集成式的雙機(jī)冗余變電站通信管理裝置實(shí)現(xiàn)方案

包素麗 范三龍 張 林

（國電南自軌道交通公司，南京 210000）

伴隨這高速鐵路尤其是城市軌道交通的飛速發(fā)展，對變電站內(nèi)通信管理裝置提出了更高標(biāo)準(zhǔn)的要求：要求管理裝置具有更強(qiáng)大的接口通信處理能力；具有更快速準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算和傳送功能；具有提供豐富的數(shù)據(jù)管理能力，尤其要具有更高的可靠性。城市軌道交通系統(tǒng)是一種高密度、大運(yùn)量的交通系統(tǒng)[1]，必須保證其高度的安全性和可靠性，而各個(gè)變配電所內(nèi)負(fù)責(zé)提取、解析與轉(zhuǎn)發(fā)站內(nèi)各個(gè)基層單元信號(hào)的通信管理裝置則為整個(gè)軌道交通的安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)保證。而實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，現(xiàn)有綜自廠家通信管理機(jī)存在以下問題[2]。

問題 1：單一網(wǎng)絡(luò)、單一主機(jī)的通信機(jī)運(yùn)行模式,單機(jī)運(yùn)行的管理機(jī)一旦發(fā)生故障即可能造成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的癱瘓，是現(xiàn)有牽引或軌道交通逐漸擯棄的通信模式。

問題 2：為了保證可靠性，有的綜自廠家也做到了雙電源、雙CPU互為備用，但這種功能需要由兩臺(tái)單獨(dú)管理裝置外加通訊切換裝置組成，這種組合模式的接線方式及通信配置相對復(fù)雜，不利于現(xiàn)場施工及故障排查。

為了克服以上通信管理機(jī)方案中的缺陷， 本文提出了一種雙機(jī)冗余切換的創(chuàng)新通信管理裝置實(shí)施方案，本方案在電氣化鐵路、軌道交通綜合自動(dòng)化領(lǐng)域里的通信管理裝置上進(jìn)行了雙機(jī)冗余切換的創(chuàng)新，與時(shí)下主流幾大綜自廠家的通信管理裝置相比有明顯優(yōu)點(diǎn)：在同一裝置內(nèi)集成了主備用雙機(jī)和雙電源，外部接線簡單可靠，當(dāng)一側(cè)電源故障或關(guān)機(jī)時(shí)，自動(dòng)切換至另側(cè)電源；正常運(yùn)行時(shí)雙機(jī)熱備，主機(jī)取得各個(gè)規(guī)約接口的控制權(quán)利，當(dāng)主機(jī)故障，通過硬件切換電路及軟件控制備用機(jī)自動(dòng)由備轉(zhuǎn)主。從而保證通信系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

1 方案概述

應(yīng)用于牽引、軌道交通變配電所的通信管理機(jī)，在一個(gè)機(jī)箱里，集成了雙電源、雙CPU，雙重通信模塊，以及接口切換回路，能夠?qū)崿F(xiàn)雙機(jī)熱備冗余無擾切換功能,在通信主機(jī)工作時(shí),熱備冗余主機(jī)對運(yùn)行主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視, 當(dāng)一臺(tái)電源故障時(shí)，另外一臺(tái)電源可立即對系統(tǒng)進(jìn)行供電而不會(huì)使系統(tǒng)停止運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行主機(jī)故障時(shí),立即將熱備冗余主機(jī)投入運(yùn)行。

雙機(jī)冗余切換上：母板上設(shè)計(jì)有雙機(jī)切換電路，本電路選擇日本松下繼電器、通過硬件節(jié)點(diǎn)互鎖，實(shí)現(xiàn)由雙CPU中的主機(jī)（工作機(jī)）來獲得對GPS、233/485等公共資源的控制權(quán)利，而備用 CPU（備機(jī)）則處于熱備狀態(tài)；雙CPU通過內(nèi)部通信協(xié)議來獲知主備工作狀態(tài)，如果工作機(jī)多次復(fù)位或得到控制軟件的主轉(zhuǎn)備指令，則自動(dòng)釋放控制權(quán)，備用機(jī)獲知對側(cè)變備信息或得到控制軟件的被轉(zhuǎn)主指令后，立刻給出主備切換脈沖獲得共用資源的控制權(quán)，后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)即自動(dòng)切換致新的主機(jī)單元運(yùn)行。

2 實(shí)施步驟

下面結(jié)合附圖對本方案從硬件組成、雙機(jī)冗余熱備進(jìn)一步描述。

通信管理裝置由機(jī)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方式安裝。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(nèi)的其他模件，可根據(jù)功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的8個(gè)插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構(gòu)成雙機(jī)熱備系統(tǒng)，管理機(jī)硬件配置如圖1所示。

