面向异构电力设备状态监测的低功耗OPC UA协议转换最小系统

张辰，毛冬，黄海潮

（国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，杭州310063）

集成和互联互通是智能制造、工业4.0、电力物联网的关键支撑。电力系统中不同厂家的现场设备接口不同、采集的数据不同，有的甚至不开放接口，因此实际使用中这些现场设备可能是一个信息孤岛或者很难被集成到现有系统中[1]。随着MES等各类工业软件的使用，各类电力设备的运行大数据分析依赖的现场数据需要通过现场设备集成到上层信息和管理系统。集成和互联互通的要求越来越高，现场数据采集设备应具有对多种不同接口和协议的支持，同时需要以标准的接口对外输出[2]，这样设备和系统集成才能做到高效和标准化。

为此，面向电力设备运行状态监测需求，结合当前电力装备普遍采用的Modbus RTU 和各类PLC 协议等为主要现场数据采集接口的现状，进行现有接口协议的OPCUA 转换单元设计，设计研制异构电力设备OPC UA 协议转换的嵌入式最小系统硬件平台，建立基于OPC UA协议标准化的统一输出接口。该硬件平台利用软件配置的方式实现现场数据采集智能设备统一接入的具有重要的现实意义，可高效支撑以OPC UA协议为输出的标准化的跨平台运行参数采集实现。

1 OPC UA协议转换嵌入式最小系统设计需求分析

异构电力设备OPC UA协议转换的嵌入式最小系统硬件平台（硬件参数需求如表1所示）与数据采集SCADA 或MES系统连接，实现异构现场电力设备的运行状态参数采集，见图1所示。

表1 硬件参数需求表

图1 面向异构现场电力设备参数采集的OPCUA 协议转换场景

由图1可以看出，电力设备OPC UA 协议转换的嵌入式最小系统的硬件平台可以挂载执行Modbus标准协议的Modbus 设备，采用S7协议的西门子PLC通信设备、HostLink 协议的欧姆龙PLC通信设备以及采用三菱协议的三菱FX 系列PLC通信设备，同时支持机器人等私有协议的接入和数据采集，最终统一转化为OPC UA协议接口服务器[6]。

每个通讯协议均为一个数据源提供者或者一个数据源消费者，采用系统通用的数据交互接口获取数据或者提供数据，其在设计方案上是对等的，通过配置软件的配置，整套系统可以完成M:1的数据转出功能。OPCUA 协议设计较为开放，因此可以兼容现场协议中的各种类型的数据。因此，将采集通道透明的映射给OPCUA 转发模块就较为方便。

OPC UA协议转换单元利用ARM 内核嵌入式微处理器以保证嵌入式系统能够正常的运行[7-9]。OPC UA 协议转换单元嵌入式最小系统构成如图2所示。

图2 OPCUA 协议转换单元嵌入式最小系统构成

在图2中，微处理器采用AM3352，其2.5 V 工作电压以及部分外围芯片3.3 V 工作电压由电源模块提供；时钟模块经ARM 内部锁相环提供各模块所需的时钟频率输入[9-11]。10 MHz 作为主时钟，32.768 kHz 则为RTC 和Reset 模块产生计数时钟；Flash 存储模块存放程序、需要保存的用户数据等；SDRAM 模块为系统运行提供动态存储空间[10]；JTAG 模块对芯片内部所有部件进行访问，通过该接口实现系统的调试、编程、程序代码下载等[11-12]；UART 模块用于系统间短距离双向串行通信；复位模块实现系统复位功能；系统总线扩展引出地址总线、数据总线和必须的控制总线，支撑用户根据自身特定需求扩展外围电路[11]。

2 OPC UA 协议转换的硬件设计

异构电力设备OPC UA 协议转换的嵌入式最小系统控制底板采用TICortex-A8架构的AM335X系列主控作为主处理器（微处理器），支持2个10/100M 自适应工业以太网（一个网口作为冗余）、4个RS232/485串行通讯接口等[13]，如图3所示。

图3 协议转换嵌入式最小系统硬件及其接口

在图3中可以看出，协议转换的嵌入式最小系统的控制底板采用四层印刷电路板设计，支持10/100/1000 Mb自适应的双网卡实现网络路由。四路串口采用ADI 变压器式数字隔离器实现全隔离，有效地保护MCU 串口不会被外部高压损坏。

