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集中监测系统站机数据采集通信总线技术发展

轨道联盟2018-11-07 14:07:42


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集中监测系统站机数据采集通信总线技术发展

马 峥 王 锟

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司,北京 100070)

摘要:结合现场实际经验,描述2010版CSM-TH集中监测采集通信总线技术的选择过程及该通信总线技术的运用,供研发技术人员参考。

关键词:铁路;信号集中监测;总线

Abstract: Combined with onsite practical experience, the paper introduces the selecting process and application of CSM-TH centralized signaling monitoring system (Ver. 2010), in order to provide reference for research and development personnel.

Keywords:railway; centralized signaling monitoring; bus

DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2017.05.009

信号集中监测系统(Centralized Signaling Monitoring System,CSM)是面向铁路信号领域的综合性数据采集、设备维护支持和信息监测平台。其监测范围包括车站联锁、列控、TDCS/CTC、电源屏、计轴,移频等信号系统和室内外各种信号设备的运行数据;其中站机部分主要完成信号设备模拟量数据的实时采集、数字通信、数据处理、多任务协调,图文显示等工作,通过软件智能化的分析技术和故障诊断,辅助完成信号设备的日常维护及故障处理。它的推广使用,对于提高信号设备的安全运用、强化结合部管理、改善和指导电务现场维修具有重要意义。

随着高速铁路的大规模建设,为保证高速铁路设备的高质量维护需求,现场对信号集中监测系统的性能提出更高要求,主要体现在增加信号设备的监测类型,提高数据采集容量、速率和传输可靠性等方面。既有2006版信号集中监测系统的站机采集系统性能已不能完全满足高速铁路的需求。为了适应高速铁路的需求,2010版信号集中监测站机系统利用既有监测系统技术平台,通过全面使用更高效、更稳定可靠的通信总线系统,适配高性能采集硬件设备等一系列手段来满足现场需求。特别是全面优化升级的通信总线系统,极大的提高站机系统的数据传输效率,有效的保障基础数据的实时性和可靠性。

1 2006版信号集中监测站机系统介绍

1.1 站机系统构成

信号集中监测系统中的站机系统设置在车站信号机械室内,是整个系统的基础部分,主要负责数据信息的采集、处理、存储、回放、界面显示及通讯,由1套采集设备、1台IPC工控机、1台显示器以及网络通信设备及通信防雷器件等组成。

站机系统设备结构如图1所示。

采集设备:信号集中监测采集分机主要负责对监测数据的采集和预处理,按功能划分为综合采集分机、轨道采集分机、道岔表示采集分机、转辙机采集分机及各类采集模块,完成对车站信号设备状态和信息的采集。其他设备,如信号电源系统、计算机联锁系统、列控系统、ZPW-2000A轨道电路、智能灯丝报警仪等,均采用通信接口的方式同站机相连,实现对此类相关信息的监测。

站机系统通信总线结构如图2所示。

系统总线:采集分机至采集板使用地址总线加8位并行数据总线,分时扫描控制8张采集板工作,进行各种数据的采集处理;站机至分机通信采用CAN1.0总线进行数据传输,最多带载32个分机,总线波特率250 kbit/s。

1.2 站机系统CAN通信总线存在的问题

站机偶尔会出现无法接收到CAN总线数据的情况,并且无法确保数据能准确发送到CAN总线,无法保证数据收发的可靠性,虽然有校验、重发机制,但会影响通信实时性和效率。

站机CAN通信仍然采用串行通信机制,没有很好的利用CAN总线多主方式及高总线利用率的特点,造成系统数据轮询周期较长,实时性没有可靠保证。

站机CAN卡基于ISA总线结构,传输速率较低,不能即插即用,占用CPU资源较大;而且ISA总线也是濒临淘汰的总线结构,对主机设备选型有很大的制约。现有主机系统由于匹配CAN卡,需要禁用主板的超线程技术,对整个主机性能有较大的制约。

CAN卡驱动程序应答单帧和应答多帧共用缓冲区,并对CAN总线的错误处理不完善,容错能力较差,极端情况下会出现数据丢失。

CAN驱动每次最多只能接收1 797 Byte的数据,缓存容量偏小,在大数据量通信的情况下可能出现数据处理不及时,导致数据丢失的情况。

CAN卡采用CAN1.0协议,11位ID位,最大只支持32个CAN节点,随着高铁线路的大规模建设,超大规模站场频繁出现,32个CAN节点已不能完全满足现场设备监测的需要。

以上问题叠加后,站机系统会出现轮询数据超时或通信超时故障报警、通信数据无故丢失(俗称掉点)、系统通信不稳定等各种情况,影响系统数据传输的实时性和有效性,使站机系统的基础数据处理出现问题。

