双高嵌入式工控机平台在电力系统中的应用

0　引言

　　保证高度可靠性，提高运行性能，同时还能灵活应用和便于扩展是电力系统微机监控设计的关键。在传统的设计中，主要采用两种平台：专用结构平台和通用工控平台。前者主要采用8051，80C196等单片机作主CPU，以RS—485，CAN和LonWorks作为数据通信网络，大多采用单板或自定义的小总线，有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性较高，但存在着通用性、可扩充性以及系统升级等方面的不足。后者通常采用目前广泛使用的STD总线工控机、工业PC和PC104等总线，结构通用性、可扩充性较好，也易于系统的升级，但是由于采用通用结构，使系统有较多的冗余，总线的“金手指”、过多的插件和扁平电缆也降低了系统的可靠性。
　　为此，北京康拓工业电脑公司开发出能满足高可靠性、高性能，又有较好通用性和可扩充性，适合电力系统的工控机平台。整个系统采用模块化插件结构，模板之间通过可靠的并行总线互联；系统包括以80X86和LonWorks网络为核心的主控板及高性能、功能独立的智能I/O。目前已在一些保护监控方面开始应用。

1　模块化插件结构

　　从“开放式系统结构和组合设计方法”的思想来看，系统的设计仍采用模块化的插件结构，模板之间采用总线结构连接是一种较好的方法，利于系统的扩展和升级。
1.1　插件结构
　　电力系统中信号线与I/O模板的连接一般采用绕接的方式，如欧式48芯绕接头；同时要求I/O接口从模板后端引出,前模板主要是人机接口，如液晶接口和小键盘接口，使用通用的STD或PC总线结构的工控机都很难满足此要求。因此插件结构的设计，采用标准VME双高尺寸，机箱是6U高度，上半部分是I/O总线，直接给出绕接方式的接口，下半部分是数据、地址和控制三总线(见图1)。
 

图1　模板结构框图
Fig.1　The structure of module

1.2　总线
　　采用插件结构的系统，广泛使用标准并行底板总线。它能以简单的硬件支持高速数据传输和处理，并使整个系统具备较高的兼容性及灵活的配置。
　　采用96芯欧式针孔结构。实践证明，插针方式比“金手指”方式接触更可靠，特别是在对可靠性要求较高的恶劣环境中，插针整个包在插座里，与外界环境隔离，更能抵御恶劣环境的影响。
　　信号采用标准ISA定义。ISA是最适合80X86的总线。对于采用80X86的系统，只需加上总线驱动芯片就可基本满足目前ISA的要求，同时也可以最大限度地利用目前与80X86配套的芯片，显然这些芯片的价格也比较适宜。
1.3　功能的独立性
　　模块之间通过总线互联，模板和总线之间通过总线驱动芯片将三总线和板外总线隔离，减少模板间的干扰。
　　整个系统可分为事务性模块和数据采集处理模块。事务性模块由80X86和LonWorks网络主控CPU完成：处理网络操作，协议转换；人机接口（如小键盘、液晶显示）；利用模板上的大规模非易失存储单元，保存数据采集处理模块上的数据；利用板上的日历钟、串行口等完成其他事务性操作；还可操作一些开关量输入和输出，以弥补数据采集处理模块的开入、开出的不足。数据采集处理模块主要是以DSP为核心的智能A/D，它肩负着模拟量的采集、处理及一些重要的出口控制功能。一个系统中可以有多块数据采集处理模块。因此事务性处理模块和数据采集处理模块以及由事务性处理模块控制的开入/开出，可有效实现一个系统内的分散控制和集中管理。
　　系统功能的独立性也标志着系统整体可靠性的提高。主CPU的功能独立，智能A/D的功能独立，所有的数据转换通过双口RAM实现，任何一者的非灾难性的失效（如电源与地由于芯片击穿而短路），都不会造成其他模板失效。每个模块独立运行，使模板之间可以互相监督。
　　功能的独立性可根据系统的规模灵活配置，事务性处理较少的系统可以V40为主控模块，事务性处理较多的可采用386EX，甚至是ST公司486PC。同样数据采集处理模块可选择16路、32路、64路，甚至更多路模拟量输入，可采用高性能如TMS320C32，低性能如TMS320F206，甚至是80C196。在所有同一类型的模块中，除主CPU不同外，力求其他硬件功能模块都保持一致，这样可以使软件在主控模块中汇编级兼容，在其他模块中C语言级兼容，方便用户系统的移植。

2　智能通信

　　根据电力系统运行的特点，采用无中心控制模式，使控制节点尽量靠近被控设备。变电站层和单元层可以都使用统一的LonWorks网络，采用相同的通信协议。
　　变电站层包括全站(网)性的用于本站监控的监控主机、系统和用于网络维护的工程师站，一般装在控制室中。单元层的设备一般放在现场，按照分布式系统的原则，各单元之间没有电路连接，可以通过网络对等(peer to peer)交换数据。当一个单元的监控、保护设备出现故障或异常，可以仅停下该单元设备进行检查处理，不影响其它单元。
　　LonWorks技术，符合ISO的7层开放网络协议，有效地解决互操作性问题。作为现场总线，在变电站自动化系统中得到了较好的应用。

3　以80X86为核心的主控模块

　　80年代以来，相继推出以80X86为核心的PC机，广泛地应用于工业控制、办公自动化、商业、家庭等领域，也相应地在电力系统中得到了应用。
　　V40(uPD70208)是一种高性能的CMOS、全静态嵌入式8位微处理器芯片(相当于80188)。V40集成了许多外围器件，在软件上完全和8088 CPU兼容。386EX是Intel公司1994年推出的、适合工业控制32位高性能的嵌入式CPU。采用CMOS工艺和静态器件设计，完全符合工业现场的低功耗、高可靠性、能够在恶劣环境中使用的要求。
　　除了上述CPU，主控模块还包括总线部分、系统复位、电源管理等。总线匹配、总线驱动和总线隔离主要完成总线对主控模块的隔离，同时保证三总线驱动芯片的个数只与系统模块的个数有关。系统的复位可以根据需求采用复位输出或输入。采用输出方式时，主控CPU能够对其他模板进行复位；如果采用输入方式，系统有一个总的电平监测和看门狗复位输出，对系统其他模块进行复位控制。
　　大容量只读电子盘，用于存储用户程序；大容量可读写的电子盘，采用M—System公司的DOC2000，最大空间可达100 MB,作为大规模的数据保存；高可靠可读非易失存储器,采用高可靠E2PROM，用于存储定值。
　　主CPU模块还包含日历钟、液晶控制和小键盘控制，可方便地实现人机接口。

4　数字信号处理器DSP

　　DSP与目前通用的CPU不同，是一种为了达到快速数学运算而具有特殊结构的微处理器。快速的指令周期、哈佛结构、流水操作、专用的乘法器、特殊的DSP指令，再加上集成电路优化设计，可使DSP的指令周期达200 ns。
　　DSP具有相当强大的处理能力，在相同的主频下，甚至比目前最先进的个人计算机要快10倍～50倍。DSP不再单纯作为数据采集，还同时肩负以往由主CPU完成的主要运算功能。采用DSP为核心的智能A/D，完全可以独立完成电力系统中一个独立的功能模块，例如在保护中，可以直接通过DSP发出保护动作，不必上传到主CPU，可以大大加快系统的反应时间。因此智能A/D同时具有开关量输入/输出的功能。