基于嵌入式技術(shù)的通信管理機在工業(yè)領(lǐng)域的開發(fā)及應(yīng)用

李婧婧

安科瑞電氣股份有限公司  上海嘉定201801

摘 要：通信管理機是企業(yè)自動化和信息化中實現(xiàn)各類設(shè)備和系統(tǒng)互聯(lián)與集成的重要設(shè)備，在企業(yè)通信管理機中應(yīng)用嵌入式技術(shù)能有效解決通訊方式和通訊協(xié)議多樣化問題，有利于提高系統(tǒng)的互聯(lián)集成能力，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文就基于嵌入式技術(shù)的通信管理機在工業(yè)領(lǐng)域中的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)行了探討，具有一定理論價值與技術(shù)應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：通信管理機  工業(yè)自動化  嵌入式技術(shù)  系統(tǒng)集成 

1 概述

在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，涉及大量設(shè)備、系統(tǒng)的互聯(lián)和集成，由于工業(yè)領(lǐng)域沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)配套廠家均按各自的方式對通信接口與規(guī)約進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致不同設(shè)備、不同系統(tǒng)間，往往采用了不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議，通訊方式混亂復(fù)雜，彼此之間難以兼容，這就給系統(tǒng)集成造成了巨大的困擾。在工業(yè)應(yīng)用中需要投入大量工程技術(shù)人員，耗費大量時間和精力來解決異構(gòu)系統(tǒng)的互聯(lián)通信問題，降低了設(shè)備和系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性，極容易因為一些偶然因素而造成系統(tǒng)崩潰甚至滋生重大風(fēng)險。對工業(yè)自動化設(shè)備和信息系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建起更為安全可靠的通信管理系統(tǒng)，對提升工業(yè)通信控制水平極為重要。嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，有效地提升了系統(tǒng)的功能拓展能力和可靠性，能極大地提升工業(yè)信息的集成能力，在工業(yè)通信管理機中有高的應(yīng)用價值。

2 嵌入式技術(shù)簡介

嵌入式技術(shù)是應(yīng)用專用的計算機系統(tǒng)作為裝置或設(shè)備的一部分，面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)。利用嵌入式技術(shù)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，能有效地提高系統(tǒng)應(yīng)用效率，去除系統(tǒng)冗余，更好地針對系統(tǒng)用戶的具體需求提供理想的性能和功能，是一種技術(shù)密集、高度分散，充分融合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)比較適合于對實時性、可靠性、多任務(wù)性、成本、體積以及功耗綜合指標(biāo)要求比較嚴(yán)格的場合。其應(yīng)用過程中表現(xiàn)出來的特點如下：第一，嵌入式系統(tǒng)具有技術(shù)密集、不斷創(chuàng)新以及起點高等特點，是一種知識集成性系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)的升級換代與具體產(chǎn)品是同步進(jìn)行的，因此其生命周期較長；第二，嵌入式系統(tǒng)中的軟件與硬件都要有高效率的設(shè)計，去除冗余，并在同樣資源基礎(chǔ)之上實現(xiàn)更高性能。其中，硬件系統(tǒng)多是為特定的用戶群進(jìn)行設(shè)計的，它可以將計算機應(yīng)用系統(tǒng)中的眾多任務(wù)集成于主板之上。從結(jié)構(gòu)形式上來看，它具有功耗低、電子存儲、無風(fēng)扇、體積小、抗干擾性強、集成度高以及安裝便捷等特點。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，目前嵌入式系統(tǒng)在任務(wù)調(diào)度、同步機制、中斷處理、信息傳輸?shù)确矫娴男阅芏加辛撕艽蟮奶岣?，并具有強大的功能拓展能力，具有?/span>的適應(yīng)性。

