基于物联网的智能制造程序下载系统的研究

唐 俊,于 哲,李兴建

(南京南瑞继保电气有限公司,江苏 南京 211100)

当代社会，通信技术不断进步、信息化水平不断提高，为物联网的提出与产生提供了前提和保证[1]。物联网的本质就是将无处不在的设备、企业、用户等互联互通的网络[2-3]，其能够实现万物互联，进行高效信息处理，建立灵活便捷的先进智慧服务系统[4]。

通信技术是物联网需要解决的关键技术，能够为物联网的顶层设计、基础设施建设等提供支持，无线通信接入技术以其优越的适用性和扩展性在物联网广泛应用[5-6]。文献[7-9]分析了物联网在电力系统建设、运行、终端使用、营销服务等方面的实际使用情况及应用远景，在电力二次生产领域利用物联网技术,契合当前的发展方向,也能带来切实的实用价值。

电力二次设备是电力系统安全运行的坚实防线，有效保证电力系统的稳定运行[10]。其中，继电保护及自动装置是电力二次设备的重要组成部分，具有监视一次设备运行状态，迅速反应故障和异常，切断故障源，维护电力系统稳定的重要作用[11-13]。因此，电力二次继电保护装置的生产制造显得尤为重要，提供安全合格的继电保护装置是电力系统安全运行的基础保证。实现继电保护装置生产过程自动化，可以将人类从简单、重复性的工作中解放出来，提高生产率和工作效率，保证产品质量，改进生产工艺，更利于创造价值[14]。

当前，电力二次继电保护装置生产制造的最后一步是程序下载。文献[15-16]设计了单片机的程序下载系统，能够实现程序的升级和调试，但其调试接口限制较大。文献[17-18]对DSP程序下载的接口进行了设计，解决了调试接口受限的问题，采用基于JTAG芯片实现程序的远程、自动下载，但依赖于下载器的使用。文献[19-22]介绍了程序下载方法、系统在各场景的应用，但仍依赖于人工参与和上位机控制程序，未能实现自动化过程。当前，继电保护应用程序下载大多仍采用本地电脑网口或串口连接继电保护装置，继而通过上位机软件控制实现[23]。这一过程占用人工时间较长，出错风险较大，成本较高。

为解决上述接口限制、依赖下载器、手动下载等问题，进一步解放生产力，本文基于物联网技术设计开发了智能制造程序下载系统。该系统采用无线、有线相结合通信技术，实现生产制造过程中继电保护应用程序自动化下载，其运行过程主要包括扫描装置条码、FTP获取生产程序、TCP下载生产程序3个部分。

1 系统结构

目前，在生产过程中，调试人员都是通过独立的笔记本电脑或台式电脑，一对一给继电保护下载应用程序，造成设备成本较高[24]。当继电保护装置距离调试人员较远时，需移动至保护装置，而现实环境中继电保护装置并不一定集中放置，这就导致调试时间成本比较高。

为解决这一问题，本文提出的程序下载系统采用图1网络结构，采用无线网络方式实现各部分连接。继电保护程序放在远端服务器进行共享，各生产程序下载装置通过无线网络实时调用，继而传输下载到继电保护装置。

图1 程序下载系统网络结构

本系统考虑保护装置的CPU在单板调试后，IP(以及MAC地址)固定且相同，若通过无线或有线组网则无法分辨目标下载装置，所以采取有线网络直连方式与生产程序下载装置进行连接。

智能制造程序下载系统的系统框图如图2所示。

图2 系统框图

本系统硬件部分由生产程序下载装置、远端服务器及继电保护装置组成。生产程序下载装置是整个系统的主体，其由扫码板、CPU板、液晶组成。

生产程序下载装置：获取继电保护装置条码，根据条码获取远端服务器存储的程序，并最终下载到继电保护装置。具体各板卡功能如下：扫码板的主要功能是连接扫码枪，扫描继电保护装置条形码，获取装置机箱编码，通过CAN报文发送给CPU板。CPU板主要功能是接收机箱条码，访问服务器获取程序，向继电保护装置下载程序，并将整个运行步骤及异常发送液晶显示。液晶的主要功能是显示下载过程及下载异常信息。

远端服务器：按规则名称(软件名称$版本号$管理号)存储应用程序，并存储物料索引表(包含机箱条码与硬件物料对照表，硬件物料与软件物料对照表)。该方法中物料索引表可采用机箱条码与软件物料直接对应关系。

