牽引供電系統的分布式網絡型測控終端實現方案

張 林 范三龍 孫金華 包素麗

（國電南自軌道交通公司，南京 210000）

隨著電氣化鐵路建設的迅速發展及生產自動化程度的提高，隨著以太網通信技術和高性能單片機的廣泛應用，數字技術的應用及數字化趨勢越來越明顯；標準化的通信協議被普遍支持；高級語言的軟件開發使系統的性能和可靠性得到極大的提高。社會對鐵路自動化設備的要求越來越高，牽引供電的實時性、可靠性、連續性已經成為整個社會關心的重要問題之一，本方案擬作為牽引自動化系統廠站設備技術上的一次突破。利用網絡和高性能單片機技術打破實時監控系統中的信息流通瓶頸，從而從根本上提高系統的實時性。另外軟硬件設計擬采用標準化開放式思想，這樣系統的功能擴展和冗余備份都容易得到實現，并且軟件的可靠性和可移植性也將得到保證。概括起來，進行本項目的開發，有三個目的[1]：

1）隨著電力工業的發展，電網自動化方面的需求越來越高，現有的廠站設備在總體結構、性能指標等方面已不能滿足部分高級用戶的需要。在目前的市場經濟形勢下，用戶有類似要求說明本項目具有必要性。

2）目前國外技術水平上接近本項目預定目標的部分產品已大舉涌入中國市場，國內同行也都在進行類似的開發工作，我們作為電力自動化的中堅企業，自然不能放棄這個前景廣闊的市場。也就是說，激烈的市場競爭使本項目具有緊迫性。

3）目前硬件上網絡技術已經成熟，高性能處理器價廉物美，軟件中的 RTOS（實時多任務操作系統）、網絡協議等模塊已可以商品化購買，這都給我們的開發道路掃清了障礙。可以說，嵌入式系統軟硬件技術的發展為本方案實施提供了強有力的保證。

本方案從系統結構設計上，傾向于功能模塊獨立，便于根據需求組態的靈活運用，且模塊間耦合最大程度降低，便于擴充。同時，對于系統可靠和可用性看重比例加大，采用雙網雙機熱備，備網/服務器在主網/服務器發生故障時能自動接替當前工作，保證系統持續運行。

1 方案實施

本方案中網絡型測控裝置是一種分布式多CPU多功能的網絡型測量控制裝置。它吸收了目前流行的分布式系統結構的設計思想，軟件內含有兩個以太網網絡接口，采用標準的TCP/IP協議，采用雙備份現場總線網絡CAN（控制局域網）實現各模塊之間的通信。主CPU模塊采用32位高性能單片機，應用軟件基于商用化實時多任務操作系統（RTOS），結合高級語言的軟件開發使系統的性能和可靠性得到極大的提高。該軟件具有液晶顯示，全漢化的操作界面，使配置和維護操作簡單方便，同時配有基于WINDOWS的調試配置軟件的串行調試口。對整個裝置的運行狀態進行有效的監控。裝置含有多達8個串行口，滿足不同場合通信要求。主模塊軟件主要包括實時多任務操作系統、網絡通信控制程序、串行通信管理程序、監控程序、自診斷程序等。

該網絡型測控終端裝置由主CPU模塊、交流輸入模塊、模擬量輸入模塊、開關量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸出模塊、脈沖量累計模塊、故障錄波采集模塊、GPS模塊、液晶顯示模塊、多串口模塊、遙控繼電器模塊組成，具有遙測、遙信、遙控、遙調、脈沖計數、時鐘同步、人機對話、事件順序記錄，多串口通信、多種通信規約、通道自動切換、分布式網絡通信、當地或遠方在線設置參數、遠程診斷維護及大容量等功能。是新一代網絡型測控終端實現方案。