3 通信管理機應(yīng)用分析

在目前工業(yè)通信體系中，通常包括監(jiān)控系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、自動化控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€體系。隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度的不斷提高，需要對整個工業(yè)生產(chǎn)自動化體系內(nèi)處于分散狀態(tài)的生產(chǎn)過程、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和統(tǒng)計管理，工業(yè)通信系統(tǒng)承擔(dān)著極為重要的責(zé)任，綜合了自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)等多個方面的技術(shù)，形成了一個覆蓋工業(yè)生產(chǎn)過程各個環(huán)節(jié)的綜合系統(tǒng)，而其中遠(yuǎn)距離的人機信息交互是這一系統(tǒng)的核心需求，以滿足包括如遙控、遙測、遙調(diào)、遙信等遠(yuǎn)動技術(shù)的需要。此外，工業(yè)通信體系中，涉及大量智能設(shè)備，包括如變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)、線路保護(hù)、自動控制、智能操控、電力儀表、馬達(dá)保護(hù)等設(shè)備，這些設(shè)備處于工業(yè)通信系統(tǒng)中，使得工業(yè)通信系統(tǒng)內(nèi)部存在大量的數(shù)據(jù)通信，以滿足各子系統(tǒng)內(nèi)部及子系統(tǒng)之間的信息傳輸與信息共享需要，因此實現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)的共聯(lián)互通極為重要。但目前，由于數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化還不夠完善，并沒形成統(tǒng)一、規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)體系，造成工業(yè)通信體系的共聯(lián)互通中存在大量規(guī)約轉(zhuǎn)換問題，既增加了人力物力的耗費，又降低了系統(tǒng)運行的可靠性。

4 通信管理機的軟硬件設(shè)計

 通信管理機是工業(yè)通信系統(tǒng)中的主單元，通常位于通信系統(tǒng)主控層，用以完成各個設(shè)備、系統(tǒng)之間的信息交換工作，實際上是對整個通信系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于工業(yè)系統(tǒng)中設(shè)備、系統(tǒng)多樣復(fù)雜，各類通信協(xié)議、通信接口摻雜于整個系統(tǒng)之中，為了使設(shè)備、系統(tǒng)之間的信息交換工作得到良好的保障，通信管理機應(yīng)當(dāng)有強大的通信能力，以適應(yīng)整個系統(tǒng)中不同通信接口、通信方式、通信協(xié)議之間的協(xié)調(diào)集成工作，疏通系統(tǒng)中的信息交換障礙。因此，在做通信管理機的軟硬件設(shè)計的時候，除了需要考慮管理機平臺的性能和穩(wěn)定性之外，還需要考慮以下幾個因素：

通信功能：作為一個中間設(shè)備，承上啟下，需要與各種工業(yè)自動化裝置進(jìn)行連接，而各個設(shè)備可能會是不同的通訊規(guī)約，因此通信管理機必須能夠同時滿足與不同規(guī)約的設(shè)備進(jìn)行通訊。由于嵌入式系統(tǒng)主要采用的是進(jìn)程方式的通訊模式，各進(jìn)程之間是相互獨立的，并且通訊進(jìn)程和管理進(jìn)程之間是嚴(yán)格按照統(tǒng)一接口方式實施通訊。因此，通信管理機可以多個通訊接口接不同通訊規(guī)約的設(shè)備，并使每一個通訊接口集中關(guān)注于通訊規(guī)約解析，不用關(guān)注其它通道類型，從而減少了工作過程中出現(xiàn)問題的可能性；

數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、合并與整理：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要是指依據(jù)裝置層傳送的信息，嚴(yán)格按照預(yù)定的通訊方式與協(xié)議，將相關(guān)信息過濾后上傳至監(jiān)控中心，從而完成信息的匯總和篩選。數(shù)據(jù)合并主要是根據(jù)實際需要將具有共性或者工程需求的告警信息，合并以后上傳至監(jiān)控中心；數(shù)據(jù)的整定主要是根據(jù)實際需要，將遙測類型的信息嚴(yán)格按照特定系數(shù)和格式整理以后上傳至監(jiān)控中心。

