（电力系统及其自动化专业论文）环境在线监测系统多规约信息转换通信子站的研究.pdf

浙江入学硕- ：学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eo n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m sd e v e l o p m e n t ，t h e s e c u r i t y a n d r e l i a b i l i t yb e c o m e sm o r e a n dm o r e i m p o r t a n t f o r t h eo n l i n e e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mr u n n i n g ，a c c o r d i n gt ow h i c hp l e n t yo fi n t e l li g e n t i e da r ea p p li e dt os u b s t a t i o n i no r d e rt oo b t a i nm o r er e a lt i m ei n f o r m a t i o no fo n l i n e e n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n gs y s t e m ，s o m e b o d ya d v a n c et o b u i l dac o m m u n i c a t i o n s u b s t a t i o nf o rm u l t i - p r o t o c o li n f o r m a t i o nc o n v e r s i o na n dar e a lt i m ed a t a b a s eo ft h e w h o l eo n l i n ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np id a t a b a s et e c h n o l o g y n o w ，l o t so fi n f o r m a t i o nw h i c ha c q u i tb yl e do n l yb eu s e da th o m ea n dc a n tb e t r a n s m i t t e dt ot h ed a t a b a s e ，w h i c hl o s tm u c hm e s s a g e ，s ow ea d v a n c et ob u i l dan e w d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi sn a m e d s u b s t a t i o nd a t ai m p o r tt op id a t a b a s e s y s t e m ”，t h ef u n c t i o no ft h en e ws y s t e mi si m p o r t i n gd a t ao fs u b s t a t i o ni e da c q u i t t e d w i t hr e a l t i m ep r o p e r t yo rs i m i l a r i t yr e a l t i m ep r o p e r t yt op id a t a b a s e t h ec o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o nw h i c hd i s c u s s e db yt h i st h e s i si sc o m i n gf r o mt h e s y s t e mh e r e i n b e f o r e t h em a i nf u n c t i o no fc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n i sd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o t o c o lc o n v e r s i o n t h e s i si n t r o d u c e st h es t a t u sa n dp e c u l i a r i t yo f t h ec o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n t h ed e s i g no ne l e c t r i c a lo fc o m m u n i c a t i o nc o n f o r m s t o m u l t i p l ec p uc o o p e r a t ew o r k i n g sp r i n c i p l e t h e s i sd e s c r i b e st h ec o l l e c t i v i t y w h o l ef