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基于嵌入式技术的通信管理机在工业领域的开发及应用

更新时间:2022-09-29      点击次数:388

李婧婧

安科瑞电气股份有限公司  上海嘉定201801

通信管理机是企业自动化和信息化中实现各类设备和系统互联与集成的重要设备,在企业通信管理机中应用嵌入式技术能有效解决通讯方式和通讯协议多样化问题,有利于提高系统的互联集成能力,增加系统稳定性。本文就基于嵌入式技术通信管理机在工业领域中的开发和应用进行了探讨,具有一定理论价值与技术应用价值。

 

关键词通信管理机  工业自动化  嵌入式技术  系统集成 

 

1 概述

在现代工业系统中,涉及大量设备、系统的互联和集成,由于工业领域没有一个统一的标准,多数配套厂家均按各自的方式对通信接口与规约进行设计,导致不同设备、不同系统间,往往采用了不同的通信标准和通信协议,通讯方式混乱复杂,彼此之间难以兼容,这就给系统集成造成了巨大的困扰。在工业应用中需要投入大量工程技术人员,耗费大量时间和精力来解决异构系统的互联通信问题,降低了设备和系统的经济性、安全性和可靠性,极容易因为一些偶然因素而造成系统崩溃甚至滋生重大风险。对工业自动化设备和信息系统进行二次开发,构建起更为安全可靠的通信管理系统,对提升工业通信控制水平极为重要。嵌入式系统以应用为中心,以计算机技术为基础,有效地提升了系统的功能拓展能力和可靠性,能极大地提升工业信息的集成能力,在工业通信管理机中有高的应用价值。

 

2 嵌入式技术简介

嵌入式技术是应用专用的计算机系统作为装置或设备的一部分,面向用户、面向产品、面向应用的先进技术。利用嵌入式技术构建嵌入式系统,能有效地提高系统应用效率,去除系统冗余,更好地针对系统用户的具体需求提供理想的性能和功能,是一种技术密集、高度分散,充分融合了计算机技术、半导体技术、电子技术的知识集成系统。嵌入式系统比较适合于对实时性、可靠性、多任务性、成本、体积以及功耗综合指标要求比较严格的场合。其应用过程中表现出来的特点如下:第一,嵌入式系统具有技术密集、不断创新以及起点高等特点,是一种知识集成性系统。由于嵌入式系统的升级换代与具体产品是同步进行的,因此其生命周期较长;第二,嵌入式系统中的软件与硬件都要有高效率的设计,去除冗余,并在同样资源基础之上实现更高性能。其中,硬件系统多是为特定的用户群进行设计的,它可以将计算机应用系统中的众多任务集成于主板之上。从结构形式上来看,它具有功耗低、电子存储、无风扇、体积小、抗干扰性强、集成度高以及安装便捷等特点。随着嵌入式技术的发展,目前嵌入式系统在任务调度、同步机制、中断处理、信息传输等方面的性能都有了很大的提高,并具有强大的功能拓展能力,具有高的适应性。

 

3 通信管理机应用分析

在目前工业通信体系中,通常包括监控系统、通信网络、自动化控制、数据传输等多个体系。随着工业生产自动化程度的不断提高,需要对整个工业生产自动化体系内处于分散状态的生产过程、设备状态进行集中监视、控制和统计管理,工业通信系统承担着极为重要的责任,综合了自动控制技术、计算机技术、现代通信技术等多个方面的技术,形成了一个覆盖工业生产过程各个环节的综合系统,而其中远距离的人机信息交互是这一系统的核心需求,以满足包括如遥控、遥测、遥调、遥信等远动技术的需要。此外,工业通信体系中,涉及大量智能设备,包括如变压器保护、电容器保护、线路保护、自动控制、智能操控、电力仪表、马达保护设备,这些设备处于工业通信系统中,使得工业通信系统内部存在大量的数据通信,以满足各子系统内部及子系统之间的信息传输与信息共享需要,因此实现设备、系统的共联互通极为重要。但目前,由于数据传输规约的统一标准化还不够完善,并没形成统一、规范的标准体系,造成工业通信体系的共联互通中存在大量规约转换问题,既增加了人力物力的耗费,又降低了系统运行的可靠性。

 

4 通信管理机的软硬件设计

 通信管理机是工业通信系统中的主单元,通常位于通信系统主控层,用以完成各个设备、系统之间的信息交换工作,实际上是对整个通信系统进行控制。由于工业系统中设备、系统多样复杂,各类通信协议、通信接口掺杂于整个系统之中,为了使设备、系统之间的信息交换工作得到良好的保障,通信管理机应当有强大的通信能力,以适应整个系统中不同通信接口、通信方式、通信协议之间的协调集成工作,疏通系统中的信息交换障碍。因此,在做通信管理机的软硬件设计的时候,除了需要考虑管理机平台的性能和稳定性之外,还需要考虑以下几个因素:

