雙高嵌入式工控機平臺在電力系統中的應用

雙高嵌入式工控機平臺在電力系統中的應用

關鍵詞　電力系統　嵌入式80X86 CPU　LonWorks網絡　 DSP技術
分類號　TM 73　TP 39

APPLICATION OF DOUBLE HIGH EMBEDDED INDUSTRIAL CONTROL
COMPUTER PLATFORM IN POWER SYSTEMS

Chen Yi(Beijing Control Industrial Computer Company, 100080, Beijing, China)

Keywords　power systems　embedded 80X86 CPU　LonWorks network　DSP technology

0　引言

　　保證高度可靠性，提高運行性能，同時還能靈活應用和便于擴展是電力系統微機監控設計的關鍵。在傳統的設計中，主要采用兩種平臺：專用結構平臺和通用工控平臺。前者主要采用8051，80C196等單片機作主CPU，以RS—485，CAN和LonWorks作為數據通信網絡，大多采用單板或自定義的小總線，有較強的針對性，系統結構緊湊，整體性能和可靠性較高，但存在著通用性、可擴充性以及系統升級等方面的不足。后者通常采用目前廣泛使用的STD總線工控機、工業PC和PC104等總線，結構通用性、可擴充性較好，也易于系統的升級，但是由于采用通用結構，使系統有較多的冗余，總線的“金手指”、過多的插件和扁平電纜也降低了系統的可靠性。
　　為此，北京康拓工業電腦公司開發出能滿足高可靠性、高性能，又有較好通用性和可擴充性，適合電力系統的工控機平臺。整個系統采用模塊化插件結構，模板之間通過可靠的并行總線互聯；系統包括以80X86和LonWorks網絡為核心的主控板及高性能、功能獨立的智能I/O。目前已在一些保護監控方面開始應用。

1　模塊化插件結構

　　從“開放式系統結構和組合設計方法”的思想來看，系統的設計仍采用模塊化的插件結構，模板之間采用總線結構連接是一種較好的方法，利于系統的擴展和升級。
1.1　插件結構
　　電力系統中信號線與I/O模板的連接一般采用繞接的方式，如歐式48芯繞接頭；同時要求I/O接口從模板后端引出,前模板主要是人機接口，如液晶接口和小鍵盤接口，使用通用的STD或PC總線結構的工控機都很難滿足此要求。因此插件結構的設計，采用標準VME雙高尺寸，機箱是6U高度，上半部分是I/O總線，直接給出繞接方式的接口，下半部分是數據、地址和控制三總線(見圖1)。

圖1　模板結構框圖
Fig.1　The structure of module

1.2　總線
　　采用插件結構的系統，廣泛使用標準并行底板總線。它能以簡單的硬件支持高速數據傳輸和處理，并使整個系統具備較高的兼容性及靈活的配置。
　　采用96芯歐式針孔結構。實踐證明，插針方式比“金手指”方式接觸更可靠，特別是在對可靠性要求較高的惡劣環境中，插針整個包在插座里，與外界環境隔離，更能抵御惡劣環境的影響。
　　信號采用標準ISA定義。ISA是最適合80X86的總線。對于采用80X86的系統，只需加上總線驅動芯片就可基本滿足目前ISA的要求，同時也可以最大限度地利用目前與80X86配套的芯片，顯然這些芯片的價格也比較適宜。
1.3　功能的獨立性
　　模塊之間通過總線互聯，模板和總線之間通過總線驅動芯片將三總線和板外總線隔離，減少模板間的干擾。
　　整個系統可分為事務性模塊和數據采集處理模塊。事務性模塊由80X86和LonWorks網絡主控CPU完成：處理網絡操作，協議轉換；人機接口（如小鍵盤、液晶顯示）；利用模板上的大規模非易失存儲單元，保存數據采集處理模塊上的數據；利用板上的日歷鐘、串行口等完成其他事務性操作；還可操作一些開關量輸入和輸出，以彌補數據采集處理模塊的開入、開出的不足。數據采集處理模塊主要是以DSP為核心的智能A/D，它肩負著模擬量的采集、處理及一些重要的出口控制功能。一個系統中可以有多塊數據采集處理模塊。因此事務性處理模塊和數據采集處理模塊以及由事務性處理模塊控制的開入/開出，可有效實現一個系統內的分散控制和集中管理。
　　系統功能的獨立性也標志著系統整體可靠性的提高。主CPU的功能獨立，智能A/D的功能獨立，所有的數據轉換通過雙口RAM實現，任何一者的非災難性的失效（如電源與地由于芯片擊穿而短路），都不會造成其他模板失效。每個模塊獨立運行，使模板之間可以互相監督。
　　功能的獨立性可根據系統的規模靈活配置，事務性處理較少的系統可以V40為主控模塊，事務性處理較多的可采用386EX，甚至是ST公司486PC。同樣數據采集處理模塊可選擇16路、32路、64路，甚至更多路模擬量輸入，可采用高性能如TMS320C32，低性能如TMS320F206，甚至是80C196。在所有同一類型的模塊中，除主CPU不同外，力求其他硬件功能模塊都保持一致，這樣可以使軟件在主控模塊中匯編級兼容，在其他模塊中C語言級兼容，方便用戶系統的移植。