r a m eo fh a r d w a r ea n de a c ho fh a r d w a r e sm o d u l e si nd e t a i l v x w o r k so si s u s e db yc o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n t h es o f t w a r ew h o l ef r a m e ，d a t aa c q u i s i t i o n f r a m ea n di n t e r i o rc o m m u n i c a t i o na r ei n t e r p r e t e dp a r t i c u l a r , t h et h e s i sa l s os i m p l y d e s c r i b et h eh a r d w a r ed r i v e r ，b s pd e v e l o p m e n t ，k e y b o a r dp r o g r a m m e ra n ds oo n b e s i d e ，t h et h e s i s h a si n t r o d u c e dh o wd a t ai s i m p o r t e d t op id a t a b a s eb y i e c 618 5 0 10 3p r o t o c o lo ro p c p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：m u l t i p r o t o c o li n f o r m a t i o nc o n v e r s i o n ；p l a n t i n f o r m a t i o nd a t a b a s e ； v x w o r k s ；d a t a a c q u i s i t i o n ；c o m m u n i c a t i o ns u b s t a t i o n ； o l ef o rp r o c e s sc o n t r o l ( o p c ) 浙江大学硕- j j 学位论义 1 课题来源 第一章绪论 目前，我国已制定各类国家环境标准4 1 0 项，覆盖了大气、水质、土壤、噪 声、辐射、固体废物、农药等领域。已丌展了环境质量监测，环境质量周报、日 报、预报监测，污染源监测，污染事故应急监测，污染物总量控制监测，污染源 解析监测，环境污染治理工程效果监测等，需监测的污染因子达百余种。 全国已形成了国家、省、市、县四级环境监测网络，共有专业、行业监测站 4 8 0 0 多个，其中环保系统监测站2 2 0 0 多个，行业监测站2 6 0 0 多个，国控的空 气质量监测网站1 0 3 个，酸雨监测网站1 1 3 个，水质监测网站1 3 5 个。同时，还 建有噪声监测网、辐射监测网和区域监测网等。到2 0 0 5 年，国控环境监测网络 调整为：环境空气监测网站2 2 6 个，测点数7 9 3 个：酸雨监测网站2 3 9 个，测点 数4 7 2 个；水质监测网站1 9 7 个，监测断面1 0 7 4 个；生态监测网站1 5 个。 环境监测的自动化、智能化、网络化是目前世界环境监测领域的发展趋势， 而长期以来，我国的环境监测普遍采用人工取样、实验室半脱机状态监测。我国 现有污染源企业2 0 多万家，这一落后的监测手段无法满足“一控双达标”后的长 效监控和科学管理。 因此建立环境在线监测系统，提高环境监测能力，势在必行。随着人们环保 意识的加强，“数字化”排污监控网必将得到更广泛的应用。 环境监测的运行数据中存在大量的准实时和非实时的数据信息，信息的异常 情况应及时反映到相关专业部门及专业人员处，为此在区域环境监测信息中心将 这些准实时信息及时收集到实时数据仓库中并对其进行相应的处理及数据的二 次挖掘是必要的。当前环境监测中运用的主要数据库类型是关系型数据库，该类 型数据库存在一些弊端。对于一些准实时和非实时的数据信息无法存储。介于此， 浙江省环境保护局提出了利用p i 实时数据库来建设环境监测的实时数据仓库， 对环境监测的运行数据进行集中数据存贮，为实时运行分析和高级应用提供强大 的、统一的数据基础。 浙江人学硕i ：学位论义 建立一个基于p i 的实时数据平台，浙江省环境保护局分为两个步骤：首先 是将环境监测中实时性较强的运行数据通过s a c d a 系统直接导入p i 系统；其 次将各子站内的安全保障、设备监视等辅助系统的信息接入p i 数据库。其中第 二类信息在一般情况下无须实时地反映到环境 氍测控制中心，只有在设备异常或 故障的情况下，需要在第一时间将这些信息报告到上级环境监测一 心。目前- j 二述 系统和装置相对比较独屯，有很多系统只能在当地存储和查看装置的信息，有些 系统只能上传部分数据，有些系统甚至没有监控上传功能，而且规约类型( 多种 标准规约或生产厂商自定义规约) 较多，信息“孤岛效应”比较严重。 为实现上述信息有效集中、转换、存贮、上传和相应的应用，浙江大学、杭 州天达环保科技公司和浙江省环境保护局联合开展了“基于多规约信息转换通信 子站的环境在线监测系统的研究”项目。