水電站國(guó)產(chǎn)化改造串口通信解決方案探討

汪華強(qiáng)，儲(chǔ)玉玲

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.北京華電電子商務(wù)科技有限公司，北京 100070）

水電站自動(dòng)化系統(tǒng)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造多采取分期分批實(shí)施，如何有效解決新老系統(tǒng)及設(shè)備之間的串口數(shù)據(jù)通信，探索一種既經(jīng)濟(jì)、又穩(wěn)定且方便實(shí)施的解決方案至關(guān)重要。本文介紹了重慶石堤水電站國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)各系統(tǒng)和設(shè)備間串口通信的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重探討將串口設(shè)備連接至基于IP的以太網(wǎng)局域網(wǎng)的解決方案，取得良好的效果，值得總結(jié)借鑒。

1 國(guó)產(chǎn)化改造概況

隨著國(guó)家對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造的重視和支持，已投產(chǎn)多年的老電站開(kāi)始加快了國(guó)產(chǎn)化改造的步伐，充分利用枯水季及檢修期，逐步完成自動(dòng)化系統(tǒng)及設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化改造。由于電力安全生產(chǎn)關(guān)乎人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，踐行國(guó)產(chǎn)化改造將面臨諸多挑戰(zhàn)。

1.1 分期分批改造

水電站有既定的年均發(fā)電任務(wù)，需要在保障供電的基礎(chǔ)上將國(guó)產(chǎn)化改造的影響降至最低，因此大多采取分期分批的方式逐步完成改造，不可避免新老系統(tǒng)并存通信，以及新舊設(shè)備間數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題。

1.2 國(guó)產(chǎn)軟硬件適配性

目前國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)與國(guó)產(chǎn)化服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的適配性尚不完善，導(dǎo)致傳統(tǒng)插卡式的多串口通信方式穩(wěn)定性較差，串口通信誤碼率高。國(guó)產(chǎn)PLC 串口通信模塊支持的通信協(xié)議種類(lèi)有限等問(wèn)題，亟待尋找一種簡(jiǎn)單易行的解決方案。

1.3 施工聯(lián)調(diào)時(shí)間

老電站的施工改造束縛因素較多，牽涉面較廣，不能影響到其他機(jī)組正常發(fā)電，且檢修窗口期短暫，導(dǎo)致系統(tǒng)、設(shè)備間的聯(lián)調(diào)時(shí)間會(huì)異常緊張，迫切需要可將各串口設(shè)備輕松接入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。

2 串口通信解決方案

2.1 現(xiàn)地控制層

現(xiàn)地控制層LCU與多功能儀表、智能IED設(shè)備、輔助系統(tǒng)之間的串口通信比較多，根據(jù)實(shí)際選用的PLC 以及對(duì)側(cè)設(shè)備的接口類(lèi)型，可將一部分串口通信方式改為Modbus/TCP 以太網(wǎng)通信方式，將極大地提高通信便捷性和可靠性，同時(shí)也降低了通信開(kāi)發(fā)維護(hù)的工作量[1]。

石堤水電站監(jiān)控系統(tǒng)LCU 采用國(guó)產(chǎn)傲拓NA系列PLC 產(chǎn)品，其中公用LCU 與快速門(mén)PLC、弧門(mén)PLC、輔機(jī)PLC 等統(tǒng)一采用Modbus/TCP 通信協(xié)議讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，只需簡(jiǎn)單地對(duì)傲拓PLC 的網(wǎng)絡(luò)模塊Modbus/TCP 通信配置即可實(shí)現(xiàn)，且支持雙以太網(wǎng)通道冗余通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。

對(duì)側(cè)設(shè)備如果僅支持Modbus RTU 串口通信方式，在傲拓PLC I/O 機(jī)箱上增加串口通信模塊（CMM401-0411），該模塊支持4 個(gè)擴(kuò)展串口，可以獨(dú)立完成串口通信任務(wù)，與CPU 僅完成數(shù)據(jù)交換，不占用CPU 資源，使用簡(jiǎn)單方便。

對(duì)側(cè)設(shè)備如果采用IEC60870-5-103 或其他非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的串口通信方式，配置智能通信服務(wù)器設(shè)備（ICS），該設(shè)備支持2 路網(wǎng)口，8/16 路串口，嵌入式Linux 操作系統(tǒng)支持開(kāi)發(fā)不同協(xié)議的串口通信軟件，匯聚各串口數(shù)據(jù)并集中轉(zhuǎn)換成TCP/IP 數(shù)據(jù)流，可有效解決現(xiàn)場(chǎng)串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信問(wèn)題。

