张川登,张 浩,赖 敏

(1.云南文山铝业有限责任公司,云南 文山 663099;2.云南工商学院,云南 昆明 651700;3.文山学院,云南 文山 663099)

电解铝厂电解槽要求连续工作,而供电设备的效率、可靠性和利用率是操作者最为关注的因素。电解铝厂整流所综合自动化系统可实现对整流所的综合自动化管理,确保整流所安全、平稳供电[1]。但智能工厂的建设需要实现数据的互联互通,需要采集整流所综合自动化系统的相关数据至全厂中央数据库。由于综自系统内设备众多,各设备通讯接口及输出数据格式不统一,为数据的集中采集带来了较大困难。且综自系统计量点较多,长时间运行会产生大量数据,更加大了数据实时快速采集的难度。当前,整流所综合自动化系统根据厂家的不同可以提供不同的数据接口。本文以某电解铝厂整流所综合自动化系统为例,介绍一种整流所综自系统IEC协议数据采集方法,其将综自系统电能量计量等数据存储到全厂服务器数据库中,从而实现数据的互通有无,为后期智能工厂能源管理等方面服务提供数据支撑。

1 系统网络结构

如下图1所示,整流所综合自动化系统的数据服务器通过综自系统防火墙,连接到综自采集接口机[2]。综自系统设置采集接口机为主站,通过IEC104协议向主站(即采集接口机)发送报文(即通过IEC104协议处理后的数据),接口机通过解析综自系统(从站)发送过来的IEC104协议报文,获取综自数据,存储到MES主服务器中。综自系统和MES系统网段不同,接口机设多个网卡,一个网卡对应综自系统,一个网卡对应MES系统,通过接口机实现MES服务器和综自系统的通讯[3]。

图1 综自系统数据采集网络结构图

2 数据采集方法

本系统通过IEC104协议与综自系统进行通信, IEC104规约由国际电工委员会制定,用于监控数据使用。1104规约帧报文分为三大类:I帧、S帧、U帧。I帧是信息帧,可用于传输具体的通信数据,长度必大于6个字节。S帧可用于确认接收的I帧,即当接收到I帧后需要返回一个S帧,长度等于6个字节。U帧为控制帧,可用于控制启动/停止子站进行数据传输,或测试TCP链路连接,长度等于6个字节[4]。

本系统设计与综自系统通过IEC104协议传输流程如下(主站为采集接口机,从站为综自系统):

(1)建立tcp连接。

(2)主站给从站发送启动帧。

(3)从站收到启动帧,给主站发送启动确认帧。

(4)主站给从站发送总召唤。

(5)从站收到主站的总召唤命令,给主站发送总召唤确认。

(6)从站上传遥信,遥测,电度等I帧信息帧,发送完毕从站发送总召唤结束帧。IEC104 常用的类型标识包括遥测、遥信、SOE、KWH[5]。遥测:09带品质描述的测量值,每个遥测值占3个字节;0a带3个字节时标的且具有品质描述的测量值,每个遥测值占6个字节;0b不带时标的标度化值,每个遥测值占3个字节;0c带3个时标的标度化值,每个遥测值占6个字节;0d带品质描述的浮点值,每个遥测值占5个字节;0e带3个字节时标且具有品质描述的浮点值,每个遥测值占8个字节;15不带品质描述的遥测值,每个遥测值占2个字节。遥信:01不带时标的单点遥信,每个遥信占1个字节;03不带时标的双点遥信,每个遥信占1个字节;14具有状态变位检出的成组单点遥信,每个字节8个遥信。SOE:02带3个字节短时标的单点遥信;04带3个字节短时标的双点遥信;1e带7个字节时标的单点遥信;1f带7个字节时标的双点遥信。KWH:0f不带时标的电能量,每个电能量占5个字节;10带3个字节短时标的电能量,每个电能量占8个字节;25带7个字节短时标的电能量,每个电能量占12个字节[6]。

(7)主站收到从站发送的结束帧,会回复一个S帧的确认帧。

(8)进入下一个周期(其中如果数据有变化,从站需要主动上报)。

通过以上流程,接口机就可以同综自系统进行稳定的通讯连接。而系统接收到综自系统传来的数据后,需要对数据进行解析。综自数据最常用的数据为电表实时数据值和实时累计值,即遥测数据和电度数据。以某电解铝厂综自数据的报文为例,下面分别进行遥测数据和电度数据的报文解析。IEC104协议的传输报文的每个字节都是16进制的,所以获取的数据在进行计算、存储的时候要转换成10进制数据。

