بخشی از مقاله
پياده سازي پروتکل هاي DNP30 و ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC به صورت Slave در MasterRTU
واژه هاي کليدي : MasterRTU، DNP30، ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC،TMW ، پروتکل ، مرکز ديسپاچينگ توزيع
چکيده
MasterRTU دستگاهي است که به منظور اجراي سيستم اتوماسيون شبکه توزيع نيروي برق در پژوهشگاه نيرو طراحي و ساخته شده است . اين دستگاه مي تواند علاوه بر برقراري ارتباط با مرکز ديسپاچينگ توزيع ، جمع آوري اطلاعات و کنترل چند پست توزيع نيروي برق ديگر را برعهده گيرد. پروتکل هاي DNP3.0 و ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC که پروتکل هاي استاندارد و رايج ارتباط RTU با مرکز کنترل مي باشند، به صورت Master و Slave در MasterRTU پياده سازي گرديده و در اين پياده سازي از سورس کدهاي شرکت 1TMW بهره گرفته شده است . اين مقاله سعي بر آن دارد تا براي استفاده طراحان و سازندگان سيستم هاي کنترل و مانيتورينگ ، ضمن معرفي مشخصات سخت افزاري و نرم افزاري MasterRTU، نتايج حاصل از پياده سازي پروتکل هاي مذکور به صورت Slave را با ذکر آزمايش هاي عملي انجام شده ارائه نمايد.
١ مقدمه
RTU يا پايانه راه دور دستگاهي است که به منظور نظارت و کنترل پست هاي برق به کار برده مي شود. MasterRTU پايانه راه دوري است که به منظور اجراي سيستم اتوماسيون شبکه توزيع نيروي برق در پژوهشگاه نيرو طراحي و ساخته شده است . وظيفه اين دستگاه جمع آوري اطلاعات پست توزيع نيروي برق و ارسال آن به مرکز کنترل ديسپاچينگ توزيع مي باشد. هم چنين اين دستگاه بايد در صورت نياز فرمان هاي صادر شده از مرکز کنترل را در پست اجرا نموده و نتيجه آن را به مرکز کنترل گزارش نمايد.
MasterRTU با استفاده از حداکثر ٦٤ نقطه ورودي ديجيتال ، ٣٢ نقطه خروجي ديجيتال و ٢٤ نقطه ورودي آنالوگ ، مي تواند بزرگ ترين پست هاي توزيع نيروي برق را تحت پوشش قرار دهد. اين پايانه راه دور قابليت ارتباط با مرکز کنترل از طريق پروتکل هاي رايج و استاندارد DNP30 و IEC ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ را دارا مي باشد [١] و [٢]. با استفاده از قابليت Master شدن ، امکان جمع آوري اطلاعات و کنترل چهار دستگاه پايانه راه دور نصب شده در چهار پست توزيع ديگر امکان پذير مي گردد و بدين ترتيب مشکل حجم بالاي عمليات جمع آوري اطلاعات در مرکز کنترل با توجه به گسترش شبکه توزيع و به دنبال آن تعداد پست هاي توزيع تحت نظارت ، رفع مي گردد.
در پياده سازي پروتکل هاي DNP3.0 و ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC از سورس کدهاي ارائه شده توسط شرکت TMW استفاده شده است [٣] و [٤]. اين سورس کدها توسط بسياري از سازندگان دستگاه هاي پايانه راه دور به کار گرفته شده اند. پروتکل هاي مذکور توسط شرکت TMW به طور کامل پياده سازي شده است و استفاده از سورس کدها اين مزيت را خواهد داشت تا استفاده کننده بتواند به راحتي تغييرات موردنياز در پروتکل را اعمال نمايد. به عبارت ديگر کاربر مي تواند پروتکل را به صورتي که نياز دارد در سريع ترين زمان ممکن پياده سازي نمايد و چون سورس کد در برگيرنده پروتکل به طور کامل است امکان انجام اصلاحات و تغييرات آسان مي گردد.
