MACH2系統(tǒng)板卡程序下裝平臺(tái)的研制

國(guó)網(wǎng)河南電力公司直流運(yùn)檢分公司 任舟啟 杜康平 羅朝華 聶 晶 王曉鵬

MACH2系統(tǒng)（Modular Advanced Control HVDC and SVC 2nd edition）是ABB公司的一種基于軟硬件結(jié)合的直流輸電系統(tǒng)級(jí)解決方案。其在硬件層面主要由標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)計(jì)算機(jī)、PCI板卡、I/O及通訊專用電路板、輔助電路板等組成。由于目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用該系統(tǒng)的換流站多為早期直流工程，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行板卡故障率顯著提高，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障處理時(shí)需對(duì)更換后的板卡下裝對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序。

本文從便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員使用且安全可靠的方面出發(fā)，深入研究MACH2系統(tǒng)板卡軟件下裝邏輯與實(shí)現(xiàn)方法。最后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消缺檢修應(yīng)用需求，研發(fā)了一種MACH2系統(tǒng)板卡程序下裝平臺(tái)。

1 功能要求

下裝平臺(tái)需要完整支持MACH2系統(tǒng)所有I/O及通訊板卡的程序且內(nèi)置電源，填補(bǔ)了目前離線裝載板卡程序的空白。同時(shí)也要滿足人機(jī)交互便捷、操作簡(jiǎn)單、易于使用，達(dá)到提高現(xiàn)場(chǎng)消缺工作效率的目的。

1.1 現(xiàn)有裝載過(guò)程的不足

目前板卡下裝方式為就地在屏柜使用筆記本電腦直接進(jìn)行下裝。該方式依賴就地屏柜供電，因此需提前將故障板卡拆下，若相鄰卡槽內(nèi)插有板卡，也需同時(shí)將該板卡拆下。步驟復(fù)雜，增加了檢修消缺時(shí)間。

目前需使用Windows系統(tǒng)筆記本直連板卡，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

現(xiàn)有下裝軟件操作步驟繁多，且需人工對(duì)板卡斷電重啟，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)下裝功能。

1.2 下裝平臺(tái)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

新研制下裝平臺(tái)的功能應(yīng)滿足如下要求：

（1）不依賴就地屏柜供電，獨(dú)立完成所有I/O及通訊板卡程序下裝。

（2）系統(tǒng)采用嵌入式平臺(tái)。

（3）無(wú)需人工干預(yù)下裝過(guò)程，可通過(guò)人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)一鍵全自動(dòng)下裝功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

下裝平臺(tái)為一體化設(shè)計(jì)，整體大小與普通繼保測(cè)試裝置近似。下裝平臺(tái)采用基于ARM架構(gòu)的STM32主控制器，負(fù)責(zé)整個(gè)平臺(tái)的監(jiān)視與運(yùn)行。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 下裝平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)原則

下裝平臺(tái)硬件應(yīng)滿足以下要求：

（1）易用性

直流控保系統(tǒng)是由互為冗余備用的A、B系統(tǒng)組成，當(dāng)系統(tǒng)的其中一塊板卡發(fā)生故障時(shí)，若該故障不能及時(shí)消除，將造成冗余系統(tǒng)出現(xiàn)異常，可能導(dǎo)致互為備用的兩套系統(tǒng)均崩潰，致使換流站極閉鎖。因此換流站運(yùn)行過(guò)程應(yīng)盡量避免單系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，該平臺(tái)設(shè)計(jì)的第一原則就是方便易用，不依賴背板及屏柜供電?，F(xiàn)場(chǎng)在故障消缺過(guò)程中可在屏柜拆除故障板卡的同時(shí)，使用該裝置對(duì)新板卡進(jìn)行應(yīng)用程序下載，大幅度的減少故障處理時(shí)間與單系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

（2）集成性

該平臺(tái)可適用于多種類型板卡，即MACH2系統(tǒng)所有I/O板卡和通訊板卡；為滿足現(xiàn)場(chǎng)便攜性的要求，裝置硬件設(shè)計(jì)要做到高度集成，電源設(shè)計(jì)要考慮到裝置的工作電源和板卡的供電電源。

（3）電磁兼容性

換流站的設(shè)備眾多，運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，直流控保系統(tǒng)所在的區(qū)域可能存在著較強(qiáng)的電磁場(chǎng)。因此要求該裝置要通過(guò)嚴(yán)格的EMC測(cè)試，具有較強(qiáng)的EMS能力，同時(shí)對(duì)控制器等關(guān)鍵元件增加電磁屏蔽罩等抗干擾措施。

2.3 板卡供電設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)MACH2系統(tǒng)使用的板卡進(jìn)行分析及測(cè)試，結(jié)果表明板卡內(nèi)部供電僅需直流5V，最大工作電流為1A。因此，下載平臺(tái)需滿足利用市電220V轉(zhuǎn)換成直流5V，同時(shí)為抑制紋波應(yīng)設(shè)計(jì)完善的濾波電路，使紋波不大于50mV。