性能與預(yù)算的平衡：作為一個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，通信管理機的性能與價格的平衡很大程度能夠影響方案整體性能表現(xiàn)的重要因素；

多重網(wǎng)絡(luò)功能：用戶可根據(jù)現(xiàn)場實際情況配置不同的網(wǎng)絡(luò)接口，組成用戶需要的多種組網(wǎng)方式；

安科瑞憑借多年的行業(yè)經(jīng)驗積累，提供在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的通信管理機解決方案。ANet通信管理機采用了目前更流行的基于ARM架構(gòu)的嵌入式Linux平臺方案，具備高性價比和較高的集成度。

ANet-2E4SM模塊化通信管理機將傳統(tǒng)管理機的接口拆分成可拼裝搭配的模塊，其中主模塊可作為標(biāo)準(zhǔn)智能通信管理機獨立工作，主模塊搭配從模塊可靈活擴(kuò)展，能增加更豐富的應(yīng)用場景，同時還可提供邊緣計算等需求。

該方案采用NXP Cortex－A7的ARM處理器，以先進(jìn)的電源管理架構(gòu)達(dá)到更低的功耗。標(biāo)配256MB DDR3和256M電子硬盤，通過嚴(yán)格EMC和高低溫測試，確保在嚴(yán)酷的現(xiàn)場環(huán)境下穩(wěn)定工作。具有豐富的硬件接口，存儲方面支持USB以及TF卡接口，可擴(kuò)展存儲空間，能保證長時間的斷點數(shù)據(jù)存儲，完整的報警記錄、日志記錄存儲。通訊方面支持RS485、Lora、RJ45以太網(wǎng)口、4G等接口，容易擴(kuò)展，可以對眾多設(shè)備同時進(jìn)行管理。

在通訊規(guī)約方面，經(jīng)過不斷的開發(fā)擴(kuò)展，目前采集協(xié)議支持ModbusRtu/TCP、DL/T645-1997/2007、DL/T698.45-2017、CJT188-2004、IEC103/104、OPC UA、BACNET、

西門子 S7 協(xié)議等。轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議支持ModbusTCP（主、從）、104（主、從）、DGJ08-2068-2012 上海建筑能耗、DGJ32/TJ111-2010 江蘇建筑能耗、杭州等地省市能耗、寧夏電力需求側(cè)、華云 104 協(xié)議、SNMP、MQTT 協(xié)議、OPC UA、IEC 61850、Q/GDW 376.1 等。

從實踐來看，ANet通信管理機可以將那些分散在工廠各變電所、生產(chǎn)車間中的類型不同、規(guī)約各異的智能設(shè)備，通過總線與通信管理機有效連接，并將采集到的信息通過匯總，上送至工業(yè)企業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場運行參數(shù)的實時采集與管理，同時還可以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場重要參數(shù)的實時報警以及相關(guān)設(shè)備的實時控制。 

5 典型案例

6 結(jié)語

隨著工業(yè)化和信息化進(jìn)程的不斷加快，工業(yè)生產(chǎn)中的通信管理機的應(yīng)用范圍將越來越廣。信息技術(shù)的不斷提高為工業(yè)通信管理機的應(yīng)用帶來了新的發(fā)展契機，未來的發(fā)展方向是接口的多樣性、網(wǎng)絡(luò)化和集成化。工業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，各種現(xiàn)場的設(shè)備通信標(biāo)準(zhǔn)也呈現(xiàn)出多樣性的特點，需要能夠兼容和支持多種模式的系統(tǒng)出現(xiàn)，信息技術(shù)的提高為支持多種接口的模式準(zhǔn)備好了條件。隨著計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步，為工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)的信息化發(fā)展提供了技術(shù)支撐，因此必將成為嵌入式工業(yè)通信管理機未來發(fā)展的重要方向。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李婧婧 ，女，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事智能通信管理機的研發(fā)與應(yīng)用。