2　智能通信

　　根據電力系統運行的特點，采用無中心控制模式，使控制節點盡量靠近被控設備。變電站層和單元層可以都使用統一的LonWorks網絡，采用相同的通信協議。
　　變電站層包括全站(網)性的用于本站監控的監控主機、系統和用于網絡維護的工程師站，一般裝在控制室中。單元層的設備一般放在現場，按照分布式系統的原則，各單元之間沒有電路連接，可以通過網絡對等(peer to peer)交換數據。當一個單元的監控、保護設備出現故障或異常，可以僅停下該單元設備進行檢查處理，不影響其它單元。
　　LonWorks技術，符合ISO的7層開放網絡協議，有效地解決互操作性問題。作為現場總線，在變電站自動化系統中得到了較好的應用。

3　以80X86為核心的主控模塊

　　80年代以來，相繼推出以80X86為核心的PC機，廣泛地應用于工業控制、辦公自動化、商業、家庭等領域，也相應地在電力系統中得到了應用。
　　V40(uPD70208)是一種高性能的CMOS、全靜態嵌入式8位微處理器芯片(相當于80188)。V40集成了許多外圍器件，在軟件上完全和8088 CPU兼容。386EX是Intel公司1994年推出的、適合工業控制32位高性能的嵌入式CPU。采用CMOS工藝和靜態器件設計，完全符合工業現場的低功耗、高可靠性、能夠在惡劣環境中使用的要求。
　　除了上述CPU，主控模塊還包括總線部分、系統復位、電源管理等。總線匹配、總線驅動和總線隔離主要完成總線對主控模塊的隔離，同時保證三總線驅動芯片的個數只與系統模塊的個數有關。系統的復位可以根據需求采用復位輸出或輸入。采用輸出方式時，主控CPU能夠對其他模板進行復位；如果采用輸入方式，系統有一個總的電平監測和看門狗復位輸出，對系統其他模塊進行復位控制。
　　大容量只讀電子盤，用于存儲用戶程序；大容量可讀寫的電子盤，采用M—System公司的DOC2000，最大空間可達100 MB,作為大規模的數據保存；高可靠可讀非易失存儲器,采用高可靠E²PROM，用于存儲定值。
　　主CPU模塊還包含日歷鐘、液晶控制和小鍵盤控制，可方便地實現人機接口。

4　數字信號處理器DSP

　　DSP與目前通用的CPU不同，是一種為了達到快速數學運算而具有特殊結構的微處理器。快速的指令周期、哈佛結構、流水操作、專用的乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成電路優化設計，可使DSP的指令周期達200 ns。
　　DSP具有相當強大的處理能力，在相同的主頻下，甚至比目前最先進的個人計算機要快10倍～50倍。DSP不再單純作為數據采集，還同時肩負以往由主CPU完成的主要運算功能。采用DSP為核心的智能A/D，完全可以獨立完成電力系統中一個獨立的功能模塊，例如在保護中，可以直接通過DSP發出保護動作，不必上傳到主CPU，可以大大加快系統的反應時間。因此智能A/D同時具有開關量輸入/輸出的功能。

作者簡介:陳　懿，男，1971生，碩士，工程師，主要研究方向是嵌入式計算機和網絡平臺系統在電力系統的應用。
作者單位:北京康拓工業電腦公司　100080　北京

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