面向異構(gòu)電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的低功耗OPC UA協(xié)議轉(zhuǎn)換最小系統(tǒng)

張辰，毛冬，黃海潮

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州310063）

集成和互聯(lián)互通是智能制造、工業(yè)4.0、電力物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐。電力系統(tǒng)中不同廠家的現(xiàn)場設(shè)備接口不同、采集的數(shù)據(jù)不同，有的甚至不開放接口，因此實(shí)際使用中這些現(xiàn)場設(shè)備可能是一個(gè)信息孤島或者很難被集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中[1]。隨著MES等各類工業(yè)軟件的使用，各類電力設(shè)備的運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析依賴的現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要通過現(xiàn)場設(shè)備集成到上層信息和管理系統(tǒng)。集成和互聯(lián)互通的要求越來越高，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集設(shè)備應(yīng)具有對多種不同接口和協(xié)議的支持，同時(shí)需要以標(biāo)準(zhǔn)的接口對外輸出[2]，這樣設(shè)備和系統(tǒng)集成才能做到高效和標(biāo)準(zhǔn)化。

為此，面向電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測需求，結(jié)合當(dāng)前電力裝備普遍采用的Modbus RTU 和各類PLC 協(xié)議等為主要現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集接口的現(xiàn)狀，進(jìn)行現(xiàn)有接口協(xié)議的OPCUA 轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)研制異構(gòu)電力設(shè)備OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)硬件平臺(tái)，建立基于OPC UA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一輸出接口。該硬件平臺(tái)利用軟件配置的方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集智能設(shè)備統(tǒng)一接入的具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，可高效支撐以O(shè)PC UA協(xié)議為輸出的標(biāo)準(zhǔn)化的跨平臺(tái)運(yùn)行參數(shù)采集實(shí)現(xiàn)。

1 OPC UA協(xié)議轉(zhuǎn)換嵌入式最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析

異構(gòu)電力設(shè)備OPC UA協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)硬件平臺(tái)（硬件參數(shù)需求如表1所示）與數(shù)據(jù)采集SCADA 或MES系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)現(xiàn)場電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集，見圖1所示。

表1 硬件參數(shù)需求表

圖1 面向異構(gòu)現(xiàn)場電力設(shè)備參數(shù)采集的OPCUA 協(xié)議轉(zhuǎn)換場景

由圖1可以看出，電力設(shè)備OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)的硬件平臺(tái)可以掛載執(zhí)行Modbus標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的Modbus 設(shè)備，采用S7協(xié)議的西門子PLC通信設(shè)備、HostLink 協(xié)議的歐姆龍PLC通信設(shè)備以及采用三菱協(xié)議的三菱FX 系列PLC通信設(shè)備，同時(shí)支持機(jī)器人等私有協(xié)議的接入和數(shù)據(jù)采集，最終統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為OPC UA協(xié)議接口服務(wù)器[6]。

每個(gè)通訊協(xié)議均為一個(gè)數(shù)據(jù)源提供者或者一個(gè)數(shù)據(jù)源消費(fèi)者，采用系統(tǒng)通用的數(shù)據(jù)交互接口獲取數(shù)據(jù)或者提供數(shù)據(jù)，其在設(shè)計(jì)方案上是對等的，通過配置軟件的配置，整套系統(tǒng)可以完成M:1的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出功能。OPCUA 協(xié)議設(shè)計(jì)較為開放，因此可以兼容現(xiàn)場協(xié)議中的各種類型的數(shù)據(jù)。因此，將采集通道透明的映射給OPCUA 轉(zhuǎn)發(fā)模塊就較為方便。

OPC UA協(xié)議轉(zhuǎn)換單元利用ARM 內(nèi)核嵌入式微處理器以保證嵌入式系統(tǒng)能夠正常的運(yùn)行[7-9]。OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元嵌入式最小系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

圖2 OPCUA 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元嵌入式最小系統(tǒng)構(gòu)成