圖1 硬件配置圖

下面就雙機(jī)冗余熱備部分的實(shí)現(xiàn)方案著重描述。

2.1 CPU模件設(shè)計(jì)

采用工業(yè)級(jí)ETX模塊加載板構(gòu)成。主頻500M以上，內(nèi)存512M-1G DDR，固態(tài)存儲(chǔ)2G-8G，配置可隨市場升級(jí)。含1路USB2.0接口、1路RS232C調(diào)試口和4路 10/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)口，以太網(wǎng)光纖接口可選，光纖接口符合100Base-FX標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)口1和2一般用于所內(nèi)通信，構(gòu)成雙網(wǎng)備用。以太網(wǎng)3和4口一般用于遠(yuǎn)動(dòng)通信，支持多個(gè)調(diào)度，支持雙通道備用。USB接口兼容2.0和1.0標(biāo)準(zhǔn)，用于接入普通USB外設(shè)，包括U盤，移動(dòng)硬盤等。CPU模件另具有4路USB接口，通過KVM板引出。1路內(nèi)部 RS232C串行口，用于連接 GPS模件。8路RS232C/485串行口，用兩塊串口板引出。

2.2 面板模件設(shè)計(jì)

面板有液晶和無液晶版本。當(dāng)需要小的顯示界面時(shí)，采用液晶面板，無液晶面板上面只有少量的運(yùn)行、主機(jī)提示、故障等指示燈。

為更直觀地解讀 A、B冗余切換機(jī)制，首先對雙機(jī)A、B機(jī)指示燈做以介紹。

信號(hào)燈說明。

運(yùn)行綠燈：上電啟動(dòng)期間長亮，約 30s后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，為間隔1s的閃爍。

主機(jī)綠燈：長亮表示當(dāng)前為主機(jī)，不亮表示為備機(jī)。

故障紅燈：紅燈亮或閃爍表示有不同類型的故障。參考運(yùn)行日志信息獲取準(zhǔn)確的。故障原因。

圖8為膛內(nèi)時(shí)期的彈丸的軸向、徑向和橫向加速。圖8(a)為彈丸軸向加速度，其中工況2的彈丸軸向加速度達(dá)到了25 kg，工況3的彈丸軸向加速度達(dá)到了約22 kg；圖8(b)和圖8(c)分別為彈丸徑向和橫向加速度，工況3相對于工況1和工況2中，彈丸的徑向和橫向加速度最大值分別為1 kg和80 g，即工況3對于彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)較為嚴(yán)峻，但仍然能夠滿足彈丸的實(shí)際射擊范圍。

2.3 電源模件設(shè)計(jì)

本模件為直流逆變電源插件。直流 220V或110V電壓輸入經(jīng)抗干擾濾波回路后，利用逆變及整流原理輸出裝置需要的四組直流電壓，即1路5V、1路12V，2路24V。

1）5V是各模件的主電源。

2）12V用于給面板液晶供電。

3）24V第一路為用于驅(qū)動(dòng)內(nèi)部繼電器的電源；24V第二路為外部開入的電源。

2.4 電源切換電路

管理機(jī)所有模件通過機(jī)箱母板相連，母板上設(shè)計(jì)有雙電源切換電路，電源硬件通過日本松下DSP1-DC24V、DSP2a-DC24V繼電器節(jié)點(diǎn)互鎖實(shí)現(xiàn)，保證同一時(shí)刻僅主CPU擁有串口的控制使用權(quán)。母

板電源切換電原理圖如圖2所示。

圖2 母板電源切換電原理圖

2.5 配合硬件競爭邏輯，軟件實(shí)現(xiàn)方案步驟

上電后，A/B機(jī)的運(yùn)行指示燈閃爍會(huì)不同步。在主機(jī)（A或 B）獲得有效的時(shí)鐘后，會(huì)給備機(jī)對時(shí)，此時(shí)雙機(jī)運(yùn)行燈的閃爍應(yīng)同步。即運(yùn)行燈同步閃爍表示對時(shí)功能正常。主機(jī)綠燈長亮表示本機(jī)CPU當(dāng)前為主機(jī)。不亮表示為備機(jī)。本機(jī)CPU進(jìn)入運(yùn)行后，通過硬件競爭邏輯或軟件控制，CPU A或B之一進(jìn)入主機(jī)狀態(tài)。配合主機(jī)信號(hào)及硬件切換電路，主機(jī)獲得串口的控制權(quán)，建立和所內(nèi)裝置的通信連接。

