水电站国产化改造串口通信解决方案探讨

汪华强，储玉玲

（1.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038；2.北京华电电子商务科技有限公司，北京 100070）

水电站自动化系统及设备的国产化改造多采取分期分批实施，如何有效解决新老系统及设备之间的串口数据通信，探索一种既经济、又稳定且方便实施的解决方案至关重要。本文介绍了重庆石堤水电站国产化过程中，结合现场各系统和设备间串口通信的实践经验，着重探讨将串口设备连接至基于IP的以太网局域网的解决方案，取得良好的效果，值得总结借鉴。

1 国产化改造概况

随着国家对水电站自动化系统国产化升级改造的重视和支持，已投产多年的老电站开始加快了国产化改造的步伐，充分利用枯水季及检修期，逐步完成自动化系统及设备的国产化改造。由于电力安全生产关乎人民群众的生命财产安全，践行国产化改造将面临诸多挑战。

1.1 分期分批改造

水电站有既定的年均发电任务，需要在保障供电的基础上将国产化改造的影响降至最低，因此大多采取分期分批的方式逐步完成改造，不可避免新老系统并存通信，以及新旧设备间数据交互的问题。

1.2 国产软硬件适配性

目前国产操作系统与国产化服务器、网络设备之间的适配性尚不完善，导致传统插卡式的多串口通信方式稳定性较差，串口通信误码率高。国产PLC 串口通信模块支持的通信协议种类有限等问题，亟待寻找一种简单易行的解决方案。

1.3 施工联调时间

老电站的施工改造束缚因素较多，牵涉面较广，不能影响到其他机组正常发电，且检修窗口期短暂，导致系统、设备间的联调时间会异常紧张，迫切需要可将各串口设备轻松接入计算机监控系统的解决方案。

2 串口通信解决方案

2.1 现地控制层

现地控制层LCU与多功能仪表、智能IED设备、辅助系统之间的串口通信比较多，根据实际选用的PLC 以及对侧设备的接口类型，可将一部分串口通信方式改为Modbus/TCP 以太网通信方式，将极大地提高通信便捷性和可靠性，同时也降低了通信开发维护的工作量[1]。

石堤水电站监控系统LCU 采用国产傲拓NA系列PLC 产品，其中公用LCU 与快速门PLC、弧门PLC、辅机PLC 等统一采用Modbus/TCP 通信协议读写数据，只需简单地对傲拓PLC 的网络模块Modbus/TCP 通信配置即可实现，且支持双以太网通道冗余通信，数据传输稳定可靠。

对侧设备如果仅支持Modbus RTU 串口通信方式，在傲拓PLC I/O 机箱上增加串口通信模块（CMM401-0411），该模块支持4 个扩展串口，可以独立完成串口通信任务，与CPU 仅完成数据交换，不占用CPU 资源，使用简单方便。

对侧设备如果采用IEC60870-5-103 或其他非标准协议的串口通信方式，配置智能通信服务器设备（ICS），该设备支持2 路网口，8/16 路串口，嵌入式Linux 操作系统支持开发不同协议的串口通信软件，汇聚各串口数据并集中转换成TCP/IP 数据流，可有效解决现场串口设备联网通信问题。

2.2 厂站控制层

厂站控制层对外的通信软件主要部署在各通信主机上运行，国产化改造前大多基于Windows 或Linux 系统开发，改造过程中需要基于国产操作系统开发，如凝思、麒麟等操作系统。

石堤水电站厂站层通信主机采用H3C 品牌服务器，安装凝思操作系统，调试过程中发现安装凝思操作系统的H3C 服务器与其他网络外设的适配性尚不完善，如传统插卡式的多串口通信卡等，串口通信误码率高，无法正常使用。基于国产操作系统开发的串口通信软件，避免不同场景下的二次开发，确保不对其作任何改动。TCP/IP 网络通信软件和串口通信软件均部署在通信主机上，以便于集中管理维护[2]。

MOXA NPort 系列产品基于IP 的以太网串口服务器组网方式[3]，可以方便地将RS-232/422/485串口设备连接至基于IP 的以太网局域网，使得串口设备轻松接入网络，通信主机可从任何地点通过本地局域网直接访问NPort 串口服务器。这种方案确保原有通信软件不做任何改动，并能充分享受联网串口服务器带来的优势，如图1 所示。

图1 单机组网

3 基于IP 的以太网串口服务器组网方式

NPort 串口设备联网服务器，可以在串口和以太网界面间轻易地执行双向数据的传输，实现PLC、仪表、智能IED 设备和传感器等RS-232/422/485 串口设备连接至基于IP 的以太网组网方式。NPort 串口服务器支持标准TCP/IP 协议和多种操作模式，通过其附带的Real COM/TTY 驱动程序管理现有通信软件，迅速将基于COM/TTY 端口的通信软件无缝集成到TCP/IP 网络中，以及通过TCP/IP 或传统COM/TTY 端口远程控制串口设备。

Real COM/TTY 模式旨在允许通信主机将NPort串行端口视为本地COM 端口，可用于创建从本地COM 端口到NPort 串行端口的透明数据隧道。

通信主机分布在网络存在的任何地方，不限于设备机房，通信主机和串口服务器的IP 地址必须设在同一网段，通信主机通过网络交换机，选择网络上的某台串口服务器的某个串口，从而实现与终端设备或其他系统之间的数据传输[4]。

石堤水电站厂站层两台通信主机采用上述基于IP 的以太网串口服务器组网方式，完成了与众多电能量仪表及采集终端（IEC102 协议）、集控中心（CDT协议）之间串口通信，其组网方式如图2 所示。

图2 多机组网

4 结语

基于IP 的以太网串口服务器组网方式，利用TCP/IP 传输的优势，妥善解决串口通信与网络通信融合的壁垒，提供灵活易行且稳定的数据传输服务，保证串口设备与通信主机间的通信质量，在水电站任何存在以太网LAN 的地方，都可以就近布置NPort 串口服务器，接入分散的串口设备，借助以太网LAN 有效解决串口传输距离短的弱点。在国产化过程中主机、操作系统等软硬件适配性较差的情况下，能够保证原有通信软件不做任何改动，即可简单可靠地接入原有的串口设备或系统，为类似水电站的国产化过程中串口通信设计改造提供借鉴。