CN1801023A - 一种多事件顺序记录与测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具多事件顺序记录与测试系统。技术方案是：采用现场CAN总线进行通信连接，仅在监测对象发生SOE事件时，对其状态变位的发生时间进行顺序记录，该系统包括：一套GPS，提供时间标志；一台主站计算机，发出时钟信号A至所有中间控制器；至少两个中间控制器，在所有中间控制器中选择其一作为基准时间站，它发出对时信号B、C，传送至其它中间控制器和所有SOE子站；至少两个通讯服务器，传送时钟信号A至所有SOE子站，确认、记录SOE事件；至少四个SOE子站，由信号C启动其内部毫秒时钟，产生毫秒时钟信号D与信号A合并成SOE子站时钟信号E，判别、上传SOE事件进行。优点是：同步及监测分辨率误差不大于1毫秒。

Description

一种多事件顺序记录与测试系统

技术领域

本发明涉及对大型集散型控制系统的监测，更具体地说涉及一种具多事件顺序记录与测试系统。

背景技术

在大中型分散式控制系统、变电站自动化系统、水电站自动化系统中，往往经常涉及到对大量设备状态的监测。这些设备可能是开关、断路器、重合闸等，监测系统往往要对这些设备的接点开闭状态进行监测。在监测过程中不仅需要监测其状态同时还要监测状态发生变位的时间。在同一个系统中，有些设备的状态发生变位相互间是有关联的，因此需要对这类状态变位的发生时间进行检测，我们用SOE事件记录来表示。SOE的英文全称为SEQUENCE OFEVENT，即事件顺序，对SOE的事件记录分辨率一般要求达到毫秒级。

在上述的各种控制系统中，对于大量的SOE事件监测对象是通过不同的底层智能监测设备完成的。这类监测设备状态的监测的有可能是集中在一个中间智能检测装置上的开关量采集板(简称为SOE子站，下同)，也有可能集中与一个(或一对互为冗余热备份)的中间控制器单元中的多个开关量采集板上，也可能分散在不同中间控制器的多个开关量采集板上。

因此对于这些SOE站不仅仅要求对所监测对象的状态十分准确，同时对所有基层开关量采集时间的同步要求也要十分精确。只有这样才能保证同一系统内所有的SOE监控对象的状态变位有同样的相对时标基点，从而保证系统内所有的SOE对象的相对时钟标志准确。

传统意义上的SOE子站时钟同步大部分采用以下几种方式：

其一，将控制系统内的所有SOE子站集中于同一中间控制单元下，这样可以得到相对准确的相对时钟时标，但随着监测对象的多样化、分散化，该方法在大中型控制系统中的使用收到总通信容量的制约也不符合分散控制保证系统可靠性的要求。

其二，将SOE子站分散在不同的中间控制单元中，主站通过通信网络(以太网、串行口)对中间控制单元进行广播方式对时，各中间控制节点对下挂的SOE子站再通过专用通信方式进行广播对时，这样虽然遵循了分散控制的原则，但对于大量的中间控制单元，各个中间控制节点对于主站广播对时方式以及各个SOE子站对于中间控制节点广播对时方式的接受响应均存在延时甚至丢失广播信息的可能，要达到每个SOE子站的时钟同步误差在1ms以内是很困难的。

另一方面，通信报文所含字节长。以中间控制器对SOE子站以广播方式为例，专用通信报文采用MODBUS通信规约，波特率115.2K，通信报文包括广播命令、校验码、广播地址、时钟等大约10个字节。路途传输时间(不算通信路途延迟)大约为0.8ms。而SOE子站尽管可以将对广播对时的命令设为中断响应权限最高级别，但SOE子站CPU对该广播通信报文的中断响应、报文解析(包括校验)、时标覆盖需时大约也在0.5～1.5ms之间。这里尚不考虑没有正确接受到广播对时信号的情况，所花时间大约在1.3～2.5ms左右。同时，在广播对时段的中间，所有的SOE子站是靠内部的时钟(这个时钟可以是外接的时钟芯片也可以是CPU通过工作晶振产生的内部时钟)计时，随着广播时间段的加长，这个SOE子站内部时钟不可避免的存在累计误差，而这个累积误差在分钟以上将达到数甚至数十微秒。显然，这种方式也是很难做到所有SOE子站相对时标误差不超过1ms的。

其三，在系统内设置一套GPS系统，其优点是同步精度很高，但该系统的出口有限，如果所有的SOE子站均直接和该GPS系统对时将使系统造价也变得很高。

发明内容

本发明的首要目的是，使各SOE子站对于相关监测对象状态变位时间的监测记录分辨率不大于1毫秒，同一系统下的所有SOE子站时间同步误差不大于1毫秒，且系统制造成本低。

