牵引供电系统的分布式网络型测控终端实现方案

张 林 范三龙 孙金华 包素丽

（国电南自轨道交通公司，南京 210000）

随着电气化铁路建设的迅速发展及生产自动化程度的提高，随着以太网通信技术和高性能单片机的广泛应用，数字技术的应用及数字化趋势越来越明显；标准化的通信协议被普遍支持；高级语言的软件开发使系统的性能和可靠性得到极大的提高。社会对铁路自动化设备的要求越来越高，牵引供电的实时性、可靠性、连续性已经成为整个社会关心的重要问题之一，本方案拟作为牵引自动化系统厂站设备技术上的一次突破。利用网络和高性能单片机技术打破实时监控系统中的信息流通瓶颈，从而从根本上提高系统的实时性。另外软硬件设计拟采用标准化开放式思想，这样系统的功能扩展和冗余备份都容易得到实现，并且软件的可靠性和可移植性也将得到保证。概括起来，进行本项目的开发，有三个目的[1]：

1）随着电力工业的发展，电网自动化方面的需求越来越高，现有的厂站设备在总体结构、性能指标等方面已不能满足部分高级用户的需要。在目前的市场经济形势下，用户有类似要求说明本项目具有必要性。

2）目前国外技术水平上接近本项目预定目标的部分产品已大举涌入中国市场，国内同行也都在进行类似的开发工作，我们作为电力自动化的中坚企业，自然不能放弃这个前景广阔的市场。也就是说，激烈的市场竞争使本项目具有紧迫性。

3）目前硬件上网络技术已经成熟，高性能处理器价廉物美，软件中的 RTOS（实时多任务操作系统）、网络协议等模块已可以商品化购买，这都给我们的开发道路扫清了障碍。可以说，嵌入式系统软硬件技术的发展为本方案实施提供了强有力的保证。

本方案从系统结构设计上，倾向于功能模块独立，便于根据需求组态的灵活运用，且模块间耦合最大程度降低，便于扩充。同时，对于系统可靠和可用性看重比例加大，采用双网双机热备，备网/服务器在主网/服务器发生故障时能自动接替当前工作，保证系统持续运行。

1 方案实施

本方案中网络型测控装置是一种分布式多CPU多功能的网络型测量控制装置。它吸收了目前流行的分布式系统结构的设计思想，软件内含有两个以太网网络接口，采用标准的TCP/IP协议，采用双备份现场总线网络CAN（控制局域网）实现各模块之间的通信。主CPU模块采用32位高性能单片机，应用软件基于商用化实时多任务操作系统（RTOS），结合高级语言的软件开发使系统的性能和可靠性得到极大的提高。该软件具有液晶显示，全汉化的操作界面，使配置和维护操作简单方便，同时配有基于WINDOWS的调试配置软件的串行调试口。对整个装置的运行状态进行有效的监控。装置含有多达8个串行口，满足不同场合通信要求。主模块软件主要包括实时多任务操作系统、网络通信控制程序、串行通信管理程序、监控程序、自诊断程序等。

该网络型测控终端装置由主CPU模块、交流输入模块、模拟量输入模块、开关量输入模块、数字量输出模块、模拟量输出模块、脉冲量累计模块、故障录波采集模块、GPS模块、液晶显示模块、多串口模块、遥控继电器模块组成，具有遥测、遥信、遥控、遥调、脉冲计数、时钟同步、人机对话、事件顺序记录，多串口通信、多种通信规约、通道自动切换、分布式网络通信、当地或远方在线设置参数、远程诊断维护及大容量等功能。是新一代网络型测控终端实现方案。

1.1 基本原理（包括软件）

1）采用无破坏优先级仲裁的CAN网络作为内部通信网[2]，采用多主非平衡方式运行，各I/O节点均可主动发起信息传输，以此来保证开关变位等重要信息传输的实时性。内部网络在接口及总线上可配置成主从热备份方式工作以提高可靠性。利用中断服务程序实现接受数据中断、接受任务分析和发送数据任务。当主模块向从模块发送请求数据命令时，从模块即产生数据中断。进入中服务程序后先保护现场，然后CPU独处接受缓冲区的命令内容进行任务分析，根据任务分析的结果确定数据发送任务，并向主模块发送数据，最后回复现场，中断返回。

2）内部网络通信协议上进行分层，在传输层提供不面向连接的数据报服务以提高效率，在必要时在应用层上对部分信息采用确认和重传机制以保证可靠性。

3）中心节点作为服务器对系统的所有数据以及全网唯一的时间系统进行管理，所有 I/O模块可以向服务器传输和请求数据。

4）服务器可双机备份式工作，平时备用服务器被动的从网上取得数据以维护自己的实时库，在主服务器发生故障时备用服务器将自动接替工作。

5）为了实现网络环境下复杂的管理并方便编程，所有节点将配备实时多任务操作系统软件，所有网络接口软件将进行标准化的统一编制。

6）装置对外部可采用10M以太网TCP/IP协议通信，也提供可扩充的多串口多规约对外通信的功能。

1.2 实现方法

1）服务器采用683xx系列32位单片机，板上设计有CAN、以太网和多个串行口，服务器可以双机备份工作。保留一个串行口用于连接组态调试的PC机或液晶显示面板，其余串行口用于对外通信。

