模塊

1）管理維護(hù)進(jìn)程

管理維護(hù)進(jìn)程通過(guò)公共文件的方式與監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程通信，完成工程配置文件的更新、軟件系統(tǒng)的升級(jí)和備份工程配置文件的啟動(dòng)。

2）監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程

監(jiān)控守護(hù)進(jìn)程通過(guò)共享內(nèi)存的方式與主應(yīng)用進(jìn)程進(jìn)行通信，完成監(jiān)控主應(yīng)用進(jìn)程的工作；定時(shí)發(fā)送心跳報(bào)文給主應(yīng)用進(jìn)程，若三次未收到應(yīng)答，則重啟主應(yīng)用進(jìn)程，完成了主應(yīng)用進(jìn)程的守護(hù)工作。

3）主應(yīng)用進(jìn)程

主應(yīng)用進(jìn)程解析工程配置文件，加載核心動(dòng)態(tài)庫(kù)、初始化各功能模塊、加載并運(yùn)行規(guī)約動(dòng)態(tài)庫(kù)、啟動(dòng)備份工程配置文件。

4）核心動(dòng)態(tài)庫(kù)

核心動(dòng)態(tài)庫(kù)調(diào)用設(shè)備操作層提供的接口，重新封裝成統(tǒng)一的應(yīng)用接口，供通信規(guī)約開發(fā)調(diào)用，縮短了規(guī)約的開發(fā)時(shí)間，降低了硬件和軟件的耦合度。

API接口模塊包括配置解析、時(shí)鐘管理、實(shí)時(shí)庫(kù)操作、端口操作、自定義通信規(guī)約、系統(tǒng)支撐、日志、告警、設(shè)備管理、通信處理、應(yīng)用接口模塊等。

①配置解析：完成工程配置文件的解析，將信息存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，供其他模塊調(diào)用。

②時(shí)鐘管理：包括定時(shí)器的操作接口、讀取當(dāng)前時(shí)間、設(shè)置時(shí)鐘、延時(shí)等相關(guān)的操作接口。

③實(shí)時(shí)庫(kù)操作：提供實(shí)時(shí)庫(kù)的讀寫接口，完成了設(shè)備側(cè)規(guī)約和主站側(cè)規(guī)約的隔離和獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的高速轉(zhuǎn)換。

④端口操作：提供了串口、以太網(wǎng)口和CAN口三種通道的打開、關(guān)閉、讀、寫操作接口。

⑤自定義通信規(guī)約：提供與配置管理軟件通信的接口，完成對(duì)通信管理機(jī)的管理和維護(hù)。

⑥系統(tǒng)支撐：提供線程、互斥鎖、信號(hào)量、事件、鏈表等的系統(tǒng)封裝函數(shù)，實(shí)現(xiàn)軟件的跨平臺(tái)運(yùn)行。

⑦日志：提供啟動(dòng)、調(diào)試和錯(cuò)誤日志的接口，便于排錯(cuò)和糾錯(cuò)。

⑧告警：提供告警信息的接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行故障、容錯(cuò)機(jī)制、升級(jí)信息的上報(bào)。

⑨設(shè)備管理：設(shè)備管理使用消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)，提供設(shè)備控制的函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了控制流的可靠轉(zhuǎn)換；兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式，有效地隔離了數(shù)據(jù)流和控制流。

⑩通信處理：完成通信過(guò)程的處理。

?應(yīng)用接口：提供規(guī)約動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載、釋放等功能。

5）規(guī)約動(dòng)態(tài)庫(kù)

規(guī)約動(dòng)態(tài)庫(kù)中的規(guī)約分為設(shè)備側(cè)和主站側(cè)，設(shè)備側(cè)規(guī)約負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)庫(kù)；主站側(cè)規(guī)約負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，讀出實(shí)時(shí)庫(kù)中的數(shù)據(jù)組包發(fā)送給后臺(tái)。規(guī)約的開發(fā)就是調(diào)用API接口層的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)具體的規(guī)約，如Modbus等。

5 結(jié)語(yǔ)

通信管理機(jī)軟件系統(tǒng)架構(gòu)采用分層設(shè)計(jì)的思想，降低了硬件和軟件、軟件不同層之間的耦合度；API接口層的設(shè)計(jì)大大縮短了通信規(guī)約的開發(fā)周期；以實(shí)時(shí)庫(kù)為數(shù)據(jù)流的核心，以消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)控制流，兩種不同的實(shí)現(xiàn)方式，完全將設(shè)備側(cè)和主站側(cè)隔離，數(shù)據(jù)流和控制流隔離；配置軟件的靈活配置，實(shí)現(xiàn)了通道的隔離。實(shí)際工程使用中證明，該軟件系統(tǒng)架構(gòu)的通信管理機(jī)穩(wěn)定性強(qiáng)、可管理維護(hù)性高，提高了工作效率和工作水平。