專利名稱：一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對大型集散型控制系統(tǒng)的監(jiān)測，更具體地說涉及一種具多事件順序記錄與測試系統(tǒng)。
背景技術：
在大中型分散式控制系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、水電站自動化系統(tǒng)中，往往經(jīng)常涉及到對大量設備狀態(tài)的監(jiān)測。這些設備可能是開關、斷路器、重合閘等，監(jiān)測系統(tǒng)往往要對這些設備的接點開閉狀態(tài)進行監(jiān)測。在監(jiān)測過程中不僅需要監(jiān)測其狀態(tài)同時還要監(jiān)測狀態(tài)發(fā)生變位的時間。在同一個系統(tǒng)中，有些設備的狀態(tài)發(fā)生變位相互間是有關聯(lián)的，因此需要對這類狀態(tài)變位的發(fā)生時間進行檢測，我們用SOE事件記錄來表示。SOE的英文全稱為SEQUENCE OFEVENT，即事件順序，對SOE的事件記錄分辨率一般要求達到毫秒級。
在上述的各種控制系統(tǒng)中，對于大量的SOE事件監(jiān)測對象是通過不同的底層智能監(jiān)測設備完成的。這類監(jiān)測設備狀態(tài)的監(jiān)測的有可能是集中在一個中間智能檢測裝置上的開關量采集板(簡稱為SOE子站，下同)，也有可能集中與一個(或一對互為冗余熱備份)的中間控制器單元中的多個開關量采集板上，也可能分散在不同中間控制器的多個開關量采集板上。
因此對于這些SOE站不僅僅要求對所監(jiān)測對象的狀態(tài)十分準確，同時對所有基層開關量采集時間的同步要求也要十分精確。只有這樣才能保證同一系統(tǒng)內(nèi)所有的SOE監(jiān)控對象的狀態(tài)變位有同樣的相對時標基點，從而保證系統(tǒng)內(nèi)所有的SOE對象的相對時鐘標志準確。
傳統(tǒng)意義上的SOE子站時鐘同步大部分采用以下幾種方式其一，將控制系統(tǒng)內(nèi)的所有SOE子站集中于同一中間控制單元下，這樣可以得到相對準確的相對時鐘時標，但隨著監(jiān)測對象的多樣化、分散化，該方法在大中型控制系統(tǒng)中的使用收到總通信容量的制約也不符合分散控制保證系統(tǒng)可靠性的要求。
其二，將SOE子站分散在不同的中間控制單元中，主站通過通信網(wǎng)絡(以太網(wǎng)、串行口)對中間控制單元進行廣播方式對時，各中間控制節(jié)點對下掛的SOE子站再通過專用通信方式進行廣播對時，這樣雖然遵循了分散控制的原則，但對于大量的中間控制單元，各個中間控制節(jié)點對于主站廣播對時方式以及各個SOE子站對于中間控制節(jié)點廣播對時方式的接受響應均存在延時甚至丟失廣播信息的可能，要達到每個SOE子站的時鐘同步誤差在1ms以內(nèi)是很困難的。
另一方面，通信報文所含字節(jié)長。以中間控制器對SOE子站以廣播方式為例，專用通信報文采用MODBUS通信規(guī)約，波特率115.2K，通信報文包括廣播命令、校驗碼、廣播地址、時鐘等大約10個字節(jié)。路途傳輸時間(不算通信路途延遲)大約為0.8ms。而SOE子站盡管可以將對廣播對時的命令設為中斷響應權限最高級別，但SOE子站CPU對該廣播通信報文的中斷響應、報文解析(包括校驗)、時標覆蓋需時大約也在0.5～1.5ms之間。這里尚不考慮沒有正確接受到廣播對時信號的情況，所花時間大約在1.3～2.5ms左右。同時，在廣播對時段的中間，所有的SOE子站是靠內(nèi)部的時鐘(這個時鐘可以是外接的時鐘芯片也可以是CPU通過工作晶振產(chǎn)生的內(nèi)部時鐘)計時，隨著廣播時間段的加長，這個SOE子站內(nèi)部時鐘不可避免的存在累計誤差，而這個累積誤差在分鐘以上將達到數(shù)甚至數(shù)十微秒。顯然，這種方式也是很難做到所有SOE子站相對時標誤差不超過1ms的。
其三，在系統(tǒng)內(nèi)設置一套GPS系統(tǒng)，其優(yōu)點是同步精度很高，但該系統(tǒng)的出口有限，如果所有的SOE子站均直接和該GPS系統(tǒng)對時將使系統(tǒng)造價也變得很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是，使各SOE子站對于相關監(jiān)測對象狀態(tài)變位時間的監(jiān)測記錄分辨率不大于1毫秒，同一系統(tǒng)下的所有SOE子站時間同步誤差不大于1毫秒，且系統(tǒng)制造成本低。