در تحقيق انجام شده در گروه پژوهشي ديسپاچينگ و تله متري پژوهشگاه نيرو، پس از پياده سازي پروتکل هاي مذکور به صورت Master و Slave در MasterRTU، براي تعيين پاسخ زماني عملکردهاي مختلف آن و کارآيي پروتکل هاي پياده سازي شده ، آزمون هايي انجام شد که نتايج حاصل از پياده سازي پروتکل هاي مذکور به صورت Slave
ضمن ارائه مشخصات سخت افزاري و نرم افزاري
MasterRTU براي استفاده طراحان و سازندگان ارائه مي گردد
[٥] و [٦]. چرا که طراحان براي تصميم گيري ميان استفاده از سورس کدهاي TMW و پياده سازي اختصاصي پروتکل ها و هم چنين انتخاب سخت افزار مناسب با سوالات و ابهاماتي روبرو خواهند بود که شايد ارائه نتايج تحقيقات انجام شده بتواند به حل اين گونه مسائل کمک نمايد.
٢ ساختار کلي MasterRTU
1 هر MasterRTU از ماژول هاي تغذيه ، اصلي ، ورودي .خروجي ديجيتال (DIO)٢ و ورودي آنالوگ (AI)٣ تشکيل شده است . ورودي ماژول تغذيه ٢٤ ولت مستقيم و خروجي هاي آن ، تغذيه هاي ايزوله موردنياز ماژول هاي مختلف مي باشد. هر MasterRTU به گونه اي طراحي شده که بتواند دو ماژول DIO و دو ماژول AI را پشتيباني نمايد [٧].
همان طور که در شکل (١) مشاهده مي شود، ارتباط ميان ماژول هاي ورودي و خروجي و ماژول اصلي از طريق شبکه CAN با پروتکل لايه کاربرد CANopen برقرار شده است .
شبکه CAN يک شبکه Multi Master است و در آن هر يک از ماژول ها مي توانند در هر لحظه اقدام به ارسال اطلاعات نمايند و در صورتي که دو يا چند ماژول همزمان اقدام به ارسال پيام نمايند، پيامي که اولويت بالاتري دارد روي شبکه قرار گرفته و منتقل خواهد شد. مديريت شبکه CANopen برعهده ماژول اصلي گذاشته شده است . ماژول اصلي موظف است اطلاعات دريافتي از ساير ماژول ها را به مرکز کنترل منتقل نموده و فرمان هاي صادر شده از مرکز کنترل را روي شبکه CANopen براي ماژول موردنظر ارسال نمايد.
هر ماژول DIO داراي ٣٢ کانال ورودي و ١٦ کانال خروجي مي باشد. بردهاي آنالوگ که قابليت پيکربندي به صورت DC و AC را دارند، هر کدام مي توانند ١٢ کانال ورودي را پوشش دهند.
همان طور که ذکر شد، براي MasterRTU امکان جمع آوري و کنترل چهار پست توزيع ديگر درنظر گرفته شده است . ماژول اصلي داراي پورت هاي ٢٣٢ RS و ٤٨٥ RS براي برقراري اين ارتباط مي باشد. در اين ارتباط که در شکل (٢) نمايش داده شده است ، يک MasterRTU به عنوان Master يکي از پروتکل هاي DNP30 يا ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC عمل نموده و از يک سو از طريق پورت Master خود به چهار MasterRTU ي ديگر متصل مي گردد و از سوي ديگر با يک پورت Slave با مرکز کنترل ارتباط برقرار مي نمايد. پروتکل ارتباط با مرکز کنترل نيز مي تواند يکي از پروتکل هاي DNP3.0 يا IEC ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ باشد. بنابراين يک MasterRTU مي تواند علاوه بر کنترل و مانيتور کردن يک پست توزيع وظيفه مانيتورينگ و کنترل چهار پست توزيع ديگر را به عهده گيرد.
٣ مشخصات سخت افزاري ماژول هاي MasterRTU
در اين قسمت به معرفي مشخصات پردازنده هاي مورد استفاده در طرح MasterRTU پرداخته شده است . از ميکروکنترلر ١٦ بيتي MC9S12DG256 ساخت شرکت Freescale در ساخت ماژول هاي ورودي .خروجي و اصلي استفاده شده است . اين ميکروکنترلر با داشتن کنترل کننده CAN مجري پروتکل CANopen در ماژول هاي ورودي .خروجي و اصلي مي باشد.
