通信及監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是一種高密度、大運量的交通系統，必須保證其高度的安全性和可靠性，而各個變配電所內負責提取、解析與轉發站內各個基層單元信號的通信管理裝置，以及站內監控綜合自動化系統則為整個軌道交通的安全運行提供了基礎保證。隨著計算機技術、現場總線、快速工業以太網等技術的飛速發展和廣泛應用，和以往常規通信管理裝置和綜合自動化系統相比軌道交通具有更高標準的要求[1]，無人執守、站內監控和網絡化管理[2]是國內牽引、軌道交通自動化發展的必然結果。

目前國內綜合自動化運營中存在以下問題：

（1）比較成熟的站內通信管理裝置模式單一，管理裝置只負責數據收集與轉發，主流的管理裝置硬件平臺多采用普通的32位單片機，不易擴展，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）站內監控系統多為一臺工控機配以監控軟件構成，該監控系統需要專門配以監控盤，實際運行中，已經多次出現了后臺監控機由于人為和監控機本身等原因導致癱瘓不能正常工作的情況，嚴重影響了變配電站的整體運行[3]，因此，尋找一種快速、簡便、安全的監控系統方案，快速消除軟件故障，及時恢復系統的正常運行，已成為變電所計算機監控系統運行維護的主要目標之一。

本文公開了一種集通信、監控一體化的通信管理裝置實施方案：該方案應用于牽引、軌道交通變配電所的通信管理裝置，配置了高性能的CPU和大容量的存儲器，集成了通信轉發和所內監控功能，彌補了現有管理裝置硬件容量、性能及后臺監控運營維護過程中技術的不足，該方案在硬件平臺選型、實現通信管理裝置和所內監控合一做了很大的改進。

1 方案實施

該方案實現的通信及監控一體化的變電所通信管理裝置的軟、硬件平臺類似于工控機，安裝當地監控軟件后，在通信管理的基礎上，同時構成當地監控雙機系統。變、配電所內可以省去單獨的監控系統。同時該裝置區別于普通工控機的設計，無需風扇，沒有機械硬盤，硬件更加可靠。軟件系統區只讀，每次開機都是原始的系統，徹底提升了病毒防護能力，使得系統后續維護簡單。

硬件平臺選型：SOM-EXT系列嵌入式模塊加擴展板。標準 X86架構，內存和主頻高。具備豐富的接口如 USB、IDE、VGA等?？梢暂p易實現大容量的固態存儲。由于具備400個擴展引腳，所有接口都可方便引出。包括IDE、LCD等需要很多引線的接口。該平臺構架可以方便地擴展網絡、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。母板上設計有雙機切換電路，電路通過硬件節點互鎖及軟件控制實現雙CPU互為備用機。

下面對該方案的硬件設計、裝置模件組成、功能原理等方面作進一步描述。

1.1 硬件選型

在管理裝置選型時，有2個要求：滿足地鐵用戶大資源的要求，即內存不低于128 M，主頻不低于500 M，固態存儲2 G；實現通信管理裝置和所內監控合一。即要把當地監控系統的功能嵌入到管理裝置中。為了實現監控合一，系統平臺必須有高主頻、大存儲，以及方便易用的圖形顯示接口。需要指出的是，同主頻的單片機和 X86處理器的處理能力是有巨大差別的。由于單片機需要在一片MCU（微控制器）里面集成很多擴展功能，而X86架構是由通用處理器（CPU）、北橋、南橋等多個芯片共同完成，不言而喻，單片機的處理能力和X86架構的嵌入式平臺是無法比擬的。X86嵌入式平臺就是PC機的嵌入式、工業化版本。比PC機體積小、功耗低，可以適應工業化應用的嚴酷環境。最終方案選擇了研華的SOM-ETX產品，具體配置是：SOM4455，主頻相當于Intel 800 M，內存512 M～1 G DDR，固態存儲（2～8）G。擴展4路USB2.0接口、10路RS232C接口和4路10/100 M自適應以太網口，以太網光纖接口可選。在管理裝置整體結構上，采用標準4U機箱，雙機熱備用。優點是配置靈活、工作可靠。

1.2 載板設計

選定SOM-ETX為核心板后，還必須設計合適的載板，用以把核心板上的各種接口擴展出去，同時增加需要的各種周邊設備。SOM4455集成了 1路百兆以太網控制器（LAN Controller），載板需要相應的總線接口電路，將該接口擴展出去。82551IT是一款工業級的10/100 M自適應以太網芯片，除了具備INTEL公司一貫的高品質外，還具有以下有助于應用的特點：

（1）支持VLAN，在1路物理以太網口上，支持多個虛擬 VLAN以太網接口，對于地鐵復雜的組網模式，非常有利。

（2）支持多種CPU負荷分載，對于TCP分段、IP校驗和生成、TCP校驗和生成、接收數據包的校驗和驗算等大開銷的計算工作，都可以由芯片完成，從而分擔了CPU的計算量，提高了系統的總體性能。