2.4 機(jī)箱及接口設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)下裝平臺(tái)對(duì)所有MACH2系統(tǒng)板卡均具備應(yīng)用程序下裝條件，就必須保證所有板卡均能夠安裝。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，MACH2系統(tǒng)I/O板卡和通訊板卡尺寸均為3U，通訊采用96芯歐式接頭。因此，下裝平臺(tái)要滿足3U板卡96芯歐式接頭接入的條件。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下裝平臺(tái)通訊接口設(shè)計(jì)

控保板卡下載程序本質(zhì)為通過(guò)異步串行通信接口UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）向MACH2系統(tǒng)板卡內(nèi)主控制處理芯片上傳對(duì)應(yīng)的應(yīng)用程序或BootLoader程序。

UART采用RS232總線，實(shí)現(xiàn)全雙工通信，由兩個(gè)信號(hào)通道組成，即：主通道和副通道。通常使用的是主通道，而副通道較少使用。在直流控保板卡程序下載過(guò)程中，采用三條信號(hào)線（接收線、發(fā)送線和信號(hào)地）即能實(shí)現(xiàn)全雙工通信功能。

Bootloader程序是指控保板卡在加電后執(zhí)行的第一段代碼，在它完成主控制處理器和相關(guān)硬件的初始化之后，再將內(nèi)部映像或固化的嵌入式應(yīng)用程序裝載到內(nèi)存中，啟動(dòng)程序運(yùn)行。

由于引導(dǎo)程序位于Bootloader，其在板卡上電后極短的時(shí)間內(nèi)即加載完畢。因此為了實(shí)現(xiàn)下裝平臺(tái)的自動(dòng)應(yīng)用下裝功能，需要對(duì)板卡的電源狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，保證在上電后立即與板卡Bootloader進(jìn)行握手，以便執(zhí)行固件刷新對(duì)應(yīng)代碼段。下裝平臺(tái)接口設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 下裝平臺(tái)接口設(shè)計(jì)流程圖

3.2 下裝平臺(tái)調(diào)試軟件選擇

下裝平臺(tái)選用Keil MDK-Arm作為下裝平臺(tái)的軟件編譯工具，該軟件具有強(qiáng)大的仿真調(diào)試功能，支持自動(dòng)配置啟動(dòng)程序、集成閃存程序燒制、硬件設(shè)備仿真以及功能分析等。Keil系列調(diào)試軟件用戶界面友好，調(diào)試仿真功能強(qiáng)大，是個(gè)成熟的集成開(kāi)發(fā)方案，方便易用，融合了C語(yǔ)言編譯、宏編程工具、庫(kù)文件和仿真運(yùn)行等環(huán)境。Keil MDKArm與Windows系統(tǒng)可完美的兼容，整個(gè)菜單界面與一般的Windows軟件界面相似，一目了然，易于操作。其開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 Keil MDK-Arm開(kāi)發(fā)流程圖

4 板卡程序驗(yàn)證

利用MACH2測(cè)試系統(tǒng)可對(duì)使用該下裝平臺(tái)進(jìn)行軟件下裝工作的板卡進(jìn)行功能性檢查，確認(rèn)板卡程序是否正常下裝、設(shè)計(jì)功能是否運(yùn)行正常。

4.1 驗(yàn)證板卡選擇

選擇MACH2系統(tǒng)中使用較廣I/O板卡和通訊板卡進(jìn)行功能驗(yàn)證。其中I/O板卡選擇通用數(shù)字量輸入板PS851，其板卡有8路110/125V輸入和1路CAN輸出。通訊板卡選擇PS861E，其板上有4片高速A/D轉(zhuǎn)換器，4路PWM輸出通道和2路TDM高速串行通信通道用于與PS803板進(jìn)行高速串行通信。每塊板最多可以有31路模擬信號(hào)被發(fā)往TDM總線。

4.2 板卡驗(yàn)證

使用該下裝平臺(tái)對(duì)PS851、PS861E板卡裝載MACH2測(cè)試系統(tǒng)配套程序，下裝后將板卡插入MACH2測(cè)試系統(tǒng)層架，啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，利用超級(jí)終端監(jiān)視板卡運(yùn)行情況。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證，PS851、PS861E在MACH2測(cè)試系統(tǒng)上運(yùn)行良好，各項(xiàng)功能均可正常使用，checksum值與原始程序值一致，滿足使用條件，可應(yīng)用于正式運(yùn)行環(huán)境中。

該下裝平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)MACH2系統(tǒng)板卡程序快速下載及更換。其創(chuàng)新點(diǎn)一是利用嵌入式技術(shù)將板卡程序下載所需硬件集成化、小型化；二是優(yōu)化控保板卡程序下載步驟，可按板卡類型實(shí)現(xiàn)一鍵下載功能。該平臺(tái)應(yīng)用于所有采用MACH2系統(tǒng)的I/O板卡和通訊板卡程序下載，提高換流站板卡更換現(xiàn)場(chǎng)檢修工作效率，減少控保設(shè)備停運(yùn)時(shí)間。