فرکانس پالس ساعت اين ميکروکنترلر ١٦ مگاهرتز انتخاب شده است و ماژول هاي MasterRTU روي شبکه CANopen
با سرعت ٥٠٠ کيلو بيت بر ثانيه به تبادل داده مي پردازند. ماژول اصلي علاوه بر يک ميکروکنترلر يا به اختصار DG256 که شبکه CANopen را کنترل مي کند از يک ميکروکنترلر ٣٢ بيتي با شماره MCF5282 ساخت شرکت Freescale استفاده مي نمايد. اين ميکروکنترلر که از خانواده Coldfire مي باشد وظيفه اجراي پروتکل هاي ارتباط با مرکز کنترل و هم چنين ارتباط با ميکروکنترلر DG256 را برعهده دارد (شکل ٣).
فرکانس کار ميکروکنترلر ٣٢ بيتي MCF5282 که از طريق باس SPI با بخش CANopen و از طريق پروتکل هاي اسکادا با مرکز کنترل ديسپاچينگ در ارتباط است ٦٤ مگاهرتز و تعداد دستورات اسمبلي قابل اجرا توسط اين ميکروکنترلر به هنگام اجراي دستورات در حافظه Flash در حدود ٥٩ ميليون دستور در ثانيه ١ مي باشد. براي پياده سازي نرم افزار از حافظه داخلي Flash ميکروکنترلر که ٥١٢ کيلو بايت است استفاده شده است . براي حافظه داده نيز يک حافظه خارجي ١٦ مگابايتي به کار گرفته شده است .
ارتباط ميان دو ميکروکنترلر در ماژول اصلي از طريق باس SPI برقرار مي شود. در اين باس ، MCF5282 نقش Master و
DG256 نقش Slave را داراست . سرعت انتقال اطلاعات روي اين باس 4MHz مي باشد.
بنابراين به عنوان مثال در صورت بروز يک تغيير وضعيت ، پيام مربوطه به وسيله ماژول DIO روي شبکه CANopen مخابره مي شود. ماژول اصلي پيام را دريافت کرده و از طريق باس SPI در اختيار ميکروکنترلر MCF5282 قرار مي دهد. اين ميکروکنترلر نيز اطلاعات دريافتي شامل تغيير وضعيت و برچسب زماني را در اختيار مرکز کنترل قرار مي دهد.
٤ مشخصات نرم افزاري MasterRTU
به دليل داشتن فعاليت هاي Multi Tasking در عمليات پردازش نقاط مختلف پست لزوم استفاده از يک کرنل قوي مشخص مي گردد. بنابراين نرم افزار ماژول اصلي MasterRTU به زبان C استاندارد و بر پايه کرنل بلادرنگ
طراحي و پياده سازي شده است و صرف نظر از بخش هاي مربوط به پورت کرنل مستقل از سخت افزار است و به راحتي قابل انتقال به هر نوع سخت افزار ديگري مي باشد.
اين کرنل در شرکت Micrium توسط Jean. J. Labrosse طراحي شده است . اين سيستم عامل به صورت يک هسته
Open Source بوده و داراي قابليت Multi Tasking مي باشد.
٥- پياده سازي پروتکل هاي DNP30 و ١٠١-٥-٦٠٨٧٠ IEC به صورت Slave
همان طور که قبلاً ذکر شد در طراحي اين پايانه راه دور ٦٤ ورودي ديجيتال و ٣٢ خروجي ديجيتال و ٢٤ ورودي آنالوگ براي هر پايانه راه دور درنظر گرفته شده است و بنابراين در شبکه MasterRTU که متشکل از چهار پايانه راه دور Slave و يک Master مي باشد، قابليت پوشش دهي ٣٢٠ ورودي ديجيتال و ١٦٠ خروجي ديجيتال و ١٢٠ ورودي آنالوگ را دارد. در واقع Master، اطلاعات چهار Slave به همراه اطلاعات محلي خود را که جمعاً شامل اطلاعات پنج پايانه راه دور مي باشد، براي مرکز کنترل SCADA ارسال مي دارد.