1.1 基本原理（包括軟件）

1）采用無破壞優先級仲裁的CAN網絡作為內部通信網[2]，采用多主非平衡方式運行，各I/O節點均可主動發起信息傳輸，以此來保證開關變位等重要信息傳輸的實時性。內部網絡在接口及總線上可配置成主從熱備份方式工作以提高可靠性。利用中斷服務程序實現接受數據中斷、接受任務分析和發送數據任務。當主模塊向從模塊發送請求數據命令時，從模塊即產生數據中斷。進入中服務程序后先保護現場，然后CPU獨處接受緩沖區的命令內容進行任務分析，根據任務分析的結果確定數據發送任務，并向主模塊發送數據，最后回復現場，中斷返回。

2）內部網絡通信協議上進行分層，在傳輸層提供不面向連接的數據報服務以提高效率，在必要時在應用層上對部分信息采用確認和重傳機制以保證可靠性。

3）中心節點作為服務器對系統的所有數據以及全網唯一的時間系統進行管理，所有 I/O模塊可以向服務器傳輸和請求數據。

4）服務器可雙機備份式工作，平時備用服務器被動的從網上取得數據以維護自己的實時庫，在主服務器發生故障時備用服務器將自動接替工作。

5）為了實現網絡環境下復雜的管理并方便編程，所有節點將配備實時多任務操作系統軟件，所有網絡接口軟件將進行標準化的統一編制。

6）裝置對外部可采用10M以太網TCP/IP協議通信，也提供可擴充的多串口多規約對外通信的功能。

1.2 實現方法

1）服務器采用683xx系列32位單片機，板上設計有CAN、以太網和多個串行口，服務器可以雙機備份工作。保留一個串行口用于連接組態調試的PC機或液晶顯示面板，其余串行口用于對外通信。

2）各種I/O節點通過基本相同的接口接入系統的CAN總線（可選雙網備份），串行口和網絡通信節點也采用相同的方式接入，充分利用CAN網絡的廣播式發送的特點。

3）復雜程度一般的功能節點擬采用80C196系列的16位單片機，滿足不了要求則選用與主節點相同的CPU芯片。

4）服務器上擬采用購買的RTOS及TCP/IP網絡通信模塊，I/O節點上可以用自編的統一RTOS，內部的 CAN網絡通信的驅動模塊進行統一的標準化開發。

5）系統編程以 C語言為主，匯編語言只在必要時采用，軟件開發盡量走標準化、可重用化的道路。軟件設計吸收了目前流行的分布式系統結構的設計思想，軟件內含有兩個以太網網絡接口，采用標準的TCP/IP協議，采用雙備份現場總線網絡CAN（控制局域網）實現各模塊之間的通信。主CPU模塊采用32位高性能單片機，應用軟件基于商用化實時多任務操作系統（RTOS），主模塊實時多任務操作系統，實時多任務操作系統作為軟件的核心部分，對各項任務進行調度管理，保證各任務的實時響應和協調運行。

1.3 結構構思

1）主控模塊：主控模塊是本裝置的核心模塊，它由單片機系統、以太網部件、CAN網絡通信管理部件、串口通信管理部件以及終端維護部件所組成。主處理器采用 Motorola的 32位高性能 MC68332 MCU，它與程序存儲器、參數存儲器、數據存儲器構成單片機系統[3]。它是此模塊的核心，負責處理整個數據處理與控制。CAN網絡通信管理部件由兩路CAN網絡接口實現與各個子模塊的數據交換，完成遙測、遙信、遙控、遙調、遙脈、錄波、GPS對時等功能。串口通信管理部件可提供多達8個串行口，通過 RS232/RS485（光電隔離）接口與站內其他智能設備通信，實現數據信息共享。通過兩個以太網絡接口與當地監控系統、遠程調度管理系統通信，可支持國標循環式遠動規約、問答式遠動規約等其他通信規約。本模塊內含有兩個通用高速以太網絡芯片，用于組成互為備用的通信網絡。這種雙網絡的應用，大大提高了通信的可靠性。