本发明的次要目的是，使所有SOE子站与对应的中间控制器以及中间控制器与主站系统的通信通道负荷最优化。

上述目的通过以下技术方案来实现：

采用现场CAN总线进行通信连接，仅在监测对象发生SOE事件时，对其状态变位的发生时间进行顺序记录，该系统包括：

一套GPS装置，通过通讯连接主站计算机，向其提供GPS时钟的时间标志信号；

一台主站计算机，以所述时间标志信号为基准，在每一整秒刻连续发出整秒以上的时钟信号A，并通过通讯方式对中间控制器进行广播方式对时；

至少两个中间控制器，将时钟信号A通过通讯方式传送至对应通信服务器，在所有中间控制器中选择其一作为基准时间站，该基准时间站以时钟信号A为基准，在每一整秒刻连续发出对时信号B和对时信号C，并通过相应硬接点电路传送至其它中间控制器和所有SOE子站；

至少两个通讯服务器，将时钟信号A通过通讯方式对所有SOE子站进行广播方式对时，分别与所对应的中间控制器和所有相关联的SOE子站建立通信联系，确认、记录SOE事件，并使SOE事件记录指针自动指向下条记录；

至少四个SOE子站，根据时钟信号C，启动SOE子站内部毫秒时钟计时，产生毫秒时钟信号D并与时钟信号A合并成SOE子站完整时钟信号E，对监测对象是否发生SOE事件进行判别，当有SOE事件产生，形成变位状态与对应时钟信号E的SOE事件记录，并通过通信方式主动上传。

其中所述时钟信号A是相对某一历史时标的累计秒差值的时钟信息报文，所述对时信号B和对时信号C是周期为1秒的脉冲电平信号。

其中所述中间控制器至少分别设有两个脉冲开关量的输入、输出端口，用于中间控制器之间的对时信号B的接点输入和中间控制器之间的对时信号B的接点输出，以及中间控制器与SOE子站之间的对时信号C的接点输出。

其中作为所述基准时间站的中间控制器可配对另一中间控制器，两者互为冗余热备份。

其中所述二个互为基准时间站热备份的中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有其它的中间控制器对时接点信号输入端口；每一中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有相关联的所述SOE子站专用对时接点输入端口。

其中主站计算机通过网关与中间控制器通讯连接，并由以太网口发送对时信号A。

其中所述GPS装置与主站计算机的串口相连。

其中中间控制器与通信管理器之间采用总线外联方式或外扩口方式进行通信连接。

其中所述主站计算机为IBM_PC兼机容机，采用DOS6.0或WINDOWS或LINUX或WINCE操作系统。

本发明的有益效果：1)设置基准时间站，系统以以该时间站为对时基准，将对时时间分为整秒以上时钟和毫秒时钟两部分，分别采用软件通信传输和硬接点电信号传输方式，从而保证系统的同步误差不大于1毫秒，且造价低廉；2)采用高主频CPU定时中断查询被监测SOE事件的对象，保证了各SOE子站对所监测对象状态变位时的准确监测，从而达到监测记录分辨率不大于1毫秒高分辨率要求；3)利用现场总线上的所有节点的可以互为主从的独特特性，对于SOE事件只有发生状态变位的情况下才将事件记录主动上传给对应的中间控制器以及主站系统以保证通信通道的负荷最优化，同时钟信息报文采用以某一历史时标的累计秒差值来表述，大大减少了SOE事件记录的表达字节，从而较好地解决了因SOE事件引起的报文堵塞造成网络瘫痪的问题。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意框图

图2是SOE子站电路模块的结构示意框图

图3是SOE子站的工作流程图

图4是SOE子站中断服务流程图

图5是通信服务器电路模块的结构示意框图

图6是通信服务器的工作流程图

具体实施方式

对照图1，本系统采用一GPS装置、一台主站计算机、两对共四个中间控制器(每一对为互为冗余的控制器，在实际应用场合中，根据系统的重要性可以为冗余配置，也可以为非冗余配置)和四个对应的通信服务器以及四个SOE子站。

在本实施例中，GPS装置带有RS232接口与系统中的主站计算机串口相连，通过RS232通信协议进行通信连接，向其提供GPS时钟的时间标志信号。中间控制器通过网关(HUB)与主站计算机连接，主站计算机为大型IBM_PC兼容机，操作系统可采用DOS6.0、WINDOWS、LINUX、WINCE中的一种，通过相应软件从RS232串口得到GPS时钟的时间标志信号，该时间标志信号是精确到毫秒的时钟信息报文。主站计算机以该时间标志信号为基准，连续发出整秒以上时钟信息报文的时钟信号A，并通过太网口发送到挂接在以冗余太网上的所有中间控制器上。