在圖2中，微處理器采用AM3352，其2.5 V 工作電壓以及部分外圍芯片3.3 V 工作電壓由電源模塊提供；時(shí)鐘模塊經(jīng)ARM 內(nèi)部鎖相環(huán)提供各模塊所需的時(shí)鐘頻率輸入[9-11]。10 MHz 作為主時(shí)鐘，32.768 kHz 則為RTC 和Reset 模塊產(chǎn)生計(jì)數(shù)時(shí)鐘；Flash 存儲(chǔ)模塊存放程序、需要保存的用戶數(shù)據(jù)等；SDRAM 模塊為系統(tǒng)運(yùn)行提供動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間[10]；JTAG 模塊對芯片內(nèi)部所有部件進(jìn)行訪問，通過該接口實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試、編程、程序代碼下載等[11-12]；UART 模塊用于系統(tǒng)間短距離雙向串行通信；復(fù)位模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)位功能；系統(tǒng)總線擴(kuò)展引出地址總線、數(shù)據(jù)總線和必須的控制總線，支撐用戶根據(jù)自身特定需求擴(kuò)展外圍電路[11]。

2 OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的硬件設(shè)計(jì)

異構(gòu)電力設(shè)備OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)控制底板采用TICortex-A8架構(gòu)的AM335X系列主控作為主處理器（微處理器），支持2個(gè)10/100M 自適應(yīng)工業(yè)以太網(wǎng)（一個(gè)網(wǎng)口作為冗余）、4個(gè)RS232/485串行通訊接口等[13]，如圖3所示。

圖3 協(xié)議轉(zhuǎn)換嵌入式最小系統(tǒng)硬件及其接口

在圖3中可以看出，協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)的控制底板采用四層印刷電路板設(shè)計(jì)，支持10/100/1000 Mb自適應(yīng)的雙網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由。四路串口采用ADI 變壓器式數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)全隔離，有效地保護(hù)MCU 串口不會(huì)被外部高壓損壞。

系統(tǒng)硬件電路主要包括CPU 處理模塊（微處理器MCU）、電源模塊、以太網(wǎng)模塊、通訊模塊（RS232、RS485）、掉電參數(shù)保存模塊、時(shí)鐘模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、LED狀態(tài)指示等[14]。

今年，寶格麗重磅推出新款SerpentiTubogas腕表，融合白金、玫瑰金和黃金經(jīng)典色彩。這款時(shí)計(jì)以現(xiàn)代風(fēng)范重新演繹1960年代推出的三色金腕表經(jīng)典作品，滿足寶格麗擁躉期盼已久的心愿。1960年代，三色金腕表經(jīng)典之作誕生，奠定了后來靈蛇在寶格麗作品中成為推崇備至的主題。而Tubogas亦成為寶格麗經(jīng)典制表工藝。自此，靈蛇不斷喚起世人心中對美的訴求，而巧妙運(yùn)用稀有三色金呈現(xiàn)出對比視覺效果的Tubogas時(shí)計(jì)備受推崇，引領(lǐng)時(shí)代風(fēng)尚潮流。

1）電源電路

電源電路是影響應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、功耗、成本及電池壽命和可靠性的關(guān)鍵電路[9，11，15-17]，其總體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 電源電路圖

2）晶振（RTC）電路

晶振電路采用雙路電源給R8025芯片供電。當(dāng)外部供電中斷時(shí)，由電池對R8025進(jìn)行供電，提供工作時(shí)鐘[9，18]，如圖5所示。

圖5中，TEST/INTA引腳輸出固定周期的中斷，可從2 Hz/1 Hz/60 Hz/3 600 Hz 共5種頻率中做出選擇。振動(dòng)停止檢測功能是對振動(dòng)停止事件進(jìn)行記憶的寄存器功能。通過該功能判斷電源是否變?yōu)檫^0 V 或后備電源是否降為過0 V，從而判斷此時(shí)計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)是否有效[19]。電源電壓檢測功能對電源電壓比設(shè)定電壓低的事件進(jìn)行記錄的寄存器功能。檢測電壓可由寄存器設(shè)定2.1 V 和1.3 V 兩種電壓中的一種，以每秒抽樣的方式進(jìn)行電源電壓監(jiān)視。電源電壓監(jiān)視功能可判定計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)是否無效，也可用于電池的電源電壓監(jiān)視[20-21]。

圖5 晶振（RTC）電路

3）存儲(chǔ)器（SD）電路

存儲(chǔ)器是是程序和數(shù)據(jù)等信息的存儲(chǔ)部件[17]。為此在SD電路中加入兩片UDT26A05L05來實(shí)現(xiàn)ESD防護(hù)，如圖6所示。