1.3 采集分机存在的问题

分机8位并行数据总线效率较低,1张采集板48路信号需要轮询6次才能采集完成,在分机大容量采集时,无法保证快速的完成轮询周期。

分机采集板没有设置CPU或控制器,不能自主工作来采集、处理、保存实时数据,需要CPU板来控制管理8张采集板的工作。由于CPU自身工作频率低、数据存储器容量小,在这种总线结构下处理复杂信号(如轨道相角、转辙机动作曲线等)时会出现数据采集间隔周期过长、数据缓存不足、不能及时应答站机命令等情况,容易造成数据采集实时性不好、数据丢失等情况的发生。

2 系统通信总线技术比较

2.1 主流通信技术特点介绍及对比

随着计算机、通信、网络、嵌入式等信息技术的飞速发展,逐步形成了以网络集成自动化系统为基础的信息系统。现场总线应用在生产现场,在计算机与测量控制设备之间实现双向多节点数字通信技术。集中监测系统站机采集处理就是使用现场总线技术将分布在现场各个区域的智能采集传感器,通过简单连接的通信电缆,连接成网络系统。整个网络系统可实现各个采集传感器及站机计算机之间,数据传输与信息交换,并形成各种适应现场需求的自动控制系统。

目前国际上现有的各种总线及标准很多,具有一定影响力并占有一定市场份额的总线有如下几种:FF现场总线、HART现场总线、LonWorks现场总线、WorldFIP现场总线、InterBus现场总线、CAN现场总线。 RS-485串行总线虽然不是标准的现场总线,但在国内的工业自动化测量控制领域有着广泛的应用。随着网络技术的发展,以太网也进入自动化控制领域,形成了工业以太网技术。各种通信技术有着不同的优缺点,具体对比情况如表1所示。


2.2 站机系统通信技术方案甄选

通过对以上各种不同类型通信总线技术和标准的了解对比,结合国内铁路系统通信技术要求和集中监测站机系统数据采集方式的特点,选择RS-485、CAN、工业以太网的综合使用,作为新站机系统采集通信总线技术方案。

2.2.1 RS-485总线优势与不足

RS-485总线设备逻辑值采用两线间的电压差表示,接口信号电平比RS-232-C低,不易损坏接口电路的芯片,且电平与TTL电平兼容。RS-485采用平衡驱动器和差分接收器的组合,有较好的抗噪声干扰,在低通信速率下,通信距离可以达到1 200 m,实际应用距离更远。通信接口组成半双工网络,采用屏蔽双绞线传输即可,接口简单、造价便宜,在国内有着广泛的使用领域,兼容设备众多。

RS-485总线通信速率较低,常用的速率为9 600 bit/s,当通信距离达到1 000 m以上时,可靠的速率小于1 200 bit/s。虽然接口电路简单,但没有总线仲裁机制,某个节点故障可能导致整个总线电平锁死,造成总线所有节点均无法通信,而且很难判断其故障位置。总线采用主从轮询方式,总线占用率低,无法满足较大的通信量。

2.2.2 CAN总线的优势与不足

CAN总线是国际标准的工业级现场总线,传输可靠,实时性高,传输距离远(最远10 km),传输速率高(1 Mbit/s)。单条总线上最大可接110个节点,可方便扩充节点数。整个总线采用多主结构,总线利用率高,出错的CAN节点会自动关闭并切断与总线的联系,不影响总线上其他节点的通信。数据报文采用帧结构并有CRC校验,数据出错率极低。自动检测报文发送成功与否,可硬件自动重发,传输可靠性很高,硬件并支持报文滤波功能,只接收必要信息。通讯介质可用普通的双绞线,同轴电缆或光纤等,系统结构简单,有极高的性价比。

CAN总线不能与Internet互联,无法实现远程的信息共享。上位机需要增加独立的CAN接口卡才能与CAN总线的节点进行通信,CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵。CAN总线的信息传输速率无法和工业以太网相比。

2.2.3 工业以太网的优势与不足

以太网是一个全开放的数字化网络,不同设备只要遵照网络协议即可实现互联互通,并且可以很方便实现工业控制网络与企业信息网络的连接,形成管控一体的全开放网络。由于当前以太网的技术已经非常成熟,有着多种软硬件条件供用户选择,软硬件成本低廉。以太网的速率很高,10 M、100 M已经广泛使用,千兆以太网技术也很成熟,其速率远远大于现场总线。随着信息技术和通信技术的迅速发展,以太网技术可持续发展的潜力巨大。