2.2 廠站控制層

廠站控制層對(duì)外的通信軟件主要部署在各通信主機(jī)上運(yùn)行，國(guó)產(chǎn)化改造前大多基于Windows 或Linux 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，改造過(guò)程中需要基于國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，如凝思、麒麟等操作系統(tǒng)。

石堤水電站廠站層通信主機(jī)采用H3C 品牌服務(wù)器，安裝凝思操作系統(tǒng)，調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)安裝凝思操作系統(tǒng)的H3C 服務(wù)器與其他網(wǎng)絡(luò)外設(shè)的適配性尚不完善，如傳統(tǒng)插卡式的多串口通信卡等，串口通信誤碼率高，無(wú)法正常使用?；趪?guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的串口通信軟件，避免不同場(chǎng)景下的二次開(kāi)發(fā)，確保不對(duì)其作任何改動(dòng)。TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)通信軟件和串口通信軟件均部署在通信主機(jī)上，以便于集中管理維護(hù)[2]。

MOXA NPort 系列產(chǎn)品基于IP 的以太網(wǎng)串口服務(wù)器組網(wǎng)方式[3]，可以方便地將RS-232/422/485串口設(shè)備連接至基于IP 的以太網(wǎng)局域網(wǎng)，使得串口設(shè)備輕松接入網(wǎng)絡(luò)，通信主機(jī)可從任何地點(diǎn)通過(guò)本地局域網(wǎng)直接訪問(wèn)NPort 串口服務(wù)器。這種方案確保原有通信軟件不做任何改動(dòng)，并能充分享受聯(lián)網(wǎng)串口服務(wù)器帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，如圖1 所示。

圖1 單機(jī)組網(wǎng)

3 基于IP 的以太網(wǎng)串口服務(wù)器組網(wǎng)方式

NPort 串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，可以在串口和以太網(wǎng)界面間輕易地執(zhí)行雙向數(shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)PLC、儀表、智能IED 設(shè)備和傳感器等RS-232/422/485 串口設(shè)備連接至基于IP 的以太網(wǎng)組網(wǎng)方式。NPort 串口服務(wù)器支持標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP 協(xié)議和多種操作模式，通過(guò)其附帶的Real COM/TTY 驅(qū)動(dòng)程序管理現(xiàn)有通信軟件，迅速將基于COM/TTY 端口的通信軟件無(wú)縫集成到TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中，以及通過(guò)TCP/IP 或傳統(tǒng)COM/TTY 端口遠(yuǎn)程控制串口設(shè)備。

Real COM/TTY 模式旨在允許通信主機(jī)將NPort串行端口視為本地COM 端口，可用于創(chuàng)建從本地COM 端口到NPort 串行端口的透明數(shù)據(jù)隧道。

通信主機(jī)分布在網(wǎng)絡(luò)存在的任何地方，不限于設(shè)備機(jī)房，通信主機(jī)和串口服務(wù)器的IP 地址必須設(shè)在同一網(wǎng)段，通信主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，選擇網(wǎng)絡(luò)上的某臺(tái)串口服務(wù)器的某個(gè)串口，從而實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備或其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

石堤水電站廠站層兩臺(tái)通信主機(jī)采用上述基于IP 的以太網(wǎng)串口服務(wù)器組網(wǎng)方式，完成了與眾多電能量?jī)x表及采集終端（IEC102 協(xié)議）、集控中心（CDT協(xié)議）之間串口通信，其組網(wǎng)方式如圖2 所示。

圖2 多機(jī)組網(wǎng)

4 結(jié)語(yǔ)

基于IP 的以太網(wǎng)串口服務(wù)器組網(wǎng)方式，利用TCP/IP 傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，妥善解決串口通信與網(wǎng)絡(luò)通信融合的壁壘，提供靈活易行且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，保證串口設(shè)備與通信主機(jī)間的通信質(zhì)量，在水電站任何存在以太網(wǎng)LAN 的地方，都可以就近布置NPort 串口服務(wù)器，接入分散的串口設(shè)備，借助以太網(wǎng)LAN 有效解決串口傳輸距離短的弱點(diǎn)。在國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中主機(jī)、操作系統(tǒng)等軟硬件適配性較差的情況下，能夠保證原有通信軟件不做任何改動(dòng)，即可簡(jiǎn)單可靠地接入原有的串口設(shè)備或系統(tǒng)，為類(lèi)似水電站的國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中串口通信設(shè)計(jì)改造提供借鑒。