无人值守能源平台主要包括结构与温控系统、电源系统、现场主控系统、数据存储系统、通信及监控系统，其中电源系统为整个平台的运行提供电源保障[1]，主要由5台发电机组组成，其运行状况的好坏直接影响到平台的工作性能。平台必须时刻保持对发电机组的监测，可以实时采集发电机组运行状态数据，并能远程控制发电机组启停。本文对通信系统进行优化设计，结合系统现有硬件设施的特点设计了基于RS-485总线的数据通信子系统，上位机PC104可以通过该通道直接与发电机组进行通信，采集发电机组的实时运行数据，控制发电机组启停，提高系统的可靠性。
1无人值守能源平台数据通信子系统介绍
无人值守能源平台的现场主控系统用PLC控制器通过I/O模块实现对下层设备的数据采集，远程控制设备的启停[2]。上位机通过与PLC的通信，将采集到的数据进行分类存储，并将数据传回国内监控中心。但是无法保证PLC不会出现死机情况，一旦PLC出现故障，会导致设备处于失联状态，很可能导致系统崩溃。结合系统现有的硬件特点在通信系统上增加备用数据通道，当PLC出现故障时，可以将数据通道切换到该备用通道，使PC104仍可保持与发电机组的联系。电源系统中的发电机组选用GOOYO品牌的发电机，该发电机配备KP310V1.0控制器，用于控制单台发电机组的启动与停止，监控机组的运行状态，远程操作机组的开机与停机，机组运行数据的测量，报警保护等功能。KP310V1.0控制器提供有TTL电平接口，可以通过该接口与PC104直接连接，作为备用数据通道。数据通信子系统利用PC104提供的软件运行环境，设计程序通过备用数据通道定时采集机组运行数据，必要时也可以远程控制发电机组的启停。
2数据通信子系统设计
2.1通讯协议
MODBUS是工业上常用的标准通讯协议，可以支持多种电气接口，如RS-232/422/484等，数据帧格式简单，可靠性高[3]，KP310V1.0控制器的数据帧如图1。MODBUS网络只有一个主机，由主机发起通讯请求，支持多个从机设备，每个从机有自己唯一的地址码[3]。在本系统中，上位机PC104作为主机发起通讯请求，5台发电机组作为从机响应主机请求，波特率为19200，从机地址设置为1-5。功能码为03，读取模块数据;功能码为10，写入模块数据。起始地址为要读取或写入的寄存器起始地址，具体的数据点位可参照厂家提供的点位表。校验码采用CRC-16/MODBUS计算方式。
2.2硬件连接设计
RS-485是一种工业串口通信接口标准，采用差分传输方式，相较于RS-232和RS-422标准，通信速率更高，通信距离更远，一根传输线路上可以接入多个节点的接收设备，其中一个节点为主机，其余节点为从机，从机之间不可相互通信。RS-485扩大了总线信号的共模范围，并增大发送设备的驱动能力和冲突保护机制，传输长度可达1000m，最大传输速率可达10Mb/s[4-5]。因此选用RS-485串口通信作为总线通信模式。PC104采用了双机冗余的设计模式，主备机通过交换机与其他设备进行通信[6]，故将RS-485通信转为以太网，从而与PC104进行通信。选用risym的TTL转485模块，可以实现TTL与485信号的相互转换，该模块采用工业级设计，抗干扰能力强，工作温度为-40～85℃，传输距离可达千米。选用有人物联网公司的RS-485转以太网模块可以提供串口转网络功能，能够将RS-485串口转换成TCP/IP网络接口，该模块配备优化的TCP/IP协议栈，稳定可靠，能快速实现RS-485串口与TCP/IP网络接口的数据双向透明传输，工作温度为-40～80℃，适用于舱内的环境要求。系统结构如图2。硬件连接方法如下：发电机组上保留了一个九针串口与KP310V1.0控制器对应的通信端相连，对应串口引脚定义2-RXD(接收数据)，3-TXD(发送数据)，5-GND(地线)。使用串口线，将这三个引脚与TTL转485模块上对应的RX-D,TXD和GND引脚相连，模块另一端便可以输出RS-485信号。再用杜邦线将TTL转RS-485模块与RS-485转以太网模块的A，B信号接口对应连接。将RS-485转以太网模块的网络接口用网线与交换机连接，则可以实现PC104与发电机组的硬件连接。
2.3软件设计