遥测报文的解析,现场收到的遥测报文数据如下:68 12 07 00 12 00 0d 03 03 00 11 00 42 40 01 00 61 f3 b4 00 50 41 00 f0 9b b9 3f 00 51 41 00 81 a9 18 40 00 57 41 00 ad 56 17 40 00 59 41 00 3c 55 1e 40 00 5a 41 00 eb ef 86 41 00 5b 41 00 e8 bd a4 41 00 5c 41 00 53 f3 d4 41 00 5d 41 00 3a 37 22 3f 00。68为启动符,为IEC104协议默认的,12为长度,数值为18。07 00 为发送信号,1200为接收信号。0d为遥测类型,带品质描述的浮点值,每个遥测值占5个字节。03为可变限定结构词,表示有3个数据传输。0300为传送原因,这种多个字节标示一个数据的转换成16进制的时候,后边的数据应该在前,即传送原因数据为0003,传送原因为突发,即电表数据变化了,从站数据自动传给主站。1100公共地址。42 40 01为信息体地址,16进制值为014042,转换成10进制为81986,即该点的地址为81986。0061 f3 b4 为数据值,转换成浮点型数字。00为品质描述。之后报文信息与之前格式一致,从信息体地址开始处理。

电度报文的解析,现场收到的遥测报文数据如下:68 34 32 01 04 00 0f a0 25 00 01 00 01 64 00 20 02 00 00 00 00 00 00 00 00 86 00 00 00 00 00 00 00 00 00 21 02 00 00 00 00 00 00 00 00 87 00 00 00 00 00 00 00 00 00 20 02 00 00 00 00 00 00 00 00 86 00 00 00 00 00 00 00 00 00 21 02 00 00 00 00 00 00 00 00 87 00 00 00 00 00 00 00 00 00 ae 00 00 00 00 00 00 00 00 00 6b 00 00 00 00 00 00 00 00 00 9d 00 00 00 00 00 00 00 00 00 66 00 00 00 00 00 00 00 00 00 89 02 00 00 00 00 00 00 00 00 a0 00 00 00 00 00 00 00 00 00 8a 02 00 00 00 00 00 00 00 00 ac 00 00 00 00 00 00 00 00 00。68为启动符,为IEC104协议默认的,34为长度,为52。32 01 为发送信号,04 00为接收信号。0f为电度类型,不带时标的电能量,每个电能量占5个字节。a0为可变限定结构词。25 00为传送原因,16进制值为0025,转换后为37,传送原因为响应累积量召唤,即响应电度累积量的总召唤,统一发送电度数据。0100公共地址。0164 00 为信息体地址,16进制值为006401,转换成10进制为25601,即该点的地址为25601。20 02 00 00为数据值,转换成整数字。00为品质描述。之后报文信息与之前格式一致,信息体地址为前一地址加1,从数据值开始处理。

3 综自采集系统程序设计

采集程序使用winfrom实现,使用socket通讯与综自服务器连接通讯,使用winfrom自带的BackgroundWorker方法监控报文接收并进行处理。软件界面如图2所示,输入综自系统IP地址,点击连接按钮,就可以建立同综自系统的连接,而后本软件即可实现对综自系统数据的自动采集,并保存到服务器数据库中。

图2 综自系统数据采集软件页面

本软件的程序流程图如图3所示。按照IEC104协议的标准流程,程序开始运行时,发送首次连接信息,连接成功后,进行对时操作,对时成功后,发送总召唤命令,获取所有遥测信息,通过BackgroundWorker异步获取报文并处理。总召唤后,只要通讯连接一直存在,一旦遥测数据发生变化,从站(综自数据服务器)就会将变化的数据发送给主站,程序通过socket接收报文信息,通过BackgroundWorker异步程序监测,处理数据并进行存储。由于电度信息未能通过总召唤获取,故单独定时发送电度总召唤信息,获取电度信息。其处理方式与遥测一致。信息的发送使用报文的形式通过socket发送。报文存储在一个队列中。每次获取到报文信息或者达到电度总召定时时间时,即向队列中添加一个报文。

图3 综自系统数据采集软件程序流程图

4 工程应用

本软件已成功部署于某电解铝厂,该电解铝厂综自系统采用三层网络结构:站控层、通讯管理层、间隔层。站控层负责220 kV及10 kV系统所有各类数据的采集、分析、处理、命令发布、数据库的建立及管理、并提供用户各类人机界面、数据报表,含两台数据服务器及两台监控主机。通讯管理层以多台智能通讯管理机为核心,实现数据的统一管理、监控。间隔层由微机继电保护装置、智能监控装置和其他设备的控制器、IED智能装置等组成,负责电气设备的各类保护、现场遥信、遥测数据的采集、遥控命令的执行,并通过通讯接口执行数据的处理及传送。

本软件安装在综自采集接口机上,通过与站控层进行通讯,实现对综自系统数据的采集。该采集系统投运后已经稳定运行2年以上,该采集程序能够快速的将综自数据保存到中央服务器数据库中,软件运行稳定流畅,响应快速,用户反映良好。

5 结 语

本文在分析了IEC104协议的基础上,设计了一种电解铝厂整流所综合自动化系统的数据采该方法,并基于该方法开发了数据采集软件,实现了对整流所综自系统数据的采集。该数据采集软件已经成功部署于某电解铝厂,实践表明该软件运行稳定可靠,通过该系统能够将整流所综自系统的数据采集至中央数据库,实现了数据的互通,为后期智能工厂能源管理等方面服务提供数据支撑。