A、B機(jī)間隔 1s，依次上電，A機(jī)應(yīng)為主機(jī)，啟動(dòng)過程中運(yùn)行燈長亮，啟動(dòng)完成，主程序運(yùn)行后，運(yùn)行燈閃爍，CPU A和B的主機(jī)指示燈A機(jī)長亮，B機(jī)不亮，表示A為主機(jī)，B為備機(jī)，關(guān)閉主機(jī)A，面板主機(jī)應(yīng)該自動(dòng)切換到 B機(jī)（切換無延時(shí)），此時(shí)通過母板硬件繼電器節(jié)點(diǎn)互鎖功能，串口模件等公工資源電源回路也自動(dòng)切換至B機(jī)電源供電。

雙機(jī)冗余硬件切換如附圖所示，軟件控制雙CPU通過內(nèi)部通信協(xié)議來獲知主備工作狀態(tài)，如果工作機(jī)多次復(fù)位或得到控制軟件的主轉(zhuǎn)備指令，則自動(dòng)釋放控制權(quán)，備用機(jī)獲知對側(cè)變備信息或得到控制軟件的被轉(zhuǎn)主指令后，立刻給出主備切換脈沖獲得共用資源的控制權(quán)，后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)即自動(dòng)切換致新的主機(jī)單元運(yùn)行。

2.6 外部接線模式

雙機(jī)上電后，CPU A、B機(jī)分別通過以太網(wǎng)口或光纖接口1和2接入所內(nèi)交換機(jī)構(gòu)成雙網(wǎng)備用，以太網(wǎng)3和4口一般用于遠(yuǎn)動(dòng)通信，支持多個(gè)調(diào)度，支持雙通道備用，公共串口模件根據(jù)需要在相應(yīng)端口配置加載站內(nèi)或調(diào)度通信規(guī)約模塊，投入運(yùn)行后即可實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余熱備的運(yùn)行方案。

2.7 裝置模件組成

通信管理裝置由機(jī)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方式安裝。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、GPS 模件等在內(nèi)的其它模件，可根據(jù)功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的8個(gè)插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構(gòu)成雙機(jī)熱備系統(tǒng)。

2.8 地鐵項(xiàng)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，兩塊規(guī)約轉(zhuǎn)換板用于接入所內(nèi)的智能裝置，或用于單網(wǎng)到雙網(wǎng)的轉(zhuǎn)換。

2.9 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(shè)備，含雙CPU，事故音響,無人值守分區(qū)所可以采用含液晶面板，管理裝置含當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)功能，變電所、開閉所所等無需配置單獨(dú)的當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)。

3 本方案的有益效果

本方案在電氣化鐵路、軌道交通綜合自動(dòng)化領(lǐng)域里的通信管理裝置上進(jìn)行了大容量高性能、雙機(jī)冗余熱備等多種創(chuàng)新，具有集成度高，便于實(shí)現(xiàn)通信資源共享，外部接線簡單，冗余熱備用安全可靠等特點(diǎn)，本方案采用工業(yè)級(jí)ETX系統(tǒng)核心模塊，處理能力強(qiáng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行；標(biāo)準(zhǔn)X86架構(gòu)工控模塊，商用嵌入式操作系統(tǒng)，滿足實(shí)時(shí)性要求，具備良好的移植性和維護(hù)性；512M-1G DDR內(nèi)存，2-8G高速固態(tài)存儲(chǔ)，保證了數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力；本方案已經(jīng)成功應(yīng)用在多條電氣化鐵路，同時(shí)在南京地鐵、沈陽地鐵、深圳地鐵、天津地鐵、蘇州地鐵等軌道交通供電SCADA系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

本方案提出了一種集成式雙機(jī)冗余通信管理機(jī)實(shí)施方案，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(shí)施及維護(hù)和升級(jí)，高性能的軟硬件平臺(tái)兼容了電氣化鐵路及軌道交通大容量復(fù)雜通信的要求，通過硬件競爭邏輯或軟件控制共同實(shí)現(xiàn)雙機(jī)冗余功能，實(shí)現(xiàn)了集成式管理機(jī)僅主機(jī)擁有公共資源的控制權(quán)，建立和所內(nèi)裝置及調(diào)度端的通信連接，保障了通信的暢通，實(shí)現(xiàn)了通信管理機(jī)無縫主備切換，提高了通信系統(tǒng)的可靠性。在目前牽引及地鐵項(xiàng)目大力發(fā)展這一背景下，本方案必將創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李為為.城市軌道交通調(diào)度指揮智能集成系統(tǒng)研究[D]. 北京交通大學(xué);2006.

[2]賈利民,張錫第,蔡秀生,張一軍,楊悌惠.鐵路運(yùn)輸自動(dòng)化——現(xiàn)狀,問題與挑戰(zhàn)[A].1994年中國控制會(huì)議論文集[C].1994.

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