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(shè)的迅速發(fā)展及生產(chǎn)自動化程度的提高，隨著以太網(wǎng)通信技術(shù)和高性能單片機的廣泛應(yīng)用，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用及數(shù)字化趨勢越來越明顯；標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議被普遍支持；高級語言的軟件開發(fā)使系統(tǒng)的性能和可靠性得到極大的提高。社會對鐵路自動化設(shè)備的要求越來越高，牽引供電的實時性、可靠性、連續(xù)性已經(jīng)成為整個社會關(guān)心的重要問題之一，本方案擬作為牽引自動化系統(tǒng)廠站設(shè)備技術(shù)上的一次突破。利用網(wǎng)絡(luò)和高性能單片機技術(shù)打破實時監(jiān)控系統(tǒng)中的信息流通瓶頸，從而從根本上提高系統(tǒng)的實時性。另外軟硬件設(shè)計擬采用標(biāo)準(zhǔn)化開放式思想，這樣系統(tǒng)的功能擴展和冗余備份都容易得到實現(xiàn)，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(fā)，有三個目的[1]：

1）隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電網(wǎng)自動化方面的需求越來越高，現(xiàn)有的廠站設(shè)備在總體結(jié)構(gòu)、性能指標(biāo)等方面已不能滿足部分高級用戶的需要。在目前的市場經(jīng)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(shù)水平上接近本項目預(yù)定目標(biāo)的部分產(chǎn)品已大舉涌入中國市場，國內(nèi)同行也都在進行類似的開發(fā)工作，我們作為電力自動化的中堅企業(yè)，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(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)成熟，高性能處理器價廉物美，軟件中的 RTOS（實時多任務(wù)操作系統(tǒng)）、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等模塊已可以商品化購買，這都給我們的開發(fā)道路掃清了障礙?？梢哉f，嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)的發(fā)展為本方案實施提供了強有力的保證。

本方案從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計上，傾向于功能模塊獨立，便于根據(jù)需求組態(tài)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(tǒng)可靠和可用性看重比例加大，采用雙網(wǎng)雙機熱備，備網(wǎng)/服務(wù)器在主網(wǎng)/服務(wù)器發(fā)生故障時能自動接替當(dāng)前工作，保證系統(tǒng)持續(xù)運行。

1 方案實施

本方案中網(wǎng)絡(luò)型測控裝置是一種分布式多CPU多功能的網(wǎng)絡(luò)型測量控制裝置。它吸收了目前流行的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，軟件內(nèi)含有兩個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，采用雙備份現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)CAN（控制局域網(wǎng)）實現(xiàn)各模塊之間的通信。主CPU模塊采用32位高性能單片機，應(yīng)用軟件基于商用化實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），結(jié)合高級語言的軟件開發(fā)使系統(tǒng)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(diào)試配置軟件的串行調(diào)試口。對整個裝置的運行狀態(tài)進行有效的監(jiān)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(wù)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信控制程序、串行通信管理程序、監(jiān)控程序、自診斷程序等。

該網(wǎng)絡(luò)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(guān)量輸入模塊、數(shù)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(diào)、脈沖計數(shù)、時鐘同步、人機對話、事件順序記錄，多串口通信、多種通信規(guī)約、通道自動切換、分布式網(wǎng)絡(luò)通信、當(dāng)?shù)鼗蜻h方在線設(shè)置參數(shù)、遠程診斷維護及大容量等功能。是新一代網(wǎng)絡(luò)型測控終端實現(xiàn)方案。

1.1 基本原理（包括軟件）

1）采用無破壞優(yōu)先級仲裁的CAN網(wǎng)絡(luò)作為內(nèi)部通信網(wǎng)[2]，采用多主非平衡方式運行，各I/O節(jié)點均可主動發(fā)起信息傳輸，以此來保證開關(guān)變位等重要信息傳輸?shù)膶崟r性。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)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(wù)程序?qū)崿F(xiàn)接受數(shù)據(jù)中斷、接受任務(wù)分析和發(fā)送數(shù)據(jù)任務(wù)。當(dāng)主模塊向從模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令時，從模塊即產(chǎn)生數(shù)據(jù)中斷。進入中服務(wù)程序后先保護現(xiàn)場，然后CPU獨處接受緩沖區(qū)的命令內(nèi)容進行任務(wù)分析，根據(jù)任務(wù)分析的結(jié)果確定數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，并向主模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，最后回復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。

2）內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上進行分層，在傳輸層提供不面向連接的數(shù)據(jù)報服務(wù)以提高效率，在必要時在應(yīng)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(jié)點作為服務(wù)器對系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)以及全網(wǎng)唯一的時間系統(tǒng)進行管理，所有 I/O模塊可以向服務(wù)器傳輸和請求數(shù)據(jù)。

4）服務(wù)器可雙機備份式工作，平時備用服務(wù)器被動的從網(wǎng)上取得數(shù)據(jù)以維護自己的實時庫，在主服務(wù)器發(fā)生故障時備用服務(wù)器將自動接替工作。

5）為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜的管理并方便編程，所有節(jié)點將配備實時多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件，所有網(wǎng)絡(luò)接口軟件將進行標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一編制。

