基于組態(tài)軟件的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與火災(zāi)報警子系統(tǒng)通信協(xié)議研究*

陳瑞峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

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基于組態(tài)軟件的城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)與火災(zāi)報警子系統(tǒng)通信協(xié)議研究*

陳瑞峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)中，火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)是重要的子系統(tǒng)之一。在現(xiàn)場工程實踐中，由于各個廠家設(shè)備的特殊性，不具備通用的通信協(xié)議與驅(qū)動，導(dǎo)致組態(tài)監(jiān)控軟件無法與設(shè)備進行直接通信，因此需要進行定制化開發(fā)。提出了一種基于組態(tài)軟件的ISCS與火災(zāi)報警子系統(tǒng)的通信協(xié)議，對通信流程進行了介紹，并對報文幀結(jié)構(gòu)進行了分析研究。這一通信協(xié)議實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)與報警子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通，可實時反饋報警信息，效果良好。

組態(tài)軟件； 城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)； 火災(zāi)報警系統(tǒng)； 通信

軌道交通車輛等裝備的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化已被列為上海市工業(yè)發(fā)展的重點[1]。在不斷對車輛等硬件設(shè)備進行研發(fā)的同時，更應(yīng)加強對整體系統(tǒng)監(jiān)控軟實力的提升。其中，城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)是重要組成部分，通過專用接口,集成或互聯(lián)了軌道交通中的眾多專業(yè)自動化子系統(tǒng)，如電力監(jiān)控系統(tǒng)(PSCADA)、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)、火災(zāi)報警系統(tǒng)(FAS)等。利用統(tǒng)一的信息平臺對各專業(yè)子系統(tǒng)進行全面監(jiān)控,實現(xiàn)各系統(tǒng)之間信息的無障礙交互和各子系統(tǒng)之間的有效聯(lián)動[2-3],從而保證軌道交通能安全高效運行,為城市軌道交通現(xiàn)代化管理提供信息化基礎(chǔ)。

由于許多子系統(tǒng)有特殊性，因此需要對通信驅(qū)動進行定制化開發(fā)。實踐中，以能美FAS為基礎(chǔ)，通過各種傳感器將火災(zāi)信號傳輸至火災(zāi)監(jiān)控中心主機，監(jiān)控中心主機按設(shè)計程序聯(lián)動自動噴淋、緊急廣播、火災(zāi)電話等子系統(tǒng)，并與閉路電視系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等實現(xiàn)聯(lián)鎖控制，從而將火災(zāi)的損失降到最小[4]。

筆者對通信驅(qū)動的實現(xiàn)方法及ISCS通信過程進行了研究，解決了ISCS與子系統(tǒng)不兼容的問題，彌補了現(xiàn)有平臺軟件的不足。

1 ISCS與火災(zāi)報警子系統(tǒng)

ISCS多采用三級控制的分層分布結(jié)構(gòu)，由中心級綜合監(jiān)控系統(tǒng)、車站級(車輛段)綜合監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由主干網(wǎng)與局域網(wǎng)組成，每個車站的監(jiān)控信息先由車站級局域網(wǎng)傳輸至主干網(wǎng),再通過主干網(wǎng)傳輸至控制中心,進而實現(xiàn)多層次多系統(tǒng)的綜合監(jiān)控。作為綜合監(jiān)控系統(tǒng)核心的軟件系統(tǒng),按照功能邏輯可分為三層： 數(shù)據(jù)接口層、數(shù)據(jù)處理層及人機接口層[5]，如圖1所示。

圖1 ISCS軟件系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

組態(tài)軟件可針對ISCS進行專業(yè)化開發(fā)，為用戶提供針對數(shù)據(jù)采集及過程控制的專業(yè)開發(fā)環(huán)境和系統(tǒng)運行環(huán)境。上海電氣集團股份有限公司的NetControl是一款針對多行業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的組態(tài)開發(fā)工具，可在軌道交通中實現(xiàn)ISCS所需要的相應(yīng)界面及圖形工具。

ISCS接收FAS監(jiān)控對象的主要運行狀態(tài)，包括火災(zāi)報警或重要系統(tǒng)報警，并顯示具體報警部位。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，車站級FAS直接向BAS發(fā)送模式指令，并上傳至ISCS，監(jiān)視FAS發(fā)出的火災(zāi)模式及BAS執(zhí)行的結(jié)果狀態(tài)，根據(jù)火災(zāi)模式，啟動廣播系統(tǒng)進入消防廣播狀態(tài)，然后進行火災(zāi)報警及故障數(shù)據(jù)的存儲。系統(tǒng)還具有報警信息、狀態(tài)信息的報表分類查詢及打印功能。