中间控制器采用PC104标准工业控制器，使用PC104总线外联或外扩口方式与对应通信服务器并进行通信连接。各中间控制器将所获得的整秒以上时钟信号A通过数据总线或者通信总线传送到对应的通信服务器，通信服务器采用广播方式连续通过IO通信冗余网传送到所有下挂在该网上的SOE子站。在所有中间控制器中选择其一作为基准时间站(选择哪一个中间控制器为基准时间站，一般根据实际情况由相关软件来设定)，该基准时间站以时钟信号A为基准，在每一整秒为时刻连续发出对时信号B和对时信号C，对时信号B和对时信号C是周期为1秒、电平不同的脉冲电平信号。它们分别通过基准时间站的I/O开关量输出端口的硬接点电路传送到其它中间控制器和所有SOE子站。所以中间控制器至少分别设有两个脉冲开关量的输入、输出端口，用于中间控制器之间的对时钟信号B的接点输入和中间控制器之间的对钟信号B的接点输出，以及中间控制器与SOE子站之间的对时信号C的接点输出。

网络上其它中间控制器根据基准时间站发出的对时信号B校准各自的毫秒时差。各个SOE子站根据基准时间站发出的对时信号C启动内部的毫秒计时时钟，产生毫秒计时时钟信号D并与时钟信号A合并成SOE子站完整时钟信号E。所有SOE子站的时钟都采用相同方式从各自对应的中间控制器通过硬件对时基点和软件网络广播对时得到并打包。

由于无论是中间控制器以及SOE子站处理IO端口中断的响应均可以非常快，一般为几微秒，因此该时钟基点延迟可以忽略不计，而秒以上信息通过网络通信广播方式，广播方式为连续两次广播以保证广播命令可以准确下达到每个子节点，每个子节点虽然存在通信延迟，但接受到的时差也就是毫秒级。而控制系统中所有的控制单元与SOE子站的时钟毫秒计数是由各自独立完成的。考虑到每个子节点内部的毫秒时钟虽然可以调节很准，但长时间的累计误差会造成各个子站毫秒级的计时误差，因此基准时间站在每个整秒时刻发出对时信号以便于所有的子节点及时校准内部的毫秒时钟偏移，使得所有子节点的时钟偏移累计误差不可能大于1毫秒，而所有子节点得到的毫秒以上的信息加上自己内部的毫秒信息就得到了精确到毫秒级的完整时钟信息。

为了保证系统运行的可靠性，在多中间控制器站的情况下可选择两个中间控制器作为基准时间站冗余热备份。本实施例的两个中间控制器都配对有另一中间控制器，两者互为实时冗余热备份，以便其中每一个中间控制器随时都可作为基准时间站使用。为防止对时信号在传输时受到外界干扰，互为基准时间站热备份的中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有其它的中间控制器对时接点信号输入端口；每一中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有相关联的所述SOE子站专用对时接点输入端口。

本发明的最特出的优点就在于设置上述的基准时间站。这样系统内的所有其它中间控制器与所有SOE子站的时钟基准均来自于该基准时间站。所有的中间控制器与SOE时钟计时的基点均来自与该基准时间站的硬接点对时信号，该时钟整秒以上的信息分别由基准时间站通过其它中间控制器、通信服务器所构成的通信网络连续广播传送。形成了一点(基准时间站)对多点(各SOE子站)的硬件接点时钟基点信号传输与软件时钟信息通讯传输同步性较高的传输方式。

本发明的优点之一在于巧妙地简化了时钟信息报文的表达。即将计时信息表达成相对一历史时标的累计秒差值，例如设定历史时标为1970年1月1日零时零秒，则以后每一时刻的时钟可表达成相对于这一历史时标的时差，而这一时差采用秒单位。这样在以此历史时标为始点的100年中，每一时刻的时钟表达只需4个字节，大大减少了SOE事件的表述字节，从而减少了系统信息的传输量，提高了系统传信息输效率，为系统信息通道的畅通提供了条件。

本实施例中SOE子站的电路模块的结构请参见图2，它根据图3所示的工作流程进行如下工作：

卡件是否收到通信服务器的确认使用报文

回复卡件正确状态确认

判断是否有SOE事件发生，如有，将发生时的SOE事件状态和发生时完整的时间(精确到豪秒)打包记录并主动上传。

接受来自通信服务器的SOE事件读取有效标志并将SOE事件存储指针指到下一条。

本发明的优点之二在于，利用CAN现场总线的功能，保证通信通道最优化。由于SOE事件不是一直有发生，因此中间控制器、通信管理器每次通信扫描所有SOE子站信息在大量存在SOE子站时将加大网络通信流量，因此充分利用CAN现场总线的功能，每个SOE子站只有当有SOE事件产生时，将发生的状态与对应的时钟标志打包成完整的SOE事件记录主动上传到通信服务器与中间控制器上。通信服务器与中间控制器准确接受该SOE事件记录后通过通信报文返回确认帧。如没有产生确认帧，则SOE子站继续重复上传该息。直到SOE事件准确传送后，SOE子站事件记录指针自动指向下条事件记录。这样既保证了SOE信息的传送可靠，又有效降低了通信网络的数据流量。