多规约信息转换通信子站将所有准实时 及非实时系统的智能装置中的信息都统一地接入多规约信息转换通信子站，由通 信子站通过o p c 接口直接将采集信息写入p i 数据库，或者是由多规约信息转换 通信子站统一规约标准( i e c 6 1 8 5 0 1 0 3 ) 并通过环境监测信息网上送主站，写入 实时数据仓库即p i 数据库，实现数据采集于一个最小化的平台和最简化的集成 接线方式，消除了冗余的设备和数据库，以提高可靠性和易维护性，降低投资、 运行、维护成本的环境在线监测信息集成目标。本毕业设计课题正是源于该项目 中的通信子站部分。 2 课题意义 近几年来国内外学者和企业提出了很多环境监测站准实时及非实时系统的 智能装置的信息采集传输方、法。现有的环境监测站准实时及非实时系统的信息采 集方法主要采取在监测站内加装多串口通信服务器或网络交换机实现区域环境 监测信息中心主站与智能装置的点对多点的信息传输模式。 这种信息传输方式存在许多弊端，如： 由于不能提供有效的数据安全隔离措施在数据传输过程中存在许多无 法预知的安全隐患； 点对多点的通信方式将大大增加信息中心主站的通信负担，实效性差， 加重中心主站的信息接入的复杂程度从而降低中心主站的运行安全可 浙江大学硕1 ：学位论文 靠性及实时性； 不符合信息化建设分级分层的总体框架要求。 随着计算机技术、通信技术和电子技术的迅猛发展，基于嵌入式硬件和嵌入 式实时操作系统的多规约信息转换通信子站将解决诸多弊端为排污单值和区域 内准实时及非实时系统与区域环境蛉测信息中心之间建立高效的信息互通提供 高效可靠的解决方案，应用前景将十分广阔。 本文设计丌发的多规约信启，转换通信子站f 足响应了现代环境信息集成化 建设对于环境设备硬件和软件的要求，通信子站在设计方案上采用多c p u 协同 工作的设计原则，硬件采用模块化、可扩展式设计，在总体设计及各模块设计上 均充分考虑了可靠性的要求，并且具有单项数据隔离功能。在软件上采用了嵌入 式v x w o r k s 操作系统，该操作系统是业界稳定性高、可靠性强的多任务实时操 作系统。 3 本文内容安排 本文各章节主要内容排列如下： 第一章，绪论。简要说明本课题来源，目前数据采集的状况和提出研制“多规约 信息转换通信子站”的意义。 第二章，多规约信息转换通信子站和数据接入p i 系统。包括了p i 的概念和p i 数据库的引入，也描述了如何实现多规约信息转换通信子站和数据接入 p i 数据库的方案，并提出研究的重点和方向。 第三章，v x w o r k s 操作系统。本章对实时操作系统作了简要介绍，并针对v x w o r k s 系统的特点进行了具体的说明和分析，重点介绍了v x w o r k s 内核的任务调 度和通信机制。对v x w o r k s 操作系统的开发工具作了介绍。为通信子站的 软件部分的描述作铺垫。 第四章，通信子站硬件。详细的描述了通信子站硬件，对装置硬件的各个功能模 块进行了较为详细的叙述。包括了如何扩展存储器、如何扩展串行口、如 何实现光电隔离、如何使用时钟、如何扩展网口等等。读者可以从中获得 一些芯片的基本使用知识，了解电路设计的基本步骤。 第五章，通信子站软件。介绍了通信子站软件的总体框架和总的数掘信息流程， 浙江火学硕上学位论文 简单描述了b s p 和驱动程序的实现；详细的描述了采集程序的架构；阐述 了采集板和管理板f b j 的软总线的实现方法；最后简单介绍了上行通信和人 机界面的丌发。 第六章，总结。总结了本文的主要研究二 作，指出不足以及今后需要进一步研究 的问题和方向。 4 浙江人学硕l 学位论义 第二章多规约信息转换通信子站和数据接入p i 系统 2 1 概述 环境监测信息化建设要求将环境监测系统中各种监测设备的运行状况及时 地反应到相关专业人士手中，以便分析和研究。同时也给环境污染监测提供最有 用的第一手资料。这就要求用个庞大的数据库来保存环境监测运行的信息。 目前的运动系统，既通常所说的s c a d a 系统，在环境监测系统中应用最为 广泛，技术发展也最为成熟，它充当了环境监测系统的实时数据源，为环境监测 系统的运行与控制提供了大量的实时数据。就目前的情况来看，s c a d a 系统的 数据采集和监视功能是非常强大的，已经能够提供绝大多数运行数据。已经能够 将最重要的数据通过环境监测网导入实时数据库。但其存储实时历史数据的能 力还相对欠缺，表现在：s c a d a 的实时数据库具有专用性，一般由各个厂商独 立开发，其数据模型和访问接口是非标准的，限制了整个系统的丌放性和互操作 性；s c a d a 的历史数据处理能力是有限的，不能进行历史数据的长期在线保存。 随着环境监测信息化的深入发展，原来的一些在各污染单位子站本地展示和 处理的数据信息和装置的运行状况信息，也要反应到上级环境监测主管部门。于 是在s c a d a 系统之外再建立一个标准的实时数据平台就成为信息集成的一种 趋势。这罩带来了两个问题： 第一，如何选择合适的数据库来存储这么庞大而复杂的信息。这些信息中有 实时信息、有非实时信息、还有一些准时实信息，也就是那些当正常时不需要了 解但是当有故障时要第一时间反映到上级环境监测主管部门的信息。 第二，如何将这些数据安全、可靠、实时的导入到数据库中。 对于第一个问题，目前浙江省环境保护局引入了p i 数据来存储所有这些信 息，对于第二个问题本章将进行详细介绍。 