2 FAS通信架構(gòu)

火災(zāi)信息探測與數(shù)據(jù)處理方式、火災(zāi)探測器與火災(zāi)報警控制器之間的配合,決定著FAS的功能與結(jié)構(gòu)形式,能美R-23系列FAS采用分布智能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。分布智能系統(tǒng)中的火災(zāi)探測器,僅為火災(zāi)傳感器,無論煙霧影響有多大,探測器本身并不報警,而是將煙霧影響產(chǎn)生的電流電壓變化信號通過編碼電路傳送至區(qū)域消防主機,再由主機內(nèi)置軟件進行探測器信號與大量典型信號的比較，產(chǎn)生一系列報警信號和控制動作。這樣的處理方式能夠大大降低誤報率,提高可靠性[7]。

圖2 能美FAS結(jié)構(gòu)示意圖

通過定時掃描發(fā)送數(shù)據(jù)表，通信軟件能夠?qū)⒂蓤D形監(jiān)控軟件下發(fā)的數(shù)據(jù)迅速發(fā)送至指定的FAS。通過實時掃描各FAS設(shè)備的通信端口，通信軟件可以快速取得各個FAS上傳的數(shù)據(jù)，通過格式轉(zhuǎn)換后立即上傳至數(shù)據(jù)庫，供圖形監(jiān)控管理軟件讀取處理。整個系統(tǒng)是綜合集成不同F(xiàn)AS的監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了不同種類FAS信息的共享，降低對計算機硬件設(shè)備的需求，多個不同種類FAS只需使用一臺監(jiān)控計算機。

組態(tài)軟件中通信驅(qū)動的開發(fā)與開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境高度相關(guān)，通信驅(qū)動需要讀取用戶配置，并根據(jù)用戶配置與具體協(xié)議形成報文格式和解析方式。在組態(tài)軟件中，用戶進行輸入輸出接口配置時需要選擇與現(xiàn)場實際要求相符的通信方式。串口通信需要設(shè)置端口號、波特率、校驗位和數(shù)據(jù)位等信息，要針對實際情況進行具體設(shè)置。在通信驅(qū)動開發(fā)中，可以通過開發(fā)環(huán)境的開放接口進行可擴展應(yīng)用程序標(biāo)記語言(XAML)的設(shè)計，效果如圖3所示。

圖3 用戶設(shè)備信息配置界面

3 ISCS與火災(zāi)報警子系統(tǒng)通信協(xié)議解析

火災(zāi)報警子系統(tǒng)具備的功能包括當(dāng)前和歷史的報警、故障信息查詢，監(jiān)測點現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢，消防設(shè)備、防火分區(qū)查詢，設(shè)備布點信息瀏覽等。能美設(shè)備的接口軟件對外通信端口配置(GTW)服務(wù)模塊用于顯示GTW的類型、通信參數(shù)、開啟狀態(tài)、故障狀態(tài)和數(shù)據(jù)通信等?；馂?zāi)報警子系統(tǒng)通信流程如圖4所示。

圖4 火災(zāi)報警子系統(tǒng)通信流程

通信連接過程的實現(xiàn)方法如下： 首先重寫底層的連接方法[8-11]，然后再做一個通信標(biāo)志位，用于驗證通信連接進入第幾步，同時指定回復(fù)信息的格式要求，最后在對應(yīng)的服務(wù)方法中進行具體格式要求的解析，完成連接確認(rèn)。具體編碼如下：

protected override ExecutionResult Connect()

{

ExecutionResult newConnect=new ExecutionResult();

if(connectMask==false)

{

CommandInfo InitcmdInfo1=new CommandInfo() {Content=mProtocol.InitPackage()};

ResponseInfo responseInfo1=new ResponseInfo()

{

ResponseType=ResponseType.L,Length=5,

};

InitConnect.Add(InitcmdInfo1, responseInfo1);

var conresult_Init=base.GetServiceResult(InitConnect, “InitPackage”);

if(conresult_Init!=null)

{

if((bool)(conresult_Init))

{

newConnect.IsSucceed=true;

Send(mProtocol.ACKbag());

}

else

{

newConnect.IsSucceed=false;

Send(mProtocol.NAKbag());

}

}

else

{

newConnect.IsSucceed=false;

newConnect.Message=Resources.ErrCheck;

}

}

圖4中ACK(肯定應(yīng)答)包與NAK(否定應(yīng)答)包的具體格式見表1。

表1 應(yīng)谷數(shù)據(jù)包幀格式

能美FAS的通信幀格式分為讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包信息編碼統(tǒng)一為D，稱為DATA包，控制包信息編碼統(tǒng)一為C，稱為CTL包，報文幀標(biāo)準(zhǔn)格式見表2。

表2 報文幀標(biāo)準(zhǔn)格式

表2中的設(shè)備編碼包括接口模塊號和設(shè)備所屬系統(tǒng)信息，在圖3所示設(shè)備參數(shù)中有具體體現(xiàn)。此外，報文幀中還包括模擬或數(shù)字檢測量的長度、相關(guān)數(shù)值，以及具體時間和備注信息。