SOE子站对相关设备状态监测通过内部CPU产生定时中断查询，SOE子站的CPU采用高频CPU，中断定时间为1毫秒，从而保证该SOE子站所有监测的状态分辩率不大于1毫秒，其工作流程请参见图4。

本实施例中通信服务器的电路模块的结构请参见图5，它根据图6所示的工作流程进行如下工作：

内部总线接受中间控制器转发的秒以上的时间报文

将该报文通过广播通信方式发送到下挂的SOE子站

清除原对时时标，准备接受新的中间控制器转发的秒以上的时间报文

判断下挂的SOE子站是否有上传SOE事件标志

如有，接受SOE事件记录并储存

发送SOE事件存在标志等待中间控制器读取SOE事件

中间控制器读取有效后发送清除标志给对应的SOE子站

本发明可以通过下列方法验证其SOE子站状态监测分辨率和同步误差：

1、通过脉冲信号发生器产生频率为1KHz的10个脉冲群以验证SOE子站状态监测分辨率。

SOE子站应该保证得到20个状态变化的信息。

2、通过脉冲信号发生器产生频率为10Hz的10个脉冲群以验证SOE子站内部ms时钟累积误差。

SOE子站得到的状态变化之间的时段误差应该不大于100±2ms。

3、通过脉冲信号发生器产生频率为10Hz的10个脉冲群分别同时输入到不同的中间控制器下的不同SOE子站以验证SOE事件状态、时标准确性。

不同中间控制器下挂的SOE子站得到的状态变位的时标差不大于2ms。

Claims (9)

1、一种多事件顺序记录与测试系统，采用现场CAN总线进行通信连接，仅在监测对象发生SOE事件时，对其状态变位的发生时间进行顺序记录，该系统包括：

一套GPS装置，通过通讯连接主站计算机，向其提供GPS时钟的时间标志信号；

一台主站计算机，以所述时间标志信号为基准，在每一整秒刻连续发出整秒以上的时钟信号A，并通过通讯方式对中间控制器进行广播方式对时；

至少两个中间控制器，将时钟信号A通过通讯方式传送至对应通信服务器，在所有中间控制器中选择其一作为基准时间站，该基准时间站以时钟信号A为基准，在每一整秒刻连续发出对时信号B和对时信号C，并通过相应硬接点电路传送至其它中间控制器和所有SOE子站；

至少两个通讯服务器，将时钟信号A通过通讯方式对所有SOE子站进行广播方式对时，分别与所对应的中间控制器和所有相关联的SOE子站建立通信联系，确认、记录SOE事件，并使SOE事件记录指针自动指向下条记录；

至少四个SOE子站，根据时钟信号C，启动SOE子站内部毫秒时钟计时，产生毫秒时钟信号D并与时钟信号A合并成SOE子站完整时钟信号E，对监测对象是否发生SOE事件进行判别，当有SOE事件产生，形成变位状态与对应时钟信号E的SOE事件记录，并通过通信方式主动上传。

2、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于所述时钟信号A是相对某一历史时标的累计秒差值的时钟信息报文，所述对时信号B和对时信号C是周期为1秒的脉冲电平信号。

3、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于所述中间控制器至少分别设有两个脉冲开关量的输入、输出端口，用于中间控制器之间的对时信号B的接点输入和中间控制器之间的对时信号B的接点输出，以及中间控制器与SOE子站之间的对时信号C的接点输出。

4、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于作为所述基准时间站的中间控制器可配对另一中间控制器，两者互为冗余热备份。

5、根据权利要求4所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于所述二个互为基准时间站热备份的中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有其它的中间控制器对时接点信号输入端口；每一中间控制器的对时信号接点输出端口分别用屏蔽线连接到所有相关联的所述SOE子站专用对时接点输入端口。

6、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于主站计算机通过网关与中间控制器通讯连接，并由以太网口发送对时信号A。

7、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于所述GPS装置与主站计算机的串口相连。

8、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于中间控制器与通信管理器之间采用总线外联方式或外扩口方式进行通信连接。

9、根据权利要求1所述的一种多事件顺序记录与测试系统，其特征在于所述主站计算机为IBM_PC兼容机，采用DOS6.0或WINDOWS或LINUX或WINCE操作系统。

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