一个完整的p i 应用体系架构通常应该包括三个方面：p i 数据源、p i 数据库 平台、p i 高级应用。其中数据源是p i 应用体系的基础，数据接入p i 系统的目的 浙江人学硕- 二学位论文 是优化数据源，保证数据的质量，提高p i 对环境污染监测企业数据积累的广度 和深度，为环境监测系统实时运行分析和p i 的高级应用提供丰富的数据。系统 中通信子站就是该系统的数据源的一部分，它目前的主要功能是采集准时实和非 实时信息，尽可能大的采集子站中监测设备的数据信息。 数据接入p i 系统总体功能就是将子站蝴- i f i d j 的环境监测设备的准实时和非实时 运行数拼 安全、可靠、实时的写入p i 数据库中。以便相关专业部门及相关专业 人员对这些数据做相应处理和数据的二次挖掘。本章接下来将对多规约信息转换 通信子站和p i 的概念和该系统的相关内容部分进行阐述。 2 1 1 系统结构 多规约信息转换通信子站采用嵌入式硬件和嵌入式实时操作系统。采用基于 文件系统的实时数据管理。 系统硬件平台集成了多种接口，具有高集成度且针对性强、能耗低的特点。 采用p c i 0 4 通用总线结构的x 8 6 兼容的6 4 位微处理器，数据传输及处理性能较 高。 多规约信息转换通信子站采用嵌入式实时操作系统v x w o r k s 。v x w o r k s 是专 用于嵌入式的实时操作系统，实时性较高；v x w o r k s 可以根据要求裁减系统，而 且功能可以根据设计者要求修改，体现了专业性；同时由于嵌入式实时操作系统 的技术的高度专业性，病毒很难攻入，因此安全性相对较好；而且针对于每个系 统和装置的信息集中和转换采用单独的c p u 模块，完全实现物理上的隔离：因此 整个系统运行安全可靠性相对较高。 多规约信，官、转换通信子站在采集各种仪器装置实时数据信息的同时，进一步 强化了系统的通讯管理功能和安全隔离功能，在满足所接入的监测仪器设备多样 化的同时，达到了通讯方式网络化、监测仪器设备检测远程化的要求。 多规约信息转换通信子站根据不同监测设备的通讯规约要求采集信息，并在 本地进行规约转换，同时通过以太网方式实现与主站接口机的通信。多规约信息 转换通信子站也可以通过串口或者以太网( 光纤) 与微机监控系统进行通信。 6 浙江人学硕i 。：- y “- - 位论文 监测区域单 位怖粹系统 卅 上行通信模块( i e c6 1 8 5 0 m m s 或1 0 4 ) i 上行数据转换处理 i e c 6 0 8 7 0 一1 0 l 】0 4 z 实时数据采集模块 数据转换处理层( 含各厂家规约) r、 多规约信息转换及隔 j lj lj l 离装置 网【j 或串口 l 或现场总线1r 1 r g p s 在线监测在线监测 仪器设备仪器设备 图2 1 系统结构示意图 7 霪圈黍翌蒸圈譬 浙江火学硕一i j 学位论文 系统结构如图2 1 所示，图中只画出了p i 数据库的两个数据源示意图。 s c a d a 数据通过环境监测数据网导入p i 数据库，这罩的环境监测数据网和通信 子站所用的环境监测网是相互隔离的。而子站中一些i e d s ( i n t e l l i g e n te l e c t r i c d e v i c e 智能装置) 的信息，这些信息是准实时或者是非实时的数据信息，则是通 过我们的通信子站统一采集然后接入p i 数据库，主要的途径有两条，第种方 式是予站完成对数据的统一规约转换，转换成i e c6 1 8 5 0 m m s 格式或者是 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 的数据格式，然后通过环境监测网上送到主站，主站位于远方环 境监测中心，负责管理各个信息采集子站，解析各个子站上来的信息，同时将这 些准实时数据送入p i 服务器；第二种方式是利用子站本身提供的o p c 服务器， 通过o p c 方式将i e d s 的信息直接导入p i 数据库。 图中的子站就是本毕业设计的通信子站，通信子站位于子站端，主要负责站 内l e d 信息集成，同时向本地的环境污染监测企业监控系统提供信息服务；通 信子站从功能上可以划分为两层，第一层为i e d 设备的数据采集层，主要实现 数据采集、规约转换与转发；第二层为数据服务层，用于接收数据采集板的数据， 实现数据服务与远方通讯进行数据上传。 2 1 2p i 的概念 p i 实时数据库系统( p l a n ti n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是基于c s 结构开发的商品化 软件应用平台，是工厂底层控制网络与上层管理信息系统连接的桥梁，p i 在工 厂信息集成中扮演着特殊和重要的角色。p i 实时数据库系统适用于环境、电力、 石油、化工、冶金、造纸、制药、水处理、食品饮料、通讯等各种生产流程企业 的生产过程优化。p i 是全世界装机量最多的实时数据库系统，已成为o s i 公司 的标志产品。 一方面，p i 用于子站数据的自动采集、存贮和监视。作为大型实时数据库 和历史数据库，p i 可在线存贮每个生产过程点的多年历史数据。它提供了清晰、 精确的操作情况画面，用户既可浏览当前子站的运行情况，也可回顾过去的运行 情况。 