通信及監(jiān)控一體化的變電所通信管理裝置方案

包素麗，范三龍，張 林

0 引言

高速鐵路及城市軌道交通系統(tǒng)是一種高密度、大運(yùn)量的交通系統(tǒng)，必須保證其高度的安全性和可靠性，而各個(gè)變配電所內(nèi)負(fù)責(zé)提取、解析與轉(zhuǎn)發(fā)站內(nèi)各個(gè)基層單元信號(hào)的通信管理裝置，以及站內(nèi)監(jiān)控綜合自動(dòng)化系統(tǒng)則為整個(gè)軌道交通的安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線、快速工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，和以往常規(guī)通信管理裝置和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)相比軌道交通具有更高標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]，無人執(zhí)守、站內(nèi)監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化管理[2]是國內(nèi)牽引、軌道交通自動(dòng)化發(fā)展的必然結(jié)果。

目前國內(nèi)綜合自動(dòng)化運(yùn)營中存在以下問題：

（1）比較成熟的站內(nèi)通信管理裝置模式單一，管理裝置只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集與轉(zhuǎn)發(fā)，主流的管理裝置硬件平臺(tái)多采用普通的32位單片機(jī)，不易擴(kuò)展，且配置模式及硬件選型不能滿足與地鐵用戶大資源相兼容的要求。

（2）站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)多為一臺(tái)工控機(jī)配以監(jiān)控軟件構(gòu)成，該監(jiān)控系統(tǒng)需要專門配以監(jiān)控盤，實(shí)際運(yùn)行中，已經(jīng)多次出現(xiàn)了后臺(tái)監(jiān)控機(jī)由于人為和監(jiān)控機(jī)本身等原因?qū)е掳c瘓不能正常工作的情況，嚴(yán)重影響了變配電站的整體運(yùn)行[3]，因此，尋找一種快速、簡便、安全的監(jiān)控系統(tǒng)方案，快速消除軟件故障，及時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，已成為變電所計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的主要目標(biāo)之一。

本文公開了一種集通信、監(jiān)控一體化的通信管理裝置實(shí)施方案：該方案應(yīng)用于牽引、軌道交通變配電所的通信管理裝置，配置了高性能的CPU和大容量的存儲(chǔ)器，集成了通信轉(zhuǎn)發(fā)和所內(nèi)監(jiān)控功能，彌補(bǔ)了現(xiàn)有管理裝置硬件容量、性能及后臺(tái)監(jiān)控運(yùn)營維護(hù)過程中技術(shù)的不足，該方案在硬件平臺(tái)選型、實(shí)現(xiàn)通信管理裝置和所內(nèi)監(jiān)控合一做了很大的改進(jìn)。

1 方案實(shí)施

該方案實(shí)現(xiàn)的通信及監(jiān)控一體化的變電所通信管理裝置的軟、硬件平臺(tái)類似于工控機(jī)，安裝當(dāng)?shù)乇O(jiān)控軟件后，在通信管理的基礎(chǔ)上，同時(shí)構(gòu)成當(dāng)?shù)乇O(jiān)控雙機(jī)系統(tǒng)。變、配電所內(nèi)可以省去單獨(dú)的監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)該裝置區(qū)別于普通工控機(jī)的設(shè)計(jì)，無需風(fēng)扇，沒有機(jī)械硬盤，硬件更加可靠。軟件系統(tǒng)區(qū)只讀，每次開機(jī)都是原始的系統(tǒng)，徹底提升了病毒防護(hù)能力，使得系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)簡單。

硬件平臺(tái)選型：SOM-EXT系列嵌入式模塊加擴(kuò)展板。標(biāo)準(zhǔn) X86架構(gòu)，內(nèi)存和主頻高。具備豐富的接口如 USB、IDE、VGA等。可以輕易實(shí)現(xiàn)大容量的固態(tài)存儲(chǔ)。由于具備400個(gè)擴(kuò)展引腳，所有接口都可方便引出。包括IDE、LCD等需要很多引線的接口。該平臺(tái)構(gòu)架可以方便地?cái)U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)、串行口、開入、開出等基本的、必須的接口，可以滿足通信管理裝置的基本功能需求。母板上設(shè)計(jì)有雙機(jī)切換電路，電路通過硬件節(jié)點(diǎn)互鎖及軟件控制實(shí)現(xiàn)雙CPU互為備用機(jī)。