本發(fā)明的次要目的是，使所有SOE子站與對應的中間控制器以及中間控制器與主站系統(tǒng)的通信通道負荷最優(yōu)化。
上述目的通過以下技術方案來實現(xiàn)采用現(xiàn)場CAN總線進行通信連接，僅在監(jiān)測對象發(fā)生SOE事件時，對其狀態(tài)變位的發(fā)生時間進行順序記錄，該系統(tǒng)包括一套GPS裝置，通過通訊連接主站計算機，向其提供GPS時鐘的時間標志信號；一臺主站計算機，以所述時間標志信號為基準，在每一整秒刻連續(xù)發(fā)出整秒以上的時鐘信號A，并通過通訊方式對中間控制器進行廣播方式對時；至少兩個中間控制器，將時鐘信號A通過通訊方式傳送至對應通信服務器，在所有中間控制器中選擇其一作為基準時間站，該基準時間站以時鐘信號A為基準，在每一整秒刻連續(xù)發(fā)出對時信號B和對時信號C，并通過相應硬接點電路傳送至其它中間控制器和所有SOE子站；至少兩個通訊服務器，將時鐘信號A通過通訊方式對所有SOE子站進行廣播方式對時，分別與所對應的中間控制器和所有相關聯(lián)的SOE子站建立通信聯(lián)系，確認、記錄SOE事件，并使SOE事件記錄指針自動指向下條記錄；至少四個SOE子站，根據(jù)時鐘信號C，啟動SOE子站內(nèi)部毫秒時鐘計時，產(chǎn)生毫秒時鐘信號D并與時鐘信號A合并成SOE子站完整時鐘信號E，對監(jiān)測對象是否發(fā)生SOE事件進行判別，當有SOE事件產(chǎn)生，形成變位狀態(tài)與對應時鐘信號E的SOE事件記錄，并通過通信方式主動上傳。
其中所述時鐘信號A是相對某一歷史時標的累計秒差值的時鐘信息報文，所述對時信號B和對時信號C是周期為1秒的脈沖電平信號。
其中所述中間控制器至少分別設有兩個脈沖開關量的輸入、輸出端口，用于中間控制器之間的對時信號B的接點輸入和中間控制器之間的對時信號B的接點輸出，以及中間控制器與SOE子站之間的對時信號C的接點輸出。
其中作為所述基準時間站的中間控制器可配對另一中間控制器，兩者互為冗余熱備份。
其中所述二個互為基準時間站熱備份的中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有其它的中間控制器對時接點信號輸入端口；每一中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有相關聯(lián)的所述SOE子站專用對時接點輸入端口。
其中主站計算機通過網(wǎng)關與中間控制器通訊連接，并由以太網(wǎng)口發(fā)送對時信號A。
其中所述GPS裝置與主站計算機的串口相連。
其中中間控制器與通信管理器之間采用總線外聯(lián)方式或外擴口方式進行通信連接。
其中所述主站計算機為IBM_PC兼機容機，采用DOS6.0或WINDOWS或LINUX或WINCE操作系統(tǒng)。
本發(fā)明的有益效果1)設置基準時間站，系統(tǒng)以以該時間站為對時基準，將對時時間分為整秒以上時鐘和毫秒時鐘兩部分，分別采用軟件通信傳輸和硬接點電信號傳輸方式，從而保證系統(tǒng)的同步誤差不大于1毫秒，且造價低廉；2)采用高主頻CPU定時中斷查詢被監(jiān)測SOE事件的對象，保證了各SOE子站對所監(jiān)測對象狀態(tài)變位時的準確監(jiān)測，從而達到監(jiān)測記錄分辨率不大于1毫秒高分辨率要求；3)利用現(xiàn)場總線上的所有節(jié)點的可以互為主從的獨特特性，對于SOE事件只有發(fā)生狀態(tài)變位的情況下才將事件記錄主動上傳給對應的中間控制器以及主站系統(tǒng)以保證通信通道的負荷最優(yōu)化，同時鐘信息報文采用以某一歷史時標的累計秒差值來表述，大大減少了SOE事件記錄的表達字節(jié)，從而較好地解決了因SOE事件引起的報文堵塞造成網(wǎng)絡癱瘓的問題。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結構示意框2是SOE子站電路模塊的結構示意框3是SOE子站的工作流程4是SOE子站中斷服務流程5是通信服務器電路模塊的結構示意框6是通信服務器的工作流程圖具體實施方式