2）智能DC模塊：每個模塊采集24通道直流信號，直流輸入信號采用雙端切換。

3）智能AC模塊：每個模塊采集8通道交流信號，每工頻周期采樣48點，軟件計算出電壓、電流、功率等。

4）智能DI模塊：每個模塊采集40路數字量信號，數字量輸入信號采用光電隔離，采用了實用、有效的濾波算法，可靠的濾除開關量輸入的抖動過程。

5）智能DO模塊：每個模塊支持20路雙位控制輸出。采用小型密封繼電器隔離，采用了特別行之有效的辦法，遙控絕對不會誤動。

6）智能AO模塊：每個模塊提供4路獨立的模擬輸出驅動。通過選擇-返校-執行三過程，確保遙調輸出的可靠性。

7）智能同期模塊：該模塊最多提供交流4路電壓、4路電流采集。NAC模塊用于同期時，電壓輸入端子通常只用U1，U2，U3，Ux四組電壓輸入。它可實現對：單斷路器同期、多側斷路器同期（主變多側）、3/2斷路器同期和兩臺獨立斷路器同期。同期方式有：檢無壓、檢同期和捕捉同期種類，可以靈活組合。

8）電源模塊：輸入電源為220V或110V電壓，50Hz交流、直流輸入自動無間隔切換；直流輸出：5V5A*3，±12V1A*3，24V3A*2；抗干擾：加裝 EMI抗干擾濾波器；功率消耗：保護功能：短路保護及過載保護，故障消失后自動恢復；

9）數據通信功能：兩個以太網接口可以與當地監控系統通信，通信規約國標IEC-687-5-104、103。

10）自診斷功能： 具備完善的硬件及軟件自檢功能。

1.4 新工藝、新材料

主要芯片采用先進的表面帖焊方式，使各功能模塊的電氣性能更加可靠。

印制板采用母板連接，連線采用壓接式扁平電纜。CPU的單板采用多層印刷板，使抗干擾性能得到提高，從而能使裝置長期穩定、可靠地運行。

1.5 主要功能特點

如圖1所示。

圖1 功能框圖

2 本方案的有益效果

本最終設計出來的產品，除了具有測量（交直流采樣和脈沖量累加）、信號（含 SOE）、控制（節點或模擬量輸出）等常規功能外，更可以在開放式規約的支持下接入具有相同網絡接口的保護、故障錄波等設備，在必要時配上相應的通信功能模塊，它能管理現場所有的智能設備，從而成為廠站的集中監控中心。此外產品在結構和功能的配置上方便靈活，既可采用按功能劃分的模塊進行集中式組屏，也能采用按線路劃分的模塊進行分散式安裝；既可用單服務器單網的經濟方式運行，也可在重要工程中采用雙服務器雙網熱備份的高可靠方式運行；在主站數目不多的時候可以使用服務器上的通信口而無需擴展，在更多主站時可任意擴充通信模塊來滿足要求。

本方案創造已經成功應用在多條電氣化鐵路，主要應用有：滬寧客運專線工程接觸網開關監控設備；青藏鐵路西寧至格爾木段增建二線工程項目物資采購接觸網開關監控設備；新建成都至都江堰鐵路站后系統集成工程微機綜合自動化系統及遠動終端等項目等。是公司目前在牽引供電綜自系統中主推的產品，創造了良好的經濟和社會效益。

3 結論

本文闡述了一種應用于牽引變電站的網絡型測控終端實現方案，它充分吸收國外先進技術，總結我們幾十年來調度自動化產品設計經驗，結合我國牽引供電自動化建設與改造的特點，采用網絡通信技術、高性能單片機等現代數字電子技術。改變了傳統單CPU測控裝置的設計思想，真正實現了裝置模塊化設計、分布式、總線控制網絡型多CPU測控終端設計，達到產品性能可靠，使用靈活方便的有益效果。本方案產品具備良好的移植性和維護性和可靠性，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，在目前牽引及地鐵項目大力發展這一背景下，本發明必將創造良好的經濟效益。

[1] 賈利民,張錫第,蔡秀生,張一軍,楊悌惠.鐵路運輸自動化——現狀,問題與挑戰[C].1994年中國控制會議論文集, 1994.

[2] 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社, 1996.

[3] 于海生,等.微型計算機控制技術[M].北京:清華大學出版社, 1999.