2）各种I/O节点通过基本相同的接口接入系统的CAN总线（可选双网备份），串行口和网络通信节点也采用相同的方式接入，充分利用CAN网络的广播式发送的特点。

3）复杂程度一般的功能节点拟采用80C196系列的16位单片机，满足不了要求则选用与主节点相同的CPU芯片。

4）服务器上拟采用购买的RTOS及TCP/IP网络通信模块，I/O节点上可以用自编的统一RTOS，内部的 CAN网络通信的驱动模块进行统一的标准化开发。

5）系统编程以 C语言为主，汇编语言只在必要时采用，软件开发尽量走标准化、可重用化的道路。软件设计吸收了目前流行的分布式系统结构的设计思想，软件内含有两个以太网网络接口，采用标准的TCP/IP协议，采用双备份现场总线网络CAN（控制局域网）实现各模块之间的通信。主CPU模块采用32位高性能单片机，应用软件基于商用化实时多任务操作系统（RTOS），主模块实时多任务操作系统，实时多任务操作系统作为软件的核心部分，对各项任务进行调度管理，保证各任务的实时响应和协调运行。

1.3 结构构思

1）主控模块：主控模块是本装置的核心模块，它由单片机系统、以太网部件、CAN网络通信管理部件、串口通信管理部件以及终端维护部件所组成。主处理器采用 Motorola的 32位高性能 MC68332 MCU，它与程序存储器、参数存储器、数据存储器构成单片机系统[3]。它是此模块的核心，负责处理整个数据处理与控制。CAN网络通信管理部件由两路CAN网络接口实现与各个子模块的数据交换，完成遥测、遥信、遥控、遥调、遥脉、录波、GPS对时等功能。串口通信管理部件可提供多达8个串行口，通过 RS232/RS485（光电隔离）接口与站内其他智能设备通信，实现数据信息共享。通过两个以太网络接口与当地监控系统、远程调度管理系统通信，可支持国标循环式远动规约、问答式远动规约等其他通信规约。本模块内含有两个通用高速以太网络芯片，用于组成互为备用的通信网络。这种双网络的应用，大大提高了通信的可靠性。

2）智能DC模块：每个模块采集24通道直流信号，直流输入信号采用双端切换。

3）智能AC模块：每个模块采集8通道交流信号，每工频周期采样48点，软件计算出电压、电流、功率等。

4）智能DI模块：每个模块采集40路数字量信号，数字量输入信号采用光电隔离，采用了实用、有效的滤波算法，可靠的滤除开关量输入的抖动过程。

5）智能DO模块：每个模块支持20路双位控制输出。采用小型密封继电器隔离，采用了特别行之有效的办法，遥控绝对不会误动。

6）智能AO模块：每个模块提供4路独立的模拟输出驱动。通过选择-返校-执行三过程，确保遥调输出的可靠性。

7）智能同期模块：该模块最多提供交流4路电压、4路电流采集。NAC模块用于同期时，电压输入端子通常只用U1，U2，U3，Ux四组电压输入。它可实现对：单断路器同期、多侧断路器同期（主变多侧）、3/2断路器同期和两台独立断路器同期。同期方式有：检无压、检同期和捕捉同期种类，可以灵活组合。

8）电源模块：输入电源为220V或110V电压，50Hz交流、直流输入自动无间隔切换；直流输出：5V5A*3，±12V1A*3，24V3A*2；抗干扰：加装 EMI抗干扰滤波器；功率消耗：保护功能：短路保护及过载保护，故障消失后自动恢复；

9）数据通信功能：两个以太网接口可以与当地监控系统通信，通信规约国标IEC-687-5-104、103。

10）自诊断功能： 具备完善的硬件及软件自检功能。

1.4 新工艺、新材料

主要芯片采用先进的表面帖焊方式，使各功能模块的电气性能更加可靠。

印制板采用母板连接，连线采用压接式扁平电缆。CPU的单板采用多层印刷板，使抗干扰性能得到提高，从而能使装置长期稳定、可靠地运行。

1.5 主要功能特点

如图1所示。

图1 功能框图

2 本方案的有益效果

本最终设计出来的产品，除了具有测量（交直流采样和脉冲量累加）、信号（含 SOE）、控制（节点或模拟量输出）等常规功能外，更可以在开放式规约的支持下接入具有相同网络接口的保护、故障录波等设备，在必要时配上相应的通信功能模块，它能管理现场所有的智能设备，从而成为厂站的集中监控中心。此外产品在结构和功能的配置上方便灵活，既可采用按功能划分的模块进行集中式组屏，也能采用按线路划分的模块进行分散式安装；既可用单服务器单网的经济方式运行，也可在重要工程中采用双服务器双网热备份的高可靠方式运行；在主站数目不多的时候可以使用服务器上的通信口而无需扩展，在更多主站时可任意扩充通信模块来满足要求。

本方案创造已经成功应用在多条电气化铁路，主要应用有：沪宁客运专线工程接触网开关监控设备；青藏铁路西宁至格尔木段增建二线工程项目物资采购接触网开关监控设备；新建成都至都江堰铁路站后系统集成工程微机综合自动化系统及远动终端等项目等。是公司目前在牵引供电综自系统中主推的产品，创造了良好的经济和社会效益。

3 结论

本文阐述了一种应用于牵引变电站的网络型测控终端实现方案，它充分吸收国外先进技术，总结我们几十年来调度自动化产品设计经验，结合我国牵引供电自动化建设与改造的特点，采用网络通信技术、高性能单片机等现代数字电子技术。改变了传统单CPU测控装置的设计思想，真正实现了装置模块化设计、分布式、总线控制网络型多CPU测控终端设计，达到产品性能可靠，使用灵活方便的有益效果。本方案产品具备良好的移植性和维护性和可靠性，软硬件模块化结构，根据不同应用需求灵活定制，便于工程实施及维护和升级，在目前牵引及地铁项目大力发展这一背景下，本发明必将创造良好的经济效益。

[1] 贾利民,张锡第,蔡秀生,张一军,杨悌惠.铁路运输自动化——现状,问题与挑战[C].1994年中国控制会议论文集, 1994.

[2] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1996.

[3] 于海生,等.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社, 1999.