對照圖1，本系統(tǒng)采用一GPS裝置、一臺主站計算機、兩對共四個中間控制器(每一對為互為冗余的控制器，在實際應用場合中，根據(jù)系統(tǒng)的重要性可以為冗余配置，也可以為非冗余配置)和四個對應的通信服務器以及四個SOE子站。
在本實施例中，GPS裝置帶有RS232接口與系統(tǒng)中的主站計算機串口相連，通過RS232通信協(xié)議進行通信連接，向其提供GPS時鐘的時間標志信號。中間控制器通過網(wǎng)關(HUB)與主站計算機連接，主站計算機為大型IBM_PC兼容機，操作系統(tǒng)可采用DOS6.0、WINDOWS、LINUX、WINCE中的一種，通過相應軟件從RS232串口得到GPS時鐘的時間標志信號，該時間標志信號是精確到毫秒的時鐘信息報文。主站計算機以該時間標志信號為基準，連續(xù)發(fā)出整秒以上時鐘信息報文的時鐘信號A，并通過太網(wǎng)口發(fā)送到掛接在以冗余太網(wǎng)上的所有中間控制器上。
中間控制器采用PC104標準工業(yè)控制器，使用PC104總線外聯(lián)或外擴口方式與對應通信服務器并進行通信連接。各中間控制器將所獲得的整秒以上時鐘信號A通過數(shù)據(jù)總線或者通信總線傳送到對應的通信服務器，通信服務器采用廣播方式連續(xù)通過IO通信冗余網(wǎng)傳送到所有下掛在該網(wǎng)上的SOE子站。在所有中間控制器中選擇其一作為基準時間站(選擇哪一個中間控制器為基準時間站，一般根據(jù)實際情況由相關軟件來設定)，該基準時間站以時鐘信號A為基準，在每一整秒為時刻連續(xù)發(fā)出對時信號B和對時信號C，對時信號B和對時信號C是周期為1秒、電平不同的脈沖電平信號。它們分別通過基準時間站的I/O開關量輸出端口的硬接點電路傳送到其它中間控制器和所有SOE子站。所以中間控制器至少分別設有兩個脈沖開關量的輸入、輸出端口，用于中間控制器之間的對時鐘信號B的接點輸入和中間控制器之間的對鐘信號B的接點輸出，以及中間控制器與SOE子站之間的對時信號C的接點輸出。
網(wǎng)絡上其它中間控制器根據(jù)基準時間站發(fā)出的對時信號B校準各自的毫秒時差。各個SOE子站根據(jù)基準時間站發(fā)出的對時信號C啟動內(nèi)部的毫秒計時時鐘，產(chǎn)生毫秒計時時鐘信號D并與時鐘信號A合并成SOE子站完整時鐘信號E。所有SOE子站的時鐘都采用相同方式從各自對應的中間控制器通過硬件對時基點和軟件網(wǎng)絡廣播對時得到并打包。
由于無論是中間控制器以及SOE子站處理IO端口中斷的響應均可以非常快，一般為幾微秒，因此該時鐘基點延遲可以忽略不計，而秒以上信息通過網(wǎng)絡通信廣播方式，廣播方式為連續(xù)兩次廣播以保證廣播命令可以準確下達到每個子節(jié)點，每個子節(jié)點雖然存在通信延遲，但接受到的時差也就是毫秒級。而控制系統(tǒng)中所有的控制單元與SOE子站的時鐘毫秒計數(shù)是由各自獨立完成的?？紤]到每個子節(jié)點內(nèi)部的毫秒時鐘雖然可以調(diào)節(jié)很準，但長時間的累計誤差會造成各個子站毫秒級的計時誤差，因此基準時間站在每個整秒時刻發(fā)出對時信號以便于所有的子節(jié)點及時校準內(nèi)部的毫秒時鐘偏移，使得所有子節(jié)點的時鐘偏移累計誤差不可能大于1毫秒，而所有子節(jié)點得到的毫秒以上的信息加上自己內(nèi)部的毫秒信息就得到了精確到毫秒級的完整時鐘信息。
為了保證系統(tǒng)運行的可靠性，在多中間控制器站的情況下可選擇兩個中間控制器作為基準時間站冗余熱備份。本實施例的兩個中間控制器都配對有另一中間控制器，兩者互為實時冗余熱備份，以便其中每一個中間控制器隨時都可作為基準時間站使用。為防止對時信號在傳輸時受到外界干擾，互為基準時間站熱備份的中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有其它的中間控制器對時接點信號輸入端口；每一中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有相關聯(lián)的所述SOE子站專用對時接點輸入端口。
本發(fā)明的最特出的優(yōu)點就在于設置上述的基準時間站。這樣系統(tǒng)內(nèi)的所有其它中間控制器與所有SOE子站的時鐘基準均來自于該基準時間站。所有的中間控制器與SOE時鐘計時的基點均來自與該基準時間站的硬接點對時信號，該時鐘整秒以上的信息分別由基準時間站通過其它中間控制器、通信服務器所構成的通信網(wǎng)絡連續(xù)廣播傳送。形成了一點(基準時間站)對多點(各SOE子站)的硬件接點時鐘基點信號傳輸與軟件時鐘信息通訊傳輸同步性較高的傳輸方式。