以太网的信道分配方式采用带有冲突监测的载波侦听多路访问协议(CSMA/CD),适用于突发性数据的传输,不具有实时性,是一种非确定性的网络系统。以太网的接口电路还比较复杂和昂贵,因而它并不适合所有的自动化设备,并不能在与简单的传感器相连时,体现出更大的优越性。

3 2010版CSM-TH站机系统总线

通过对现行各种成熟主流工控总线的研究、对比分析,结合对铁路现场总线使用环境和特点的把握,最终确定了2010版CSM-TH站机系统的总线结构和适配硬件方案。新系统主要有如下特点。

1) 系统适配硬件根据采集功能分别采用集中与分散采集相结合的方式。其中板卡式采集板仍采用机笼内安装,各种电压、电流、轨道电路、移频等采集模块采用组合架安装方式,通信总线结构变更为上、下两级通信总线方式;电流传感器和开关量采集器采用就近分散安装方式。

2) 采集板卡和模块均升级使用32位处理器,具备自诊断功能,能自主高速完成信息采集和数据缓存工作。采集分机只保留综合分机和转辙机分机,其中通信接口板负责与各采集板和站机之间建立通信连接,将采集板送来的信息分类汇总后传送给站机。

3) 系统新增接口通信分机,该分机通过上、下两级通信总线管理各类采集模块完成不同类型的数据采集,并将数据分类汇总后发给站机处理。

4) 对于需要不同条件相互配合才能完成的模拟量采集功能,如轨道电压、转辙机启动电流、绝缘测试等,将相关信息集中在一块采集板进行统一采集,以保证不同类型数据采集的同步性和有效性。 

5) 通信接口板下层总线采用CAN2.0总线与采集板进行通信,接口通信分机下层总线采用CAN2.0和RS-485总线与采集模块进行通信;与上层站机采用CAN总线或100 M以太网接口进行通信。

3.1 采集分机通信总线构成

系统通信总线接口构建模式采用上下两级总线模式。第一级总线为上层总线,采用CAN或以太网总线;第二级总线为分机内部总线,适配硬件设备由通信接口CPU板和采集板组成。CAN总线遵循ISO11898标准,通信速率均采用250 kbit/s。两层总线间和总线各节点间的接口实现电气隔离,加上CAN总线完备的总线仲裁机制和故障处理机制,有力的保障了系统数据的实时性和可靠性。采集分机通信结构如图3所示。

3.2 接口通信分机总线构成

接口通信分机主要用于建立站机和采集模块之间的通信联系,负责数据的打包和转发,同时可进行自检和自诊断,并将信息以变化自主或主从响应的方式发送给站机。上层总线采用以太网接口通信,下层总线采用CAN和RS-485总线通信,以便接入不同总线通信的采集模块。通信接口分机通信结构如图4所示。

接口通信分机每个CAN接口可管理32个节点负载,RS-485接口可管理20个节点。接口通信分机各种通信端口的工作模式(如IP地址、端口地址、波特率、通信间隔时间、节点数量和设备类型等)可通过配置文件进行管理,文件通过以太网接口或串口进行读写。

4 现场应用情况

在如今信息化发展的强烈势头下,集中监测系统已经是保证行车安全,监测信号设备状态,发现信号设备隐患,分析信号设备故障原因,辅助故障处理,提高电务部门维护效率的重要行车设备。随着传感技术、嵌入式技术、现场总线技术、网络通信技术等相关技术的发展,可以实时、准确、可靠的监测和记录信号设备的运行状态,为电务部门掌握设备运用情况和进行故障分析、排查提供科学依据。目前2010版信号集中监测系统已在杭长高铁、郑徐高铁、合福高铁、云桂客专等多条线路上进行应用,现场设备工作稳定,可以如实反映现场信号设备工作情况,得到了电务维护人员的认可。


参考文献

[1]中国铁路总公司.运基信号[2010]709号 铁路信号集中监测系统技术条件[S].北京:中国铁路总公司,2010.

[2]中国铁路总公司.运基信号[2011]377号 铁路信号集中监测系统安全要求[S].北京:中国铁路总公司,2011.

[3]李正军.现场总线与工业以太网及其应用技术[M].北京:机械工业出版社,2011.

[4]王黎明,夏立,邵英,等.CAN现场总线系统的设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[5]铙运涛,王进宏,邹继军,等.现场总线CAN原理与应用技术[M].2版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[6]张凤登.现场总线技术与应用术[M].北京:科学出版社,2008.

[7]任家富,庹先国,陶永莉.数据采集与总线技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[8]谢昊飞.工业以太网技术[M].北京:科学出版社,2007.

[9]张天一.铁路信号监测诊断、维护系统的方案探讨[J].铁路通信信号工程技术, 2015 (3) :97-98.


(收稿日期:2017-03-08)


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