圖6 存儲(chǔ)器電路

4）以太網(wǎng)電路

以太網(wǎng)電路采用LAN8720A 搭建。該器件是低能耗的10/100 m 以太網(wǎng)PHY 芯片，高于IEC 規(guī)范的卓越ESD保護(hù)水平，無需任何外部保護(hù)裝置I/O端口管腳電壓符合ieee502.3-2005的標(biāo)準(zhǔn)。由RMII接口和以太網(wǎng)MAC層連通，內(nèi)置10-BASETX 全雙工傳輸模塊支持10 mbps和100 mbps。LAN8720A 通過與目的主機(jī)連接,支持HPAuto-MDIX自動(dòng)翻轉(zhuǎn)功能，不需要更換電纜就可直接改變連接或交叉連接[22]。以太網(wǎng)電路如圖7所示。

圖7 以太網(wǎng)電路

5）RS232和RS485電路

RS232和RS485通信接口全部采用數(shù)字隔離，4路全隔離串口，采用ADI 變壓器式數(shù)字隔離器ADuM1412隔離[23-24]。ADuM1412隔離器提供4個(gè)獨(dú)立的隔離通道，支持多種通道配置和最高達(dá)10 Mbps的數(shù)據(jù)速率，且能夠跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能，可確保不存在輸入邏輯轉(zhuǎn)換時(shí)及上電/關(guān)斷條件下的直流正確性，有效保護(hù)CPU 串口不會(huì)被外部高壓損壞。利用默認(rèn)的輸出控制引腳定義無輸入電源時(shí)輸出所采取的邏輯狀態(tài)[25-27]。RS232和RS485電路如圖8所示。

圖8 RS232和RS485電路

3 OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的運(yùn)行機(jī)制

結(jié)合圖1異構(gòu)電力設(shè)備參數(shù)采集協(xié)議轉(zhuǎn)化應(yīng)用場景，為獲取執(zhí)行Modbus 設(shè)備、西門子PLC通信設(shè)備、歐姆龍PLC通信設(shè)備、三菱FX 系列PLC 通信設(shè)備以及機(jī)器人等私有協(xié)議設(shè)備等與OPC UA 的映射關(guān)系，采用配置軟件進(jìn)行配置與采集模塊通過私有協(xié)議進(jìn)行通信[28，29]。軟件總體框架見圖9。

圖9 軟件總體架構(gòu)

配置軟件的功能模塊劃分如圖10所示。配置軟件的運(yùn)行機(jī)制如圖11所示。

圖10配置軟件的功能模塊劃分

圖11 中，DirveWatch 負(fù)責(zé)啟動(dòng)所有的驅(qū)動(dòng)進(jìn)程、MEMDB內(nèi)存管理進(jìn)程和OPC UA轉(zhuǎn)換進(jìn)程。DriveWatch 管理模塊的特點(diǎn)是，業(yè)務(wù)邏輯簡單，功能精簡，是整個(gè)系統(tǒng)最穩(wěn)定的一個(gè)程序，保證了整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定長期運(yùn)行[30]。1）上行數(shù)據(jù)：驅(qū)動(dòng)模塊的數(shù)據(jù)更新到MEMDB管理模塊，當(dāng)OPCUA 客戶端進(jìn)行讀取時(shí)，從MEMDB模塊獲取數(shù)據(jù)。2）下行數(shù)據(jù)：當(dāng)OPC UA客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)寫操作時(shí)，OPCUA服務(wù)器模塊寫到MEMDB，然后MEMDB通知相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊寫到現(xiàn)場設(shè)備上。

圖11 配置軟件的運(yùn)行機(jī)制

4 結(jié)束語

結(jié)合電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測需求，設(shè)計(jì)異構(gòu)電力設(shè)備OPC UA 協(xié)議轉(zhuǎn)換的嵌入式最小系統(tǒng)硬件平臺(tái)，采用通用數(shù)據(jù)交互接口獲取數(shù)據(jù)或者提供數(shù)據(jù)，其在設(shè)計(jì)方案上是對等的，建立基于OPC UA協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一輸出接口，每個(gè)通訊協(xié)議均為一個(gè)數(shù)據(jù)源提供者或者一個(gè)數(shù)據(jù)源消費(fèi)者。該硬件平臺(tái)可以利用軟件配置的方式完成M:1的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)出功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集智能設(shè)備統(tǒng)一接入，高效支撐以O(shè)PC UA協(xié)議為輸出的異構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化跨平臺(tái)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同種類采集終端云邊協(xié)同參數(shù)采集。