本發(fā)明的優(yōu)點之一在于巧妙地簡化了時鐘信息報文的表達。即將計時信息表達成相對一歷史時標的累計秒差值，例如設定歷史時標為1970年1月1日零時零秒，則以后每一時刻的時鐘可表達成相對于這一歷史時標的時差，而這一時差采用秒單位。這樣在以此歷史時標為始點的100年中，每一時刻的時鐘表達只需4個字節(jié)，大大減少了SOE事件的表述字節(jié)，從而減少了系統(tǒng)信息的傳輸量，提高了系統(tǒng)傳信息輸效率，為系統(tǒng)信息通道的暢通提供了條件。
本實施例中SOE子站的電路模塊的結構請參見圖2，它根據(jù)圖3所示的工作流程進行如下工作卡件是否收到通信服務器的確認使用報文回復卡件正確狀態(tài)確認判斷是否有SOE事件發(fā)生，如有，將發(fā)生時的SOE事件狀態(tài)和發(fā)生時完整的時間(精確到豪秒)打包記錄并主動上傳。
接受來自通信服務器的SOE事件讀取有效標志并將SOE事件存儲指針指到下一條。
本發(fā)明的優(yōu)點之二在于，利用CAN現(xiàn)場總線的功能，保證通信通道最優(yōu)化。由于SOE事件不是一直有發(fā)生，因此中間控制器、通信管理器每次通信掃描所有SOE子站信息在大量存在SOE子站時將加大網(wǎng)絡通信流量，因此充分利用CAN現(xiàn)場總線的功能，每個SOE子站只有當有SOE事件產(chǎn)生時，將發(fā)生的狀態(tài)與對應的時鐘標志打包成完整的SOE事件記錄主動上傳到通信服務器與中間控制器上。通信服務器與中間控制器準確接受該SOE事件記錄后通過通信報文返回確認幀。如沒有產(chǎn)生確認幀，則SOE子站繼續(xù)重復上傳該息。直到SOE事件準確傳送后，SOE子站事件記錄指針自動指向下條事件記錄。這樣既保證了SOE信息的傳送可靠，又有效降低了通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量。
SOE子站對相關設備狀態(tài)監(jiān)測通過內(nèi)部CPU產(chǎn)生定時中斷查詢，SOE子站的CPU采用高頻CPU，中斷定時間為1毫秒，從而保證該SOE子站所有監(jiān)測的狀態(tài)分辯率不大于1毫秒，其工作流程請參見圖4。
本實施例中通信服務器的電路模塊的結構請參見圖5，它根據(jù)圖6所示的工作流程進行如下工作內(nèi)部總線接受中間控制器轉發(fā)的秒以上的時間報文將該報文通過廣播通信方式發(fā)送到下掛的SOE子站清除原對時時標，準備接受新的中間控制器轉發(fā)的秒以上的時間報文判斷下掛的SOE子站是否有上傳SOE事件標志如有，接受SOE事件記錄并儲存發(fā)送SOE事件存在標志等待中間控制器讀取SOE事件中間控制器讀取有效后發(fā)送清除標志給對應的SOE子站本發(fā)明可以通過下列方法驗證其SOE子站狀態(tài)監(jiān)測分辨率和同步誤差1、通過脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為1KHz的10個脈沖群以驗證SOE子站狀態(tài)監(jiān)測分辨率。
SOE子站應該保證得到20個狀態(tài)變化的信息。
2、通過脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10Hz的10個脈沖群以驗證SOE子站內(nèi)部ms時鐘累積誤差。
SOE子站得到的狀態(tài)變化之間的時段誤差應該不大于100±2ms。
3、通過脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10Hz的10個脈沖群分別同時輸入到不同的中間控制器下的不同SOE子站以驗證SOE事件狀態(tài)、時標準確性。
不同中間控制器下掛的SOE子站得到的狀態(tài)變位的時標差不大于2ms。
權利要求