系统硬件电路主要包括CPU 处理模块（微处理器MCU）、电源模块、以太网模块、通讯模块（RS232、RS485）、掉电参数保存模块、时钟模块、SD卡存储模块、LED状态指示等[14]。

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1）电源电路

电源电路是影响应用系统的稳定性、可靠性、功耗、成本及电池寿命和可靠性的关键电路[9，11，15-17]，其总体架构如图4所示。

图4 电源电路图

2）晶振（RTC）电路

晶振电路采用双路电源给R8025芯片供电。当外部供电中断时，由电池对R8025进行供电，提供工作时钟[9，18]，如图5所示。

图5中，TEST/INTA引脚输出固定周期的中断，可从2 Hz/1 Hz/60 Hz/3 600 Hz 共5种频率中做出选择。振动停止检测功能是对振动停止事件进行记忆的寄存器功能。通过该功能判断电源是否变为过0 V 或后备电源是否降为过0 V，从而判断此时计时数据是否有效[19]。电源电压检测功能对电源电压比设定电压低的事件进行记录的寄存器功能。检测电压可由寄存器设定2.1 V 和1.3 V 两种电压中的一种，以每秒抽样的方式进行电源电压监视。电源电压监视功能可判定计时数据是否无效，也可用于电池的电源电压监视[20-21]。

图5 晶振（RTC）电路

3）存储器（SD）电路

存储器是是程序和数据等信息的存储部件[17]。为此在SD电路中加入两片UDT26A05L05来实现ESD防护，如图6所示。

图6 存储器电路

4）以太网电路

以太网电路采用LAN8720A 搭建。该器件是低能耗的10/100 m 以太网PHY 芯片，高于IEC 规范的卓越ESD保护水平，无需任何外部保护装置I/O端口管脚电压符合ieee502.3-2005的标准。由RMII接口和以太网MAC层连通，内置10-BASETX 全双工传输模块支持10 mbps和100 mbps。LAN8720A 通过与目的主机连接,支持HPAuto-MDIX自动翻转功能，不需要更换电缆就可直接改变连接或交叉连接[22]。以太网电路如图7所示。

图7 以太网电路

5）RS232和RS485电路

RS232和RS485通信接口全部采用数字隔离，4路全隔离串口，采用ADI 变压器式数字隔离器ADuM1412隔离[23-24]。ADuM1412隔离器提供4个独立的隔离通道，支持多种通道配置和最高达10 Mbps的数据速率，且能够跨越隔离栅实现电压转换功能，可确保不存在输入逻辑转换时及上电/关断条件下的直流正确性，有效保护CPU 串口不会被外部高压损坏。利用默认的输出控制引脚定义无输入电源时输出所采取的逻辑状态[25-27]。RS232和RS485电路如图8所示。

图8 RS232和RS485电路

3 OPC UA 协议转换的运行机制

结合图1异构电力设备参数采集协议转化应用场景，为获取执行Modbus 设备、西门子PLC通信设备、欧姆龙PLC通信设备、三菱FX 系列PLC 通信设备以及机器人等私有协议设备等与OPC UA 的映射关系，采用配置软件进行配置与采集模块通过私有协议进行通信[28，29]。软件总体框架见图9。

图9 软件总体架构

配置软件的功能模块划分如图10所示。配置软件的运行机制如图11所示。

图10配置软件的功能模块划分

图11 中，DirveWatch 负责启动所有的驱动进程、MEMDB内存管理进程和OPC UA转换进程。DriveWatch 管理模块的特点是，业务逻辑简单，功能精简，是整个系统最稳定的一个程序，保证了整个系统能够稳定长期运行[30]。1）上行数据：驱动模块的数据更新到MEMDB管理模块，当OPCUA 客户端进行读取时，从MEMDB模块获取数据。2）下行数据：当OPC UA客户端进行数据写操作时，OPCUA服务器模块写到MEMDB，然后MEMDB通知相应的驱动模块写到现场设备上。

图11 配置软件的运行机制

4 结束语

结合电力设备运行状态监测需求，设计异构电力设备OPC UA 协议转换的嵌入式最小系统硬件平台，采用通用数据交互接口获取数据或者提供数据，其在设计方案上是对等的，建立基于OPC UA协议标准化的统一输出接口，每个通讯协议均为一个数据源提供者或者一个数据源消费者。该硬件平台可以利用软件配置的方式完成M:1的数据转出功能，实现现场数据采集智能设备统一接入，高效支撑以OPC UA协议为输出的异构标准化跨平台运行，实现不同种类采集终端云边协同参数采集。