另一方面，p i 为最终用户和应用软件开发人员提供了快捷高效的子站信息。 浙江火学硕l 学位论文 由于子站数据存放在统- 0 , 0 数据仓库中，公司中的所有人，无论什么地方都可看 到和分析相同的信息。p i 客户端的应用程序可使用户很容易对子站级和主站级 实施管理。通过p i 可集成维护管理、专家系统、l i m s 和优化建模等应用程序。 p i 在业务管理和实时生产之间起到桥梁作用。 2 i 3p i 的核心 p i 的核心就是数据归档管理，它采集并存贮与流程上千、上万点的数据。 历史数据库管理的经验告诉我们，现在要知道将来进行分析时，哪些数据是必须 的，对目前来说是很困难的。因此，保存所有的数据是防止丢失所需信息的最 好方法。没有子站历史数据管理，对于重建子站历史数据是几乎不可能的。p i 采集、存贮生产流程信息，并把这些数据提供给我们，其他应用程序可从这些数 据中精选出有意义的信息。这些以用来指生产改进，降低损耗，提高效益。 2 i 4p i 的优势 p i 成功推出的个主要特点是因为它具备一个商品化软件生产所有的特性。 o s is o f t w a r e 公司是一个软件产品公司，它推向市场的新产品是与客户紧密联系 的。由于p i 不提供特殊的程序开发服务，o s is o f t w a r e 公司的产品必须使客户 易于安装、维护和使用。客户对p i 的维护量实际上比其它系统要少得多。客户 有时要求扩充p i 以满足特殊的要求。o s is o f t w a r e 公司开发了相应集成器，提 供很好的集成服务，并可在p i 的上端开发应用以满足这些用户的要求。 p i 实时数据库与传统的关系型数据库相比较有着本质的区别。对于关系型 数据库而言，其设计目标是维护数据的正确性、保证系统的低代价、提供友好的 用户接口。这种数据库系统适于传统的商务和事务型应用。当运用于一些实时性 要求较强的监测过程控制，关系型数据库就受到了极大的限制。而p i 实时数据 库系统( r e a l t i m ed a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ，r t d b m s ) 设计的首要目标即满 足对于事务的定时限制，是数据和事务均具有定时特性或确定的定时限制的数据 库系统。p i 实时数据库系统的正确性基于逻辑和时间两方面，其结合了数据库 与实时系统两者的功能特性，既支持海量数据长期在线共享，维护数据的一致性、 完整性，又支持数据和事务的时间限制，因而在实时控制和管理控制上表现出巨 9 浙江火学硕士学位论文 大的应用前景，为环境监测污染单位的“管控一体化”提供了技术保障，同时这 一点满足了现代环境监测系统信息化建设对数据库的要求。 p i 是一个真| f 的c s 计算机环境，它所使用的智能结构可在多种系统配置 下运行。p i 数据服务器提供信息集中采集和系统维护。p i 客户端软件包使用户 可处理手中所有的最大数量的信息。这些客户端应用程序包括p i d a t a l i n k 和 p i p r o c e s sb o o k 。是在用户熟悉的m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下运行的。在环境监 测网- u 丁使用多个p i 数据服务器。数据服务器小的可以是一千点，大的可达到几 十万点。每个p i 都可同时与一个或多个实时系统相连，并可读写几乎任何实时 设备或数据库。p i 通常被用来在两个不同厂商的产品之f 日j 传送信息。p i 可支持 的用户个数没有限制。只要安装p i 服务器的机器性能以及网络性能允许，对客 户端用户数就没有什么限制。 2 2 多规约信息转换通信子站 由图2 1 可知通信子站从功能上可以划分为两层，第一层为i e d 设备的数据 采集层，主要实现数据采集、规约转换与转发：第二层为数据服务层，用于接收 数据采集板的数据，实现数据服务与远方通讯进行数据上传。通信子站是p i 数 据库的另一个数据源，作为区域环境监测信息中心与环境监测设备之间数据和通 信的中转站，主要担负着“数据接收转发”、“规约转换”及“信息处理”等任 务。在硬件上，通信子站具有很强的数据通信和处理能力，并提供丰富的数字设 备接口( 如：r s 2 3 2 r s 4 8 5 串行口，1 0 1 0 0 m 以太网口) ，数字接口可根据需要 灵活扩充：软件上，为适应实时性要求，采用了v x w o r k s 实时多任务操作系统， 并提供了强大的数据处理和转发功能，可以满足与多个主站和其他设备通信的需 要。 2 2 1 通信子站的特点 根据通信子站的作用，本文设计的通信子站具有如下特点： 】) 安全性 安全性是对通信子站的一个基本指标。由于环境污染单位的各种在线监测分 1 0 浙江火学硕| ：学位论文 析仪器、传感器、摄像头等准实时和非实时信息类型多、规约复杂，必须要综合 考虑信息转发和集中的安全性。 在硬件上装置的采集板和管理板的采用单向隔离，软件上采集模块主动向管 理模块发送数据，这样就在硬件和软件上实现安全隔离。另外不同的采集模块之 问不存在数据交换，这样就可以按功能模块将l e d 接入不同的采集模块，从而 也保证了i e d 子系统的安全。 2 ) 方便性 采集装置的调试可以现场利用调试串口进行调试，也可以利用以太网口远程 调试。