ارتباط با مرکز از طريق پورت ٢٣٢ RS ميکرو Coldfire که متصل به يک مودم راديويي مي باشد صورت مي گيرد. در اين پروژه سرعت ارتباط با مرکز bps٩٦٠٠ درنظر گرفته شده است . دليل انتخاب اين سرعت توانايي ارسال مودم طراحي شده در پژوهشگاه نيرو توسط گروه مخابرات مي باشد که حداکثر سرعت ٩٦٠٠ را پشتيباني مي کند.
با توجه به اين که سرعت تبادل داده نسبتاً پايين است بنابراين پايانه راه دور در شرايط سخت تري قرار مي گيرد و بهتر مي توان عملکرد پايانه راه دور را در شرايط مشکل ارزيابي نمود.
در پياده سازي پروتکل هاي صنعتي DNP30 و ١٠١ IEC از سورس کدهاي شرکت TMW بهره گرفته شده است . اين سورس کدها قابل انعطاف بوده و به راحتي قابل پورت کردن به رنج وسيعي از سخت افزار و نرم افزار مي باشند. ساختار کلي اين سورس کدها که با نام اختصاري 1TMW SCL شناخته مي شوند به چهار لايه تقسيم مي شود:
١. لايه فيزيکي ٢: اين لايه مديريت ورودي ها و خروجي ها را برعهده دارد و توسط توابعي که در فايل هاي مربوطه وجود دارند به بخش فيزيکي پروتکل به طور مستقيم دسترسي دارد و وظيفه باز و بسته کردن کانال ارتباطي ، ارسال و دريافت داده در بخش فيزيکي کانال و پردازش خطاهاي سطح پايين کانال را برعهده دارد.
٢. لايه لينک : اين لايه عمليات سطح پايين بررسي فريم و تشخيص خطا را انجام مي دهد و به داده هاي دريافتي از لايه انتقال ، اطلاعات مشخصات فريم (هدر) و تشخيص خطا را اضافه کرده و تحويل لايه فيزيکي مي دهد.
هم چنين بر روي داده هاي دريافتي از لايه فيزيکي عمليات تشخيص خطا و حذف هدر انجام داده و تحويل لايه انتقال مي دهد.
٣. لايه انتقال : اين لايه پيغام هاي لايه کاربردي را به فريم هاي موردنياز لايه لينک با طول کمتر مي شکند و تحويل لايه لينک مي دهد. هم چنين فريم هاي دريافتي از لايه لينک را سرهم کرده و پيغام هاي موردنياز لايه کاربردي را تشکيل مي دهد و تحويل لايه کاربردي مي دهد.
٤. لايه کاربردي : در اين لايه پيغام هاي موردنياز توليد شده و جهت ارسال به لايه انتقال تحويل داده مي شود.
هم چنين پيغام هاي دريافتي از لايه انتقال را پردازش مي کند. اين لايه وظيفه توليد و پردازش درخواست هاي پروتکل را برعهده دارد.
هر يک از سورس کدهاي پروتکل DNP3.0 و يا ١٠١ IEC از دو دسته فايل تشکيل شده اند. يک دسته فايل هاي مشترک بين پروتکل ها بوده که شامل فايل هاي پيکربندي لايه فيزيکي و تنظيمات مربوط به پردازنده و ... مي باشد. دسته ديگر فايل ها شامل فايل هاي اختصاصي هر پروتکل مي باشند. اولين مرحله در پورت کردن سورس کد يک پروتکل مرحله کامپايل کردن فايل هاي موجود توسط نرم افزار کاربر و قبل از هرگونه تغيير مي باشد.
در مرحله بعد بايستي فايل هاي پيکربندي سورس کد که توسط شرکت سازنده پيشنهاد شده اند جهت سازگاري با سخت افزار مورد استفاده تغيير داده شوند. اين فايل ها شامل پيکربندي کلي پروتکل و تعيين نوع حافظه مورد استفاده و سايز آرايه هاي مختلف و يا نوع داده ها و غيره مي باشند.
