Универсальный контроллер сбора данных для АСКУЭ

Заказчик

Производитель оборудования для автоматизированных систем контроля и учета энергии (АСКУЭ).

Задача

Создать программно-аппаратную платформу для концентратора данных в сети АСКУЭ. Концентратор должен взаимодействовать по PLC (Power Line Communications — технология использования электросетей для высокоскоростного информационного обмена) с сетью устройств для сбора и передачи данных, и осуществлять обмен с диспетчером по протоколу TCP/IP. Устройство должно поддерживать различные виды подключений, как проводные, так и беспроводные. Особое внимание важно уделить надежности и отказоустойчивости. При этом необходимо предусмотреть возможность выпуска различных модификаций устройства на базе разработанной платформы.

Решение

Процессорная плата

Цифровая платформа разработана на базе кристалла System-on-Chip Atmel AT91RM9200. Другими компонентами аппаратной платформы устройства являются SDRAM Micron MT48LC16M16 объемом 16M x 16bit, FLASH память Atmel AT45DB642D 8Mбайт, NAND FLASH Samsung K9F1208U0B, FRAM Ramtron FM25L256. Физический уровень проводного интерфейса связи с диспетчером, Ethernet 10/100 Mbit, реализован на микросхеме PHY Ethernet National Semiconductor DP83848.

Беспроводный интерфейс связи с диспетчером реализован на базе модуля GSM/GPRS модема Wavecom GR64. Для подключения GSM/GPRS модема к процессору использован дополнительный чип FULL UART TI TL16C550DIPT.

Установлены RS-485, RS-232 интерфейсы для связи с устройствами сбора и передачи данных. При этом отдельно по каждому из каналов RS-485, RS-232 реализована защита с гальванической развязкой с использованием DC/DC преобразователей Aimtec AM1/2L и AD ADUM1201. На плате установлен датчик вскрытия корпуса со схемой фиксации вскрытия при отсутствии питания прибора и часы реального времени (RTC) с высокой точностью и большим сроком службы встроенной батареи.

Кроме этого, на плате установлена CPLD Xilinx XC9572XL для реализации простых логических функций.

Основные технические характеристики:

• габариты печатной платы процессорного модуля - 180х145мм;
• габариты печатной платы источника питания 215х145мм;
• внутренний разъем для USB 2.0 host/device;
• порт Ethernet 10/100Mbit;
• порт RS485 - 1 шт;
• порт RS232 - 3 шт.

Источник питания

Спроектирован специализированный источник питания, имеющий 6 входных фаз 220В. Источник питания позволяет питать устройство при наличии хотя бы одного из 6 входных напряжений. Кроме этого, при пропадании всех 6 фаз источник питания сохраняет энергию, достаточную для корректного завершения работы в течение 5 секунд.

Корпус и конструкция

Корпус основан на OEM решении, выпускаемом компанией OKW. Конструкция корпуса обеспечивает соответствие стандартам (ГОСТ) на электронику для систем автоматизированного управления с уровнем защиты от пыли и влаги IP65. Применение модульной конструкции позволило упростить процедуру сборки и увеличить ремонтопригодность устройства.

Проработана внутренняя конструкция, внешний вид устройства, расположение внешних разъемов. На боковую панель концентратора выведены отдельные разъемы, удовлетворяющие IP65, для подключения Ethernet, RS-485, RS-232 интерфейсов, внешней GSM антенны, силовых разъемов 220В. Крепление устройства обеспечивается за счет применения DIN рейки.

Нашим дизайнером предложено 6 вариантов наклеек на лицевую панель концентратора с различным расположением символов, пиктограмм и цветовым решением.

Программное обеспечение

Для платы AT91RM9200 разработан пакет поддержки аппаратуры (BSP) на основе начального загрузчика U-Boot и ядра Linux версии 2.6.21. Добавлена поддержка SDRAM Micron MT48LC16M16, Ethernet трансивера DP83848, 64Mbit NAND Flash Samsung K9F1208U0B. Кроме этого, разработан Linux драйвер для памяти FRAM, подключенной к SPI интерфейсу процессора. Часть модификаций и исправлений интегрирована в основную ветку ядра Linux.

Основными функциями программного обеспечения являются:

• управление концентратором через Web-интерфейс;
• разделение прав доступа на группы пользователей (оператор, администратор);
• работа через RS-232 с PLC модемами, поддержка протокола IT800D Host Interface Command Set фирмы Yitran;
• контроль состояния сети устройства сбора и передачи данных;
• обмен данными с УСПД;
• повышение отказоустойчивости за счет буферизации показаний и событий в энергонезависимой FRAM памяти с быстрым доступом;
• организация связи с диспетчером по протоколу TCP/IP посредством Ethernet, GSM/GPRS, прямого соединения по RS-232.

Web-интерфейс устройства реализует следующие функции:

• просмотр и редактирование списка подчиненных устройств;
• задание тарифных расписаний для различных типов счетчиков;
• просмотр списка событий, возникавших на концентраторе и подчиненных ему узлах;
• просмотр списка показаний, переданных на концентратор с подчиненных ему узлов;
• выгрузка списка событий и показаний на ПК;
• архивация и удаление старых событий и показаний;
• доступ к системным параметрам и настройкам ОС.

Сертификационные испытания

Разработанный прибор прошел сертификационные испытания на соответствие ГОСТ по следующим пунктам:

• электромагнитная совместимость;
• помехоустойчивость;
• индустриальные радиопомехи;
• устойчивость к электростатическому разряду;
• устойчивость к наносекундным импульсным помехам;
• устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии;
• устойчивость динамическим изменениям напряжения в цепи электропитания (устойчивость к провалам, прерываниям напряжения);
• электробезопастность (концентратор соответствует I классу оборудования по защите от поражения электрическим током).

Преимущества и характеристики

• Переносимость программного кода на другие аппаратные платформы и отсутствие лицензируемых решений, за которые необходимо платить отчисления, обеспечены применением ОС Linux и ANSI C в качестве языка программирования;
• Web-интерфейс позволяет удаленно настраивать устройство и просматривать результаты работы через интернет-браузер с любого ПК, при этом не требуется установка дополнительного ПО;
• Высокая степень отказоустойчивости;
• Защищенность корпуса по стандарту IP65;
• Высокая степень модульности устройства, которая дает возможность производства различных модификаций на базе разработанной платформы.

Технологии	Embedded Linux, JFFS2, u-boot, CGI
Языки программирования	C, bash, VHDL
Интерфейсы	Ethernet 10/100 Base-T, RS-232, RS-485, GSM/GPRS, SPI, PLC
Средства разработки	ISE8.1, PCAD, GNU Toolchain (gcc, gdb), valgrind, IDE Eclipse
Средства управления проектом	dotProject, MSProject, CVS
Трудозатраты	190 человеко-дней
Срок разработки	6 месяцев

Скачать PDF - 302Kb