下面對(duì)該方案的硬件設(shè)計(jì)、裝置模件組成、功能原理等方面作進(jìn)一步描述。

1.1 硬件選型

在管理裝置選型時(shí)，有2個(gè)要求：滿足地鐵用戶大資源的要求，即內(nèi)存不低于128 M，主頻不低于500 M，固態(tài)存儲(chǔ)2 G；實(shí)現(xiàn)通信管理裝置和所內(nèi)監(jiān)控合一。即要把當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)的功能嵌入到管理裝置中。為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)控合一，系統(tǒng)平臺(tái)必須有高主頻、大存儲(chǔ)，以及方便易用的圖形顯示接口。需要指出的是，同主頻的單片機(jī)和 X86處理器的處理能力是有巨大差別的。由于單片機(jī)需要在一片MCU（微控制器）里面集成很多擴(kuò)展功能，而X86架構(gòu)是由通用處理器（CPU）、北橋、南橋等多個(gè)芯片共同完成，不言而喻，單片機(jī)的處理能力和X86架構(gòu)的嵌入式平臺(tái)是無法比擬的。X86嵌入式平臺(tái)就是PC機(jī)的嵌入式、工業(yè)化版本。比PC機(jī)體積小、功耗低，可以適應(yīng)工業(yè)化應(yīng)用的嚴(yán)酷環(huán)境。最終方案選擇了研華的SOM-ETX產(chǎn)品，具體配置是：SOM4455，主頻相當(dāng)于Intel 800 M，內(nèi)存512 M～1 G DDR，固態(tài)存儲(chǔ)（2～8）G。擴(kuò)展4路USB2.0接口、10路RS232C接口和4路10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，以太網(wǎng)光纖接口可選。在管理裝置整體結(jié)構(gòu)上，采用標(biāo)準(zhǔn)4U機(jī)箱，雙機(jī)熱備用。優(yōu)點(diǎn)是配置靈活、工作可靠。

1.2 載板設(shè)計(jì)

選定SOM-ETX為核心板后，還必須設(shè)計(jì)合適的載板，用以把核心板上的各種接口擴(kuò)展出去，同時(shí)增加需要的各種周邊設(shè)備。SOM4455集成了 1路百兆以太網(wǎng)控制器（LAN Controller），載板需要相應(yīng)的總線接口電路，將該接口擴(kuò)展出去。82551IT是一款工業(yè)級(jí)的10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片，除了具備INTEL公司一貫的高品質(zhì)外，還具有以下有助于應(yīng)用的特點(diǎn)：

（1）支持VLAN，在1路物理以太網(wǎng)口上，支持多個(gè)虛擬 VLAN以太網(wǎng)接口，對(duì)于地鐵復(fù)雜的組網(wǎng)模式，非常有利。

（2）支持多種CPU負(fù)荷分載，對(duì)于TCP分段、IP校驗(yàn)和生成、TCP校驗(yàn)和生成、接收數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)和驗(yàn)算等大開銷的計(jì)算工作，都可以由芯片完成，從而分擔(dān)了CPU的計(jì)算量，提高了系統(tǒng)的總體性能。

（3）SOM4455上集成了2路串行接口（UARTs COM1/COM2），載板需要相應(yīng)的總線接口電路，將該接口擴(kuò)展出去。設(shè)計(jì)中還需要另外 8路RS232/485串行接口，選擇 EXAR公司的ST16C554DIQ64 UART異步串行通信控制芯片。16C554是一款非常流行及成熟的4串口芯片，每路發(fā)送和接收分別具備16字節(jié)的FIFO，最高支持1.5 Mb/s的收發(fā)速率。載板上由2片16C554，配合周邊回路，構(gòu)成8路擴(kuò)展RS232/485串行接口。