南极现场上位机采用性能稳定的工业级计算机pc104，其上安装了linux系统和gcc编译工具，在此基础上采用C语言进行程序开发[7]。TCP是面向连接的协议，建立于服务端与客户端之间，每次发出的请求都需要对方确认。客户端主动向服务端发送SYN报文，并进入SYN_SENT状态，等待服务端回复。服务端收到报文后向客户端回复确认信息和SYN报文，此时服务端进入SYN_RECV状态。客户端收到回复后，向服务端发送确认包，之后客户端和服务端都进入ESTABLISHED状态，成功建立连接。以上过程被称为三次握手，数据传输完毕后，客户端与服务端之间通过四次挥手向对方发送确认包释放TCP连接。RS-485转网络模块通过串口转网络调试助手USR-TCP232-M4进行配置，波特率设置为19200，透传方式选择TCPserver模式，配置模块局域网IP为192.168.1.117，端口为23号端口，该IP地址和端口号用于服务端与客户端之间建立TCP连接，该模块作为TCP连接中的服务端，监听设定的23号端口是否有TCP客户端连接。在上位机程序的配置文件Config.ini中可以配置建立TCP连接的目的IP地址和端口号，从机数量，从机地址，功能码，数据起始地址，查询数据长度和数据存储位置。发电机组可以通过控制器设置唯一通讯地址，按照配备的说明书操作，将5台发电机组的地址依次设置为1～5。在配置文件中配置从机数量为5，从机地址分别为1～5，功能码为03(读取数据)，数据起始地址为0×1000，查询数据长度设为27，发电机组的读取模块中共有27个INT型数据(包括发电电压、电流、转速值、累计运行时间、故障状态、警告状态等)，数据存储位置为数据文件的存储路径，根据实际需要设置。上位机作为TCP连接的客户端，初始化程序时，读取配置文件，根据配置文件初始化数据请求指令，建立套接字，使用connect方法向服务端发起连接请求，如连接不成功，向PC104的主程序发送异常消息，主程序可以监测个子程序状态，并在必要时重启各程序。连接成功后，用send方法将数据请求发送至服务端(RS-485转网络模块)，服务端会将收到的数据转为适合485通讯的格式，发送给发电机组。发电机组收到与自己地址匹配的命令后返回对应的数据，如地址不相符，忽略此数据请求。上位机通过recv方法接收数据，收到数据后，检查数据的长度，并进行CRC校验，数据确保无误后，将数据保存为对应文件夹中以“当前时间”命名的文件中，存储在南极现场的存储设备中，以便有需要时进行查询。本次数据请求过程结束后，等待定时时间到后，再发起下一次数据请求。如果超时未接收到数据，关闭套接字并向PC104的监控程序发送消息记录异常，并结束本次查询操作，等待下次查询请求的发起，防止程序卡死。当需要通过该通道对发电机组进行控制时，可以修改配置文件中的功能码参数，再向发电机组发送数据帧，可以实现机组的启停。程序流程如图3。
3通信测试结果分析
按照之前介绍的硬件连接方法，在实际现场中搭建该数据通道，并在PC104上通过串口助手进行测试，根据厂家提供的点位表，发送数据请求，机组地址为01，功能码为03，读取模块数据，寄存器起始地址为(1010)，读取1个寄存器的数据，即为(0001)，最后的(0F81)为CRC校验码，该数据请求的实际意义为读取发电机组1的转速值。返回的数据中按照通讯格式读取到转速值为1388(十六进制)，转换为十进制为5000，与机组默认值一致，由此可知数据接收情况良好，如图4所示。上位机和发电机组之间的通信测试结果如下：将采集周期设置为30min，每采集一次便以当前采集时间命名该数据文件，文件保存结果如图5所示。将配置文件中的功能码改为写入功能，发送停止命令，可以现场观察到发电机组确实停机。根据测试结果可知，PC104通过该数据通道可以直接与发电机组通信，通过程序可以自动实时采集发电机组运行数据，并可以远程控制发电机组的启停。
4结束语
本文先介绍了南极科考支撑平台的主要功能和系统结构，考虑到发电机组在平台中的重要性，结合系统的硬件条件分析后，设计了一条上位机与发电机组的数据通道，并在PC104上开发了相应的程序实现定时采集机组数据，并可以远程控制机组的启停，提高了系统的可靠性。测试结果显示该通道满足数据采集和远程控制发电机组的需求，可以提高无人值守能源平台的可靠性和安全性。
《基于RS-485的无人值守能源平台数据通信子系统设计》来源：《信息技术与信息化》，作者:刘一鸣 张侃健 葛健 方仕雄