在通信過程中，設(shè)備先向ISCS發(fā)送PING包,用于定時確認(rèn)信息，PING包的幀格式見表3。當(dāng)串口成功打開后，系統(tǒng)發(fā)送INIT(初始化)包，其幀格式見表4。基于外部應(yīng)用系統(tǒng)要求，GTW模塊可以發(fā)送當(dāng)前現(xiàn)場狀態(tài)信息，支持兩種發(fā)送級別，其中I級發(fā)送所有實時報警、故障、動作和狀態(tài)信息，F(xiàn)級僅發(fā)送實時報警信息，缺省設(shè)置為F級。

表3 PING包幀格式

表4 INIT包幀格式

組態(tài)軟件實現(xiàn)發(fā)送幀的方式有兩種： 一種是直接建立Byte數(shù)組，逐個字節(jié)添加；另一種是直接建立String類型的字符串，然后再單獨另寫方法將其轉(zhuǎn)換為Byte數(shù)組。

當(dāng)監(jiān)控中心與FAS的通信成功連接后，F(xiàn)AS設(shè)備將發(fā)送數(shù)據(jù)信息幀D002 02 1013 0 004 02 05 20050421 103607 T9N，其具體含義見表5。

表5 數(shù)據(jù)幀具體含義

通過人機接口可以在屏幕上直接進行控制操作，改變運行狀態(tài)，系統(tǒng)將傳回的信息直觀地在屏幕上顯示出來。接收到報文后，工作人員可方便讀取狀態(tài)信息及所對應(yīng)的時間信息。FAS規(guī)定了探測器和終端設(shè)備之間不同狀態(tài)編碼的具體含義，其中004對應(yīng)的功能碼為報警類型，報文含義為2號主機，地址1-013，報警號05，發(fā)生時間2005-04-21 10： 36： 07。

發(fā)生報警時，F(xiàn)AS直接向BAS發(fā)送模式指令，并上傳ISCS，通知系統(tǒng)廣播播放信息。不同狀態(tài)編碼對應(yīng)不同的信息含義，在具體實踐中，可將狀態(tài)編碼作為整個系統(tǒng)監(jiān)測點的點表來使用。

表5中N表示正常信息，對CTL包備注編碼，固定為字符N。T9為校驗和的數(shù)值。若報文解析正確，ISCS會發(fā)送ACK包，表示信息接收成功。相反，如數(shù)據(jù)包解析不正確，則認(rèn)為通信失敗，回復(fù)NAK包。若6次連續(xù)接收到NAK包或超過500ms 未接收到任何包，則系統(tǒng)認(rèn)為通信結(jié)束。

組態(tài)軟件需對發(fā)送的報文進行具體解析，其中重要的一個環(huán)節(jié)就是判斷狀態(tài)編碼。首先遍歷整個寄存器列表，然后判斷狀態(tài)編碼是否一致，如果一致，那么將對應(yīng)的值寫入相應(yīng)的寄存器中，其效果如圖5所示。

圖5 火災(zāi)報警子系統(tǒng)讀取報警信息

基于上述原理及實現(xiàn)方式，可利用FAS的對外串行數(shù)據(jù)通信接口,實現(xiàn)監(jiān)控終端系統(tǒng)對子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)。通過分析FAS的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,可在上傳至ISCS的數(shù)據(jù)中獲得報警部位、報警類型、系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障信息、工作記錄等關(guān)鍵信息，便于監(jiān)控室相關(guān)工作人員使用。

4 結(jié)束語

ISCS與車站FAS的通信至今仍未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且沒有成熟的解決方案，眾多廠家的設(shè)備不能實現(xiàn)互通互聯(lián)。為解決設(shè)備與ISCS之間的通信，通過對用戶配置信息進行讀取和建立幀格式，并與軟件接口配合,妥善解決了工程實施中的個性化通信驅(qū)動問題。筆者基于能美設(shè)備實現(xiàn)了FAS與ISCS間的通信，介紹了整個通信流程，有效解決了平臺與子系統(tǒng)間不兼容的問題。當(dāng)然，筆者所述實現(xiàn)方式也有一定適用范圍，且存在繼續(xù)改善的空間，這些需要在后期工程中不斷驗證與完善。

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(編輯： 啟 德)

In ISCS, the FAS is one of the important subsystems. In the field engineering practice, due to the specificity of equipment coming from various manufacturers, it is not available to have a common communication protocol and drive, as a result, the configuration monitoring software can not communicate directly with the equipment and it needs to be built to order. presented a communication protocol between ISCS and FAS based on configuration software with an introduction on the communication process and analytical study of the frame structure of the message. This communication protocol realizes the data intercommunication between ISCS and FAS while feeding back the alarm information in real time and its function is good.

Configuration Software； ISCS； FAS； Communication

2016年12月

陳瑞峰(1988— )，男，碩士，助理工程師，主要從事通信協(xié)議研究及通信驅(qū)動開發(fā)工作， E-mail： chenrf2@shanghai-electric.com

TM-9；TP393.04

A

1674-540X(2017)02-005-05

*上海市科學(xué)技術(shù)委員會企業(yè)合作專項(編號： 15dz1180400)