（4）SOM4455上集成了1路VGA顯示接口，1路LCD/LVDS液晶顯示接口，載板需要相應(yīng)的總線接口電路，將該接口擴(kuò)展出去。管理裝置的顯示方案有2種：a.外置標(biāo)準(zhǔn)顯示器；b.面板上內(nèi)置液晶顯示器。在載板上有相應(yīng)的接口回路，分別支持這2種顯示方式。SOM4455上還集成了音頻控制器、鍵盤鼠標(biāo)控制器、USB控制器等，載板上需要有相應(yīng)的接口回路，將這些接口擴(kuò)展出去。

1.3 ISA總線擴(kuò)展

在管理裝置的開入開出（DI/DO）設(shè)計(jì)中，采用了 ISA總線擴(kuò)展方案。ISA總線：(Industry Standard Architecture：工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)）是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標(biāo)準(zhǔn)，為16位體系結(jié)構(gòu)，只能支持16位的I/O設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸率大約是8 Mb/s，也稱為AT標(biāo)準(zhǔn)。ISA總線基于ISA的接口電路，其布線要求遠(yuǎn)沒有PCI或USB接口板高。設(shè)計(jì)簡便，調(diào)試簡單。由于它能夠提供 16位I/O操作，對(duì)I/O的直接讀寫可以完全不考慮復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，因而對(duì)于數(shù)據(jù)吞吐量不大的外設(shè)，在ISA總線上開發(fā)接口電路是優(yōu)選方案之一。尤其在工業(yè)控制領(lǐng)域，一些成熟的ISA外設(shè)、擴(kuò)展卡等，由于工作可靠，價(jià)格便宜，得到了廣泛應(yīng)用。

1.4 PCI總線擴(kuò)展

PCI總線（Peripheral Component Interconnct Special Interest Group），即外圍部件互聯(lián)專業(yè)組，簡稱PCISIG。是由Intel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等100多家公司于1991年共同推出的一種局部總線，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)及工業(yè)控制電腦中。PCI采用數(shù)據(jù)線和地址線復(fù)用結(jié)構(gòu)，減少了總線引腳數(shù)，從而可節(jié)省線路空間，降低設(shè)計(jì)成本。PCI標(biāo)準(zhǔn)允許PCI局部總線擴(kuò)展卡和元件進(jìn)行自動(dòng)配置，提供了即插即用的能力。SOM4455具備 PCI總線接口，總線接口符號(hào) PCI 2.2標(biāo)準(zhǔn)（PCI Local Bus Specification，Revision 2.2）。SOM4455集成的以太網(wǎng)占用1路PCI槽位，還可以提供4個(gè)擴(kuò)展PCI槽位。在管理裝置的設(shè)計(jì)中，3路擴(kuò)展以太網(wǎng)分別使用了PCI的3個(gè)槽位擴(kuò)展。

1.5 裝置模件組成

通信管理裝置由機(jī)箱及各種功能模件組成。其中，除面板模件安裝在前面板外，其他功能模件都采用背插式安裝。CPU模件、母板和電源模件為必選模件，串口模件、事故音響模件、KVM模件、GPS模件等在內(nèi)的其他模件，可根據(jù)功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的 8個(gè)插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構(gòu)成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，該裝置硬件配置如圖1所示。

圖1 硬件配置圖

（1）CPU模件設(shè)計(jì)。采用工業(yè)級(jí)ETX模塊加載板構(gòu)成。配置可隨市場(chǎng)升級(jí)。含1路USB2.0接口、1路RS232C調(diào)試口和4路 10/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，以太網(wǎng)光纖接口可選。以太網(wǎng)口1和2一般用于所內(nèi)通信，構(gòu)成雙網(wǎng)備用。以太網(wǎng)口3和4一般用于遠(yuǎn)動(dòng)通信，支持多個(gè)調(diào)度，支持雙通道備用。USB接口兼容2.0和1.0標(biāo)準(zhǔn)，用于接入普通USB外設(shè)，包括U盤，移動(dòng)硬盤等。CPU模件另具有4路USB接口，通過KVM板引出。1路內(nèi)部 RS232C串行口，用于連接 GPS模件。8路RS232C/485串行口，用2塊串口板引出。