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

1.2 實現(xiàn)方法

1）服務(wù)器采用683xx系列32位單片機，板上設(shè)計有CAN、以太網(wǎng)和多個串行口，服務(wù)器可以雙機備份工作。保留一個串行口用于連接組態(tài)調(diào)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(jié)點通過基本相同的接口接入系統(tǒng)的CAN總線（可選雙網(wǎng)備份），串行口和網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點也采用相同的方式接入，充分利用CAN網(wǎng)絡(luò)的廣播式發(fā)送的特點。

3）復(fù)雜程度一般的功能節(jié)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(jié)點相同的CPU芯片。

4）服務(wù)器上擬采用購買的RTOS及TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信模塊，I/O節(jié)點上可以用自編的統(tǒng)一RTOS，內(nèi)部的 CAN網(wǎng)絡(luò)通信的驅(qū)動模塊進行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化開發(fā)。

5）系統(tǒng)編程以 C語言為主，匯編語言只在必要時采用，軟件開發(fā)盡量走標(biāo)準(zhǔn)化、可重用化的道路。軟件設(shè)計吸收了目前流行的分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想，軟件內(nèi)含有兩個以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議，采用雙備份現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)CAN（控制局域網(wǎng)）實現(xiàn)各模塊之間的通信。主CPU模塊采用32位高性能單片機，應(yīng)用軟件基于商用化實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），主模塊實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，實時多任務(wù)操作系統(tǒng)作為軟件的核心部分，對各項任務(wù)進行調(diào)度管理，保證各任務(wù)的實時響應(yīng)和協(xié)調(diào)運行。

1.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)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(tǒng)、以太網(wǎng)部件、CAN網(wǎng)絡(luò)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(shù)存儲器、數(shù)據(jù)存儲器構(gòu)成單片機系統(tǒng)[3]。它是此模塊的核心，負責(zé)處理整個數(shù)據(jù)處理與控制。CAN網(wǎng)絡(luò)通信管理部件由兩路CAN網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)與各個子模塊的數(shù)據(jù)交換，完成遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、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(nèi)其他智能設(shè)備通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享。通過兩個以太網(wǎng)絡(luò)接口與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)、遠程調(diào)度管理系統(tǒng)通信，可支持國標(biāo)循環(huán)式遠動規(guī)約、問答式遠動規(guī)約等其他通信規(guī)約。本模塊內(nèi)含有兩個通用高速以太網(wǎng)絡(luò)芯片，用于組成互為備用的通信網(wǎng)絡(luò)。這種雙網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)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(shù)字量信號，數(shù)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(guān)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(qū)動。通過選擇-返校-執(zhí)行三過程，確保遙調(diào)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(xiàn)對：單斷路器同期、多側(cè)斷路器同期（主變多側(cè)）、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(fù)；

9）數(shù)據(jù)通信功能：兩個以太網(wǎng)接口可以與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)通信，通信規(guī)約國標(biāo)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(wěn)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(shè)計出來的產(chǎn)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(jié)點或模擬量輸出）等常規(guī)功能外，更可以在開放式規(guī)約的支持下接入具有相同網(wǎng)絡(luò)接口的保護、故障錄波等設(shè)備，在必要時配上相應(yīng)的通信功能模塊，它能管理現(xiàn)場所有的智能設(shè)備，從而成為廠站的集中監(jiān)控中心。此外產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)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(wù)器單網(wǎng)的經(jīng)濟方式運行，也可在重要工程中采用雙服務(wù)器雙網(wǎng)熱備份的高可靠方式運行；在主站數(shù)目不多的時候可以使用服務(wù)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(chuàng)造已經(jīng)成功應(yīng)用在多條電氣化鐵路，主要應(yīng)用有：滬寧客運專線工程接觸網(wǎng)開關(guān)監(jiān)控設(shè)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(wǎng)開關(guān)監(jiān)控設(shè)備；新建成都至都江堰鐵路站后系統(tǒng)集成工程微機綜合自動化系統(tǒng)及遠動終端等項目等。是公司目前在牽引供電綜自系統(tǒng)中主推的產(chǎn)品，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟和社會效益。

3 結(jié)論

本文闡述了一種應(yīng)用于牽引變電站的網(wǎng)絡(luò)型測控終端實現(xiàn)方案，它充分吸收國外先進技術(shù)，總結(jié)我們幾十年來調(diào)度自動化產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，結(jié)合我國牽引供電自動化建設(shè)與改造的特點，采用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、高性能單片機等現(xiàn)代數(shù)字電子技術(shù)。改變了傳統(tǒng)單CPU測控裝置的設(shè)計思想，真正實現(xiàn)了裝置模塊化設(shè)計、分布式、總線控制網(wǎng)絡(luò)型多CPU測控終端設(shè)計，達到產(chǎn)品性能可靠，使用靈活方便的有益效果。本方案產(chǎn)品具備良好的移植性和維護性和可靠性，軟硬件模塊化結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活定制，便于工程實施及維護和升級，在目前牽引及地鐵項目大力發(fā)展這一背景下，本發(fā)明必將創(chuàng)造良好的經(jīng)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(xiàn)狀,問題與挑戰(zhàn)[C].1994年中國控制會議論文集, 1994.

[2] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 1996.

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