能方便加载新设备的规约转换程序、注册新设备。使用和维护都非常方便， 减少工作人员的维护工作量。 3 ) 精确性 衡量精确性的标准是测距误差，它可以用绝对误差和相对误差表示。理论上 测距误差越小越好，实际上由于技术、原有系统及智能监测装置的限制，多规约 信息转换通信子站的精确性和时效性应等同原有系统及装置。 4 ) 鲁棒性 鲁棒性是自动化领域的一个常用术语。多规约信息转换通信子站的鲁棒性主 要是指多规约信息转换通信子站对各种不同性质系统、装置信息的适应能力和对 综合测量误差的抑制能力。 5 ) 可靠性 通信子站装置采用冗余的双电源设计，可实现主、备电源无缝切换。软件上 选用了嵌入式v x w o r k s 操作系统，该系统是一个多任务实时操作系统，以其稳 定性和可靠性著称。所有这些都提高了装置运行的鲁棒性。 6 ) 灵活性 随着技术的进步和发展，环境污染单位综合自动化的深入发展，环境污染单 位会更新或新增更多准实时、非实时系统和监测装置。通信子站可以根据客户的 要求增加采集模块，能很好的满足环境污染监测发展的需要。 浙江大学硕，l 学位论文 2 2 2 通信子站的功能 在监测单位侧，采用一台多规约信息转换通信子站，其主要功能是对各种在 线l 随测分析仪器的数据进行采集。对在线监测分析仪器提供了1 0 0 m 以太网口、 r s 2 3 2 4 8 5 、标准现场总线c a n 等多种接口选择，本地进行舰约转换后，通过 1 0 0 m 以太网与远方控制中心主站按照i e c 6 1 8 5 0 m m s 或耩于i e c 6 0 8 7 0 1 0 4 的信 息交互，也可以通过以太网或者串口与变电站综合自动化主站按照 i e c 6 0 8 7 0 1 0 1 1 0 4 进行信息交互。 目前运行的在线监测分析仪器的通信接口主要为r s 2 3 2 4 8 5 c a n 和以太网 口等，多规约信息转换通信子站按设备功能各自组成系统独立接入，彼此独立和 隔离。在通信接口数允许的条件下，软硬件都无需修改，接入方便。主要功能包 括： a 信息采集： 信息来源的对象主要是在线监测分析仪器设备或系统，信息采集方式有： 自动：定时巡检各在线监测分析仪器设备，自动采集各种信息并上送主站； b 规约转换： 将各设备厂商规约转换成统一的i e c 6 1 8 5 0 或i e c 6 0 8 7 0 1 0 4 等标准规约。 c 信息发送和存储： 将转换后的信息发送主站，同时作本地备份。 d 自检功能： 自动定时检测接入设备的运行状态； 自动检测多规约信息转换及隔离装置的软、硬件工作情况： 将异常信息记录、存储，告警并上传： 支持远程监测维护和升级； 2 2 3 通信子站的设计 多规约信息转换通信子站作为区域环境信息中心与在线监测仪器之间数据 和通信的中转站，主要担负着“数据接收转发”、“规约转换”及“信息处理” 等任务。因此，在硬件上，多规约信息转换通信子站具有很强的数据通信和处理 能力，并提供丰富的数字设备接口( 如：r s 2 3 2 r s 4 8 5 串行口，1 0 1 0 0 m 以太网 浙江人学顾：f ：学位论文 口) ，数字接口可根据需要灵活扩充：软件上，为适应实时性要求，采用了v x w o r k s 实时多任务操作系统，并提供了强大的数据处理和转发功能，可以满足与多个主 站和其他设备通信的需要。 多规约信息转换通信子站集规约转换、数据处理、通信转发等多种功能f 一 体， 技术特点如下： 采用最流行的v x w o r k s 嵌入式实时操作系统，充分保证了系统的实时性、 稳定性和可移植性。 主c p u 采用国际标准的x 8 6 - p c j 0 4c p u 模板和c o l d f i r e 5 2 7 2 高性能3 2 位单片机，信息处理容量大，升级方便。 系统软件采用模块式设计，开放式体系结构，可以根据不同的设备和应 用任意加载相应模块，具有很好的灵活性和可裁减性。 具有防火墙功能，防止网络数据入侵。 预留功能接口，易与第三方功能模块( 如规约模块) 连接。 提供功能丰富的组态软件接口，使得用户可以利用组态软件完成复杂的 参数定制、工况显示和事件模拟。 预留w e b 接口，运行人员可随时使用w e b 浏览器进行工况显示和简单数 据定制。 硬件采用模块化、可扩展式设计，接口容量可灵活配置，不需特殊设计 即可满足用户的特殊需求。 支持电话拨号、无线、光纤、以太网、r s 2 3 2 4 8 5 等多种通信方式。 可同时接入多种监测自动化设备，并将实时数据向主站转发。 具有当地远方维护调试功能，提供当地远程维护接口，使得运行人员 可在主站等远方轻松完成一切设备维护。支持通过公用电话网及环境数 据网的远程维护( 包括远程进行系统软件升级) ，使得运行人员可在主 站等远方轻松完成一切设备维护。 具有设备自诊断和自恢复功能。 硬件采用模块化、可扩展式设计。 具有与两个及以上主站通信功能。 浙江火学硕士学位论文 通信规约丰富，支持目前流行的所有规约( 如1 0 1 、1 0 4 、1 0 3 、c d t 、d n p 3 0 、 s c l 8 0 1 ) ，还包括一些与微机保护通信的规约。 电磁兼容符合i e c 6 1 0 0 0 4 、g b t 1 3 7 2 9 、d l t 6 3 0 、d l t 7 2 1 标准，可适 应强电磁环境 提供良好的人机界面，采用大液晶、全汉化、菜单式操作方式。