通信功能:作为一个中间设备,承上启下,需要与各种工业自动化装置进行连接,而各个设备可能会是不同的通讯规约,因此通信管理机必须能够同时满足与不同规约的设备进行通讯。由于嵌入式系统主要采用的是进程方式的通讯模式,各进程之间是相互独立的,并且通讯进程和管理进程之间是严格按照统一接口方式实施通讯。因此通信管理机可以多个通讯接口接不同通讯规约的设备,并使每一个通讯接口集中关注于通讯规约解析,不关注其它通道类型,从而减少了工作过程中出现问题的可能性

数据的转发、合并与整理数据转发主要是指依据装置层传送的信息,严格按照预定的通讯方式与协议,将相关信息过滤后上传至监控中心,从而完成信息的汇总和筛选。数据合并主要是根据实际需要将具有共性或者工程需求的告警信息,合并以后上传至监控中心;数据的整定主要是根据实际需要,将遥测类型的信息严格按照特定系数和格式整理以后上传至监控中心。

性能与预算的平衡:作为一个数据转换、传输的核心设备,通信管理机的性能与价格的平衡很大程度能够影响方案整体性能表现的重要因素;

多重网络功能:用户可根据现场实际情况配置不同的网络接口,组成用户需要的多种组网方式;

安科瑞凭借多年的行业经验积累,提供在工业领域应用的通信管理机解决方案。ANet通信管理机采用了目前更流行的基于ARM架构的嵌入式Linux平台方案,具备高性价比和较高的集成度。

ANet-2E4SM模块化通信管理机将传统管理机的接口拆分成可拼装搭配的模块,其中主模块可作为标准智能通信管理机独立工作,主模块搭配从模块可灵活扩展,能增加更丰富的应用场景,同时还可提供边缘计算等需求。

该方案采用NXP Cortex-A7的ARM处理器,以先进的电源管理架构达到更低的功耗。标配256MB DDR3和256M电子硬盘,通过严格EMC和高低温测试,确保在严酷的现场环境下稳定工作。具有丰富的硬件接口,存储方面支持USB以及TF卡接口,可扩展存储空间,能保证长时间的断点数据存储,完整的报警记录、日志记录存储。通讯方面支持RS485、Lora、RJ45以太网口、4G等接口,容易扩展,可以对众多设备同时进行管理。

在通讯规约方面,经过不断的开发扩展,目前采集协议支持ModbusRtu/TCP、DL/T645-1997/2007、DL/T698.45-2017、CJT188-2004、IEC103/104、OPC UA、BACNET、

西门子 S7 协议等。转发协议支持ModbusTCP(主、从)、104(主、从)、DGJ08-2068-2012 上海建筑能耗、DGJ32/TJ111-2010 江苏建筑能耗、杭州等地省市能耗、宁夏电力需求侧、华云 104 协议、SNMP、MQTT 协议、OPC UA、IEC 61850、Q/GDW 376.1 等。

从实践来看,ANet通信管理机可以将那些分散在工厂各变电所、生产车间中的类型不同、规约各异的智能设备,通过总线与通信管理机有效连接,并将采集到的信息通过汇总,上送至工业企业的数据监控中心,从而实现对工业现场运行参数的实时采集与管理,同时还可以实现对工业现场重要参数的实时报警以及相关设备的实时控制。 

 

5 典型案例

能耗/企业能源管控

今麦郎挂面厂能耗管理系统

上海雷克萨斯项目能耗监测系统

东营联合石化有限责任公司能源管控系统

杭州春风动力企业能源管控系统

东营威联化学有限公司企业能源平台

 

6 结语

随着工业化和信息化进程的不断加快,工业生产中的通信管理机的应用范围将越来越广。信息技术的不断提高为工业通信管理机的应用带来了新的发展契机,未来的发展方向是接口的多样性、网络化和集成化。工业环境比较复杂,各种现场的设备通信标准也呈现出多样性的特点,需要能够兼容和支持多种模式的系统出现,信息技术的提高为支持多种接口的模式准备好了条件。随着计算机和网络技术的不断进步,为工业生产企业的信息化发展提供了技术支撑,因此必将成为嵌入式工业通信管理机未来发展的重要方向。

参考文献

[1] . 嵌入式技术的工业通信管理机的开发及应用[J]. 中国管理信息化, 2014(10):2.

[2] 段德功, 丁莹亮. 基于嵌入式技术的工业通信管理机的开发及应用[J]. 软件, 2012, 33(6):3.

 

作者简介李婧婧 ,女,现任职于安科瑞电气股份有限公司,主要从事智能通信管理机研发与应用。

安科瑞电气股份有限公司
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