（3）SOM4455上集成了2路串行接口（UARTs COM1/COM2），載板需要相應的總線接口電路，將該接口擴展出去。設計中還需要另外 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，每路發送和接收分別具備16字節的FIFO，最高支持1.5 Mb/s的收發速率。載板上由2片16C554，配合周邊回路，構成8路擴展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，載板需要相應的總線接口電路，將該接口擴展出去。管理裝置的顯示方案有2種：a.外置標準顯示器；b.面板上內置液晶顯示器。在載板上有相應的接口回路，分別支持這2種顯示方式。SOM4455上還集成了音頻控制器、鍵盤鼠標控制器、USB控制器等，載板上需要有相應的接口回路，將這些接口擴展出去。

1.3 ISA總線擴展

在管理裝置的開入開出（DI/DO）設計中，采用了 ISA總線擴展方案。ISA總線：(Industry Standard Architecture：工業標準體系結構）是IBM公司為PC/AT電腦而制定的總線標準，為16位體系結構，只能支持16位的I/O設備，數據傳輸率大約是8 Mb/s，也稱為AT標準。ISA總線基于ISA的接口電路，其布線要求遠沒有PCI或USB接口板高。設計簡便，調試簡單。由于它能夠提供 16位I/O操作，對I/O的直接讀寫可以完全不考慮復雜的驅動程序和應用程序，因而對于數據吞吐量不大的外設，在ISA總線上開發接口電路是優選方案之一。尤其在工業控制領域，一些成熟的ISA外設、擴展卡等，由于工作可靠，價格便宜，得到了廣泛應用。

1.4 PCI總線擴展

PCI總線（Peripheral Component Interconnct Special Interest Group），即外圍部件互聯專業組，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，廣泛應用于計算機及工業控制電腦中。PCI采用數據線和地址線復用結構，減少了總線引腳數，從而可節省線路空間，降低設計成本。PCI標準允許PCI局部總線擴展卡和元件進行自動配置，提供了即插即用的能力。SOM4455具備 PCI總線接口，總線接口符號 PCI 2.2標準（PCI Local Bus Specification，Revision 2.2）。SOM4455集成的以太網占用1路PCI槽位，還可以提供4個擴展PCI槽位。在管理裝置的設計中，3路擴展以太網分別使用了PCI的3個槽位擴展。

1.5 裝置模件組成

通信管理裝置由機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模件等在內的其他模件，可根據功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的 8個插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構成雙機熱備系統，該裝置硬件配置如圖1所示。

圖1 硬件配置圖

（1）CPU模件設計。采用工業級ETX模塊加載板構成。配置可隨市場升級。含1路USB2.0接口、1路RS232C調試口和4路 10/100 M自適應以太網口，以太網光纖接口可選。以太網口1和2一般用于所內通信，構成雙網備用。以太網口3和4一般用于遠動通信，支持多個調度，支持雙通道備用。USB接口兼容2.0和1.0標準，用于接入普通USB外設，包括U盤，移動硬盤等。CPU模件另具有4路USB接口，通過KVM板引出。1路內部 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）面板模件設計。面板有液晶和無液晶版本。當需要小的顯示界面時，采用液晶面板，觸摸屏圖形操作界面。當需要大的顯示界面時，使用無液晶面板，外接獨立顯示器、標準鍵盤和鼠標。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行、故障等指示燈。

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

2 配置方案

2.1 地鐵項目的典型配置

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，外接標準顯示器和鍵盤鼠標。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顯示器。兩塊規約轉換板用于接入所內的智能裝置，或用于單網到雙網的轉換。

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備，含雙 CPU，事故音響、KVM，采用無液晶面板，外接標準顯示器和鍵盤鼠標。無人值守分區所可以采用含液晶面板，取消KVM，顯示器和鍵盤鼠標。管理裝置含當地監控系統功能，變電所、開閉所等無需配置單獨的當地監控系統。

3 方案實施效果

集通信及監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化領域里進行了大容量高性能、通信、監控一體化等多種創新，與時下幾大主流綜合自動化系統廠家的通信管理裝置相比有明顯優點：當地監控和通信管理一體化設計，更適合無人值守變電所使用和維護；集成度高，便于實現通信資源共享，外部接線簡單，安全可靠，處理能力領先同類產品；軟硬件模塊化結構，根據不同應用需求靈活定制，便于工程實施及維護和升級，為無人值班牽引變電所提供了完善的綜合自動化解決方案。

該方案產品已經成功應用在多條電氣化鐵路，同時在南京地鐵、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系統中得到了廣泛應用，創造了良好的經濟和社會效益。

4 結論

本文闡述了一種集通信、監控一體化的通信管理機方案，在一個機箱里，當地監控和通信管理一體化設計，大資源，嵌入式操作系統，滿足實時性要求，具備良好的移植性和維護性，集成度高、外部接線簡單，軟硬件模塊化結構，根據不同應用需求靈活定制，便于工程實施及維護和升級，高性能的軟硬件平臺兼容了電氣化鐵路及軌道交通大容量復雜通信的要求，在目前牽引及地鐵項目大力發展的背景下，必將創造良好的經濟效益。

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

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

[3]賈利民，張錫第，蔡秀生，等.鐵路運輸自動化—現狀，問題與挑戰[A].1994年中國控制會議論文集[C].1994.