便于j 一日 户现场维护。 2 3 数据接入p i 方案 随着p i 实时数据库在环境监测系统中的引入，随之而来的是如何实现环境 监测系统的信息与p i 数据库的无缝连接。国内外学者和企业提出了很多方案。 基本的思想可以归纳如下，一种是通过开发信息集成设备实现子站数据接入p i 系统；一种是在现有的信息集成系统上通过开发p i 接口来实现数据接入p i 系统。 以下对目前几种子站数据接入p i 系统的方案做了分析和比较。在此基础上提出 了在嵌入式系统中用o p c 接口将子站数据接入p i 系统的方案。 2 3 1p i a p i 方案 如图2 2 所示，这种方法是利用现有的数据采集系统。从图中可以看出现有 的数据采集系统将一些监测设备的信息采集并存储到关系数据库中，然后利用 p i 的a p i 函数来实现数据导入p i 数据库。 这种模式的优点是基于现有的数据库系统，如果关系数据库中的数据满足要 求则丌发相对简单。最大的缺点是关系型数据库主要面对的是离散的、非连续的 不带时标的数据对象，如果要存储实时数据，则需要定义大量的表做大量的开发 工作，而实时数据是实时刷新的、海量的，从而也就会造成数据存储效率低，不 能充分发挥实时数据库p i 在存储过程数据的优势。此外由于受现有的系统的限 制，因而能够接入的设备有限，可扩性不强。 1 4 浙江大学硕十学位论义 2 3 2 串口服务器方案 厂b 。y k p la p i 接u 机( i ：j t s - ：机) t 赢黼勰 图2 2 数据接入p i 系统一方案1 如图2 3 所示。子站端i e d 数据首先经过串1 2 1 服务器或直接与交换机相连， 然后利用t c p i p 协议通过环境监测信息网将数据传输到主站端的集中协议转换 服务器上，经过协议的解析、规约转换，最后导入p i 系统。这种方式较之与第 一种方式可以获得更多的数据信息，同时也可以接入更多的设备。在没有故障录 波信息和故障信息的时候能够可靠、实时的将数据传输到主站的协议转换服务器 中。同时协议转换服务器是可以购买的成品，所以利用这种方式实现子站数据接 入p i 系统开发也比较简单。 但是这种信息传输的模式存在弊端，如：a 由于不能提供有效的数据安全隔 离措施，在数据传输过程中存在许多无法预知的安全隐患；b 该种模式协议转换 放在主站，也就是点对多点的通信方式，当规约众多或数据量很大的时候将大大 增加信启、中心主站的通信负担。造成实效性差，加重中心主站的信息接入的复杂 程度，从而降低中心主站的运行安全可靠性及实时性；c 不符合信息化建设分级 分层的总体框架要求。 浙江火学硕j ：学位论文 2 3 3 窃取模式 图2 3 数据接入p i 系统方案2 这种模式有人称之为“窃取”模式，数据流程如图2 。4 所示。基本的思想和 方案一相同，也是建立在现有的信息集成系统能够之上。所不同的是这罩是利用 了s c a d a 系统。信息传输所用的网络是环境监测数据息网，安全等级要求更高。 由图可见在p i - - s c a d a 接口机后面有一个物理隔离装置，这就保证了信息网数 据与环境监测数据网的互不干扰。 图2 4 数据接入p i 系统一方案3 因为是基于s c a d a 系统，也就限制了接入p i 的数据只能局限于s c a d a 系统的数据。同样存在数据量少的问题。对于其它的设备信息只能通过别的方法 获取。同时由于是“窃取模式，对于环境监测数据网来说这种模式始终存在安 浙江人学硕l ：学位论文 全隐患。 2 3 4o p c 方案 对于现有的模式主要存在的问题有三个方面： 1 数据量少 2 规约转换是放在主站还是子站 3 安全性和可靠性问题 以上几种模式采用的都是工控机平台。方案一和方案三都是基于现有的信息 集成系统，稳定性和可靠性会降低并且接入p i 的数据量有限；而方案二由于将 协议转换放在主站侧，规约转换任务较重，接入的i e d 设备数量有限又不适于 接入数据量大的设备。 为了解决数据量少和数据处理瓶颈问题，我们提出了改进的方案，如图2 5 所示。其基本思想开发嵌入式的环境污染单位信息采集子站来专门负责对子站端 各种信息的集成，然后在子站完成规约解析和规约转化，最后利用o p c 接口直 接与p i 实时数据库连接。 p j 数捌_ i 】；= ( u d s ) p l a p i 或q 瞄。 、p la p i 或o p c - - ，- 。 p jo p c - ，- - 一 通信i j i 黄机通信前置机 - ： ，、，。；。、；，：；。 眶阳唑￥= 信息二了嫩而旧5 0 瑚少i 8 5 0 广丫6 j 0 4 , 8 1 8 8 0 站n 十，j ；玳】也f , i 坛j p cs e 吵i i c s e 吵 t ，j h j 也1 “f 女i - ( i e c 6 18 5 0 1 1 0 4( 1 e c 6 1 8 5 0 1 0 4 ，j 嵌入式数批采集装胃!嵌入式数捌采集装箕 -e。尚芦f商j e c f j - e 。 f t e 。 图2 5 数据接入p i 系统一改进方案 作为过度这种模式保留了已有模式的系统结构，信息采集子站负责子站数据 浙江大学硕十学位论文 采集并转换成统一的i e c 6 1 8 5 0 或1 0 4 规约格式，并利用环境监测信息网把数据 传输到p i 的通信前置机，通过前置机与p i 的接口实现数据接入。 