1.一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，采用現(xiàn)場CAN總線進行通信連接，僅在監(jiān)測對象發(fā)生SOE事件時，對其狀態(tài)變位的發(fā)生時間進行順序記錄，該系統(tǒng)包括一套GPS裝置，通過通訊連接主站計算機，向其提供GPS時鐘的時間標志信號；一臺主站計算機，以所述時間標志信號為基準，在每一整秒刻連續(xù)發(fā)出整秒以上的時鐘信號A，并通過通訊方式對中間控制器進行廣播方式對時；至少兩個中間控制器，將時鐘信號A通過通訊方式傳送至對應通信服務器，在所有中間控制器中選擇其一作為基準時間站，該基準時間站以時鐘信號A為基準，在每一整秒刻連續(xù)發(fā)出對時信號B和對時信號C，并通過相應硬接點電路傳送至其它中間控制器和所有SOE子站；至少兩個通訊服務器，將時鐘信號A通過通訊方式對所有SOE子站進行廣播方式對時，分別與所對應的中間控制器和所有相關聯(lián)的SOE子站建立通信聯(lián)系，確認、記錄SOE事件，并使SOE事件記錄指針自動指向下條記錄；至少四個SOE子站，根據(jù)時鐘信號C，啟動SOE子站內(nèi)部毫秒時鐘計時，產(chǎn)生毫秒時鐘信號D并與時鐘信號A合并成SOE子站完整時鐘信號E，對監(jiān)測對象是否發(fā)生SOE事件進行判別，當有SOE事件產(chǎn)生，形成變位狀態(tài)與對應時鐘信號E的SOE事件記錄，并通過通信方式主動上傳。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于所述時鐘信號A是相對某一歷史時標的累計秒差值的時鐘信息報文，所述對時信號B和對時信號C是周期為1秒的脈沖電平信號。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于所述中間控制器至少分別設有兩個脈沖開關量的輸入、輸出端口，用于中間控制器之間的對時信號B的接點輸入和中間控制器之間的對時信號B的接點輸出，以及中間控制器與SOE子站之間的對時信號C的接點輸出。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于作為所述基準時間站的中間控制器可配對另一中間控制器，兩者互為冗余熱備份。
5.根據(jù)權利要求4所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于所述二個互為基準時間站熱備份的中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有其它的中間控制器對時接點信號輸入端口；每一中間控制器的對時信號接點輸出端口分別用屏蔽線連接到所有相關聯(lián)的所述SOE子站專用對時接點輸入端口。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于主站計算機通過網(wǎng)關與中間控制器通訊連接，并由以太網(wǎng)口發(fā)送對時信號A。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于所述GPS裝置與主站計算機的串口相連。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于中間控制器與通信管理器之間采用總線外聯(lián)方式或外擴口方式進行通信連接。
9.根據(jù)權利要求1所述的一種多事件順序記錄與測試系統(tǒng)，其特征在于所述主站計算機為IBM_PC兼容機，采用DOS6.0或WINDOWS或LINUX或WINCE操作系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具多事件順序記錄與測試系統(tǒng)。技術方案是采用現(xiàn)場CAN總線進行通信連接，僅在監(jiān)測對象發(fā)生SOE事件時，對其狀態(tài)變位的發(fā)生時間進行順序記錄，該系統(tǒng)包括一套GPS，提供時間標志；一臺主站計算機，發(fā)出時鐘信號A至所有中間控制器；至少兩個中間控制器，在所有中間控制器中選擇其一作為基準時間站，它發(fā)出對時信號B、C，傳送至其它中間控制器和所有SOE子站；至少兩個通訊服務器，傳送時鐘信號A至所有SOE子站，確認、記錄SOE事件；至少四個SOE子站，由信號C啟動其內(nèi)部毫秒時鐘，產(chǎn)生毫秒時鐘信號D與信號A合并成SOE子站時鐘信號E，判別、上傳SOE事件進行。優(yōu)點是同步及監(jiān)測分辨率誤差不大于1毫秒。
文檔編號G05B23/02GK1801023SQ20051009542
公開日2006年7月12日 申請日期2005年11月14日 優(yōu)先權日2005年11月14日
發(fā)明者楊衛(wèi)民, 章素華, 吳勝華, 王勇 申請人:楊衛(wèi)民, 章素華, 朱能飛