（2）面板模件設(shè)計(jì)。面板有液晶和無液晶版本。當(dāng)需要小的顯示界面時(shí)，采用液晶面板，觸摸屏圖形操作界面。當(dāng)需要大的顯示界面時(shí)，使用無液晶面板，外接獨(dú)立顯示器、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤和鼠標(biāo)。如果只做通信管理裝置使用，可以取消顯示接口。無液晶面板上面只有少量的運(yùn)行、故障等指示燈。

（3）KVM 模件設(shè)計(jì)。提供 4路 USB2.0/1.0兼容接口，1路標(biāo)準(zhǔn)VGA顯示器接口，1路音箱插孔。內(nèi)置顯示、USB等接口雙路切換功能。顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)通過切換連接到雙CPU上。具備手動(dòng)、自動(dòng)切換功能。USB接口用于連接鼠標(biāo)、鍵盤等外設(shè)，VGA接口用于外接顯示器。

2 配置方案

2.1 地鐵項(xiàng)目的典型配置

典型配置取消了串口和GPS插件，含雙CPU，事故音響、KVM，采用無液晶面板，外接標(biāo)準(zhǔn)顯示器和鍵盤鼠標(biāo)。如果僅僅作為通信管理裝置，可以不需要顯示，取消KVM板和外接的鍵盤鼠標(biāo)顯示器。兩塊規(guī)約轉(zhuǎn)換板用于接入所內(nèi)的智能裝置，或用于單網(wǎng)到雙網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。

2.2 牽引所的典型配置

牽引所（含變電所、開閉所等）配置串口板用于接入其他廠家的智能設(shè)備，含雙 CPU，事故音響、KVM，采用無液晶面板，外接標(biāo)準(zhǔn)顯示器和鍵盤鼠標(biāo)。無人值守分區(qū)所可以采用含液晶面板，取消KVM，顯示器和鍵盤鼠標(biāo)。管理裝置含當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)功能，變電所、開閉所等無需配置單獨(dú)的當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)。

3 方案實(shí)施效果

集通信及監(jiān)控一體化的變電所通信管理裝置方案在牽引供電、城市軌道交通綜合自動(dòng)化領(lǐng)域里進(jìn)行了大容量高性能、通信、監(jiān)控一體化等多種創(chuàng)新，與時(shí)下幾大主流綜合自動(dòng)化系統(tǒng)廠家的通信管理裝置相比有明顯優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和通信管理一體化設(shè)計(jì)，更適合無人值守變電所使用和維護(hù)；集成度高，便于實(shí)現(xiàn)通信資源共享，外部接線簡單，安全可靠，處理能力領(lǐng)先同類產(chǎn)品；軟硬件模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活定制，便于工程實(shí)施及維護(hù)和升級(jí)，為無人值班牽引變電所提供了完善的綜合自動(dòng)化解決方案。

該方案產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在多條電氣化鐵路，同時(shí)在南京地鐵、沈陽地鐵、深圳地鐵、天津地鐵、蘇州地鐵等城市軌道交通供電SCADA系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本文闡述了一種集通信、監(jiān)控一體化的通信管理機(jī)方案，在一個(gè)機(jī)箱里，當(dāng)?shù)乇O(jiān)控和通信管理一體化設(shè)計(jì)，大資源，嵌入式操作系統(tǒng)，滿足實(shí)時(shí)性要求，具備良好的移植性和維護(hù)性，集成度高、外部接線簡單，軟硬件模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活定制，便于工程實(shí)施及維護(hù)和升級(jí)，高性能的軟硬件平臺(tái)兼容了電氣化鐵路及軌道交通大容量復(fù)雜通信的要求，在目前牽引及地鐵項(xiàng)目大力發(fā)展的背景下，必將創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李為為.城市軌道交通調(diào)度指揮智能集成系統(tǒng)研究[D].北京交通大學(xué)，2006.

[2]趙望達(dá).高速鐵路安全監(jiān)控和信息傳輸系統(tǒng)的研究[J].中國鐵路，2004，（8）.

[3]賈利民，張錫第，蔡秀生，等.鐵路運(yùn)輸自動(dòng)化—現(xiàn)狀，問題與挑戰(zhàn)[A].1994年中國控制會(huì)議論文集[C].1994.