为了使系统结构简单同时提高数据传输的效率和安全性，该模式中采用了 o p c 接口，遵循o p c 标准的数据访问方式，实现实时数据接入p i 系统。o p c 本身是个困际上通用的工业标准，具有一定的稳定性。其基本思想是：每个硬件 生产厂商为其设备开发一个标准的o p c 接e l ；作为客户端的应用软件通过o p c 接lj 来读写硬件设备的信息。o s i s o f t 公司是o p c 会员，其产品p i 数据库本 身也已经提供了o p c 接口软件( 包括客户端软件和服务器软件) 。利用p i 系统 提供的o p c 客户端软件，其它系统只需要针对o p c 标准开发服务器，就可以将 数据接入p i 系统。 将信息采集子站系统与p i 系统的接口设计为o p c 接口具有很多优势： ( 1 ) 采用o p c 接口后，信息采集子站系统还可以将数据送入p i 系统以外 的其它具有o p c 接口的数据仓库，这样来信息采集子站系统的适用范围就更 为广泛了。 ( 2 ) 接口标准是己知的，只需为整个信息采集子站设计一套标准的o p c 服 务器接1 2 1 。在设计信息子站系统的软件时同时将o p c 接口的特性考虑进去，使 数据采集系统与o p c 服务器有机地结合起来，提高数据访问的效率。 ( 3 ) o p c 规范以o l e d c o m 为技术基础，而o l e d c o m 又支持t c p i p 网络协议，这样就可以将数据采集系统和数据库系统从物理上分开，分御于网络 的不同节点上，使得整个系统具有分布式特征。 2 4 小结 本章对子站数据接入p i 系统进行了整体的介绍，同时也介绍了p 1 系统的优 势和为什么药引入p i 系统，及子站数据如何接入p i 系统。本章还可以看出通信 子站在子站数据接入p i 系统的地位和作用，详细地分析比较了现有的子站端数 据接入p i 系统的方案，提出利用信息采集子站实现数据的o p c 接入p i 系统的 方案。 浙江_ 人学硕! ：学位论文 第三章v x w o r k s 操作系统及其开发环境 3 1v x w o r k s 操作系统概述 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司( 简称风河公司，即w r s 公i 1 j ) 于19 8 3 年设计丌发的一种嵌入式实时操作系统( r t o s ) ，是t o m a d o l i 沃入式开 发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开 发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。v x w o r k s 操作系统是 一个运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统。它以其良好的可 靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实 时性要求极高的领域中，如卫星通讯、军事演习、弹道制导、飞机导航等。在美 国的f 1 6 、f a 18 战斗机、b 2 隐形轰炸机和爱国者导弹上，1 9 9 7 年4 月在火 星表面登陆的火星探路者上也使用了v x w o r k s 操作系统。 v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统内核，为程序员提供 了高效的实时多任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时的任务间通信。 在各种c p u 平台上提供了统的编程接口和一致的运行特性，尽可能的屏蔽了 不同c p u 之间的底层差异。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本 身，而不必再去关心系统资源的管理。基于v x w o r k s 操作系统的应用程序可以 在不同c p u 平台上轻松移植。 实时操作系统是指能在确定的时间内完成其功能，并对外部的异步事件能做 出实时响应的计算机系统。多任务环境允许个实时应用作为一系列独立任务来 运行，各任务有各自的线程和系统资源。v x w o r k s 提供了用于多处理器f b j 矛n 任务 l 自j 通信用的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接字等手段。实时系统的另 一关键特征是硬件中断处理。为了获得最快速可靠的中断响应，v x w o r k s 系统的 中断服务程序i s r 有自己的上下文。v x w o r k s 作为一种支持多种硬件环境的嵌 入式实时操作系统，具有如下的特点： l ，v x w o r k s 系统运行环境支持多种硬件环境，具有较好的兼容性，应用软件 可以在不同运行环境阃方便地移植，其微内核小性能优越，具有快速多 任务切换、抢先式任务调度、中断延迟小等特点，满足关键任务的实时 浙江人学硕l 学位论文 性需求。 2 v x w o r k s 支持高度的系统可裁剪性。v