继电保护装置：提供机箱条码，等待程序下载。

2 通信协议

智能制造程序下载系统各部分相互通信依赖于通信协议。生产程序下载装置与远端服务器之间通信采用标准的FTP协议，远端服务器为FTP服务端，生产程序下载装置为FTP客户端。生产程序下载装置与继电保护装置之间通信采用TCP/IP协议。生产程序下载装置各板卡间通信采用CAN协议[25]。

各厂家保护装置TCP协议应用数据部分及CAN协议定义不同，本文仅对系统采用的协议私有部分做简要介绍，其他厂家构建本系统需进行相应定义。

a.CAN报文定义

CAN报文链路层定义如表1所示。

表1 链路层结构

本系统采用已有的链路层架构，并对其中的应用数据单元部分进行重新定义，实现扫码板CAN报文解析以及调试步骤、错误信息发送显示。

应用数据单元定义如表2所示，包含类型标识、传送原因、目标板卡地址、数据信息体。

表2 应用数据单元定义

本系统采用如上定义的CAN报文结构，通过多个字节的信息约束能够提高信息传输的正确性。采用CAN报文实现板间通信，调试信息能够快速发送到液晶显示，进而准确提示生产人员系统运行状态。

b.TCP数据部分定义

由于本装置存在多个开发平台，保护装置的通信协议略有差别，存在2种应用数据定义[26]。下面仅对TCP数据部分定义做简要介绍。

继电保护装置协议的TCP应用数据部分定义如表3、表4所示。

表3 协议基本帧格式1

表4 协议基本帧格式2

智能制造程序下载系统采用TCP/IP协议，由生产程序下载装置控制传输程序文件给继电保护装置。该过程无需人工参与，能够实现对继电保护装置程序的自动下载。由于通信协议的私有性，该部分可自行定义。

3 软件实现

智能制造程序下载系统的软件整体系统流程如图3所示。

图3 软件程序系统流程

智能制造程序下载系统的软件实现过程如下：

程序运行后，等待扫码枪扫描继电保护装置机箱条码，获取条码信息，并通过CAN总线传递给CPU板卡。当获取正确的条码信息后，CPU板卡检查本地磁盘存储空间充足后，生产程序下载装置与远端服务器建立TCP链接，FTP登录服务器，获取存储文件列表及物料信息表。

程序查看下载的物料信息表的大小及时间，并与上次储存信息比较，确定是否需要重新下载。若本地无物料信息表，则直接下载。通过物料信息表，根据继电保护装置机箱条码查找硬件物料及软件物料名称，进而获取继电保护装置应用程序名称。

根据服务器存储文件列表，查找继电保护应用程序名称完全一致中版本号最新、管理序号最新的程序存储名称。最后，程序判断该继电保护应用程序是否本地已经存在且大小正确。若否，则FTP获取该程序并下载到CPU板卡储存；若是，则无需重复下载以提高程序运行效率。

继电保护装置程序下载具体交互过程如图4所示。

图4 程序下载流程

获取继电保护应用程序文件后，生产程序下载装置与继电保护装置建立TCP连接，根据下载文件后缀决定采用协议1或协议2下载程序文件。不同协议下载过程略有差别。当待测装置显示恢复出厂设置成功后，生产程序下载装置主动断开TCP连接，完成程序下载。

智能制造程序下载系统循环运行，当完成一次程序下载或出现错误时，则等待装置条码信息重新进行测试。

4 实际应用效果

本文设计的智能制造程序下载系统已交付公司生产制造部门，并在实际使用中目前反馈良好，解决了生产过程中的重复性劳动问题。

本系统提出的系统方法及架构不局限于电力生产领域，对涉及程序更新、传输的各行各业均可适用。该系统能够准确获取云端存储程序，并自动更新目标对象的应用程序，提高程序更新的效率和准确率，在批量化作业过程中效果显著。

5 结束语

本文在分析物联网应用现状的基础上，设计开发了智能制造程序下载系统。该系统可通过扫描继电保护装置条码信息，实现继电保护装置应用程序自动下载。该系统采用FTP协议获取远端服务器存储程序文件，并采用TCP协议将该应用程序文件传输给继电保护装置进行程序更新，能通过CAN报文协议实时显示程序执行步骤及执行情况，具有良好的人机交互界面。采用该系统能够降低人力成本，提高程序下载效率，满足不断提高自动化生产的需求。