集成式的雙機冗余變電站通信管理裝置實現方案

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展，對變電站內通信管理裝置提出了更高標準的要求：要求管理裝置具有更強大的接口通信處理能力；具有更快速準確的實時數據運算和傳送功能；具有提供豐富的數據管理能力，尤其要具有更高的可靠性。城市軌道交通系統是一種高密度、大運量的交通系統[1]，必須保證其高度的安全性和可靠性，而各個變配電所內負責提取、解析與轉發站內各個基層單元信號的通信管理裝置則為整個軌道交通的安全運行提供了基礎保證。而實際運行結果證明，現有綜自廠家通信管理機存在以下問題[2]。

問題 1：單一網絡、單一主機的通信機運行模式,單機運行的管理機一旦發生故障即可能造成綜合自動化系統的癱瘓，是現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單獨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雜，不利于現場施工及故障排查。

為了克服以上通信管理機方案中的缺陷， 本文提出了一種雙機冗余切換的創新通信管理裝置實施方案，本方案在電氣化鐵路、軌道交通綜合自動化領域里的通信管理裝置上進行了雙機冗余切換的創新，與時下主流幾大綜自廠家的通信管理裝置相比有明顯優點：在同一裝置內集成了主備用雙機和雙電源，外部接線簡單可靠，當一側電源故障或關機時，自動切換至另側電源；正常運行時雙機熱備，主機取得各個規約接口的控制權利，當主機故障，通過硬件切換電路及軟件控制備用機自動由備轉主。從而保證通信系統穩定可靠運行。

1 方案概述

應用于牽引、軌道交通變配電所的通信管理機，在一個機箱里，集成了雙電源、雙CPU，雙重通信模塊，以及接口切換回路，能夠實現雙機熱備冗余無擾切換功能,在通信主機工作時,熱備冗余主機對運行主機進行實時監視, 當一臺電源故障時，另外一臺電源可立即對系統進行供電而不會使系統停止運行，當發現運行主機故障時,立即將熱備冗余主機投入運行。

雙機冗余切換上：母板上設計有雙機切換電路，本電路選擇日本松下繼電器、通過硬件節點互鎖，實現由雙CPU中的主機（工作機）來獲得對GPS、233/485等公共資源的控制權利，而備用 CPU（備機）則處于熱備狀態；雙CPU通過內部通信協議來獲知主備工作狀態，如果工作機多次復位或得到控制軟件的主轉備指令，則自動釋放控制權，備用機獲知對側變備信息或得到控制軟件的被轉主指令后，立刻給出主備切換脈沖獲得共用資源的控制權，后臺或遠動即自動切換致新的主機單元運行。

2 實施步驟

下面結合附圖對本方案從硬件組成、雙機冗余熱備進一步描述。

通信管理裝置由機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 模件等在內的其他模件，可根據功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的8個插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構成雙機熱備系統，管理機硬件配置如圖1所示。

圖1 硬件配置圖

下面就雙機冗余熱備部分的實現方案著重描述。

2.1 CPU模件設計

采用工業級ETX模塊加載板構成。主頻500M以上，內存512M-1G DDR，固態存儲2G-8G，配置可隨市場升級。含1路USB2.0接口、1路RS232C調試口和4路 10/100M自適應以太網口，以太網光纖接口可選，光纖接口符合100Base-FX標準。以太網口1和2一般用于所內通信，構成雙網備用。以太網3和4口一般用于遠動通信，支持多個調度，支持雙通道備用。USB接口兼容2.0和1.0標準，用于接入普通USB外設，包括U盤，移動硬盤等。CPU模件另具有4路USB接口，通過KVM板引出。1路內部 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 面板模件設計

面板有液晶和無液晶版本。當需要小的顯示界面時，采用液晶面板，無液晶面板上面只有少量的運行、主機提示、故障等指示燈。

為更直觀地解讀 A、B冗余切換機制，首先對雙機A、B機指示燈做以介紹。

信號燈說明。

運行綠燈：上電啟動期間長亮，約 30s后進入運行狀態，為間隔1s的閃爍。

主機綠燈：長亮表示當前為主機，不亮表示為備機。

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

圖8為膛內時期的彈丸的軸向、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到了25 kg，工況3的彈丸軸向加速度達到了約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對于彈丸在膛內運動較為嚴峻，但仍然能夠滿足彈丸的實際射擊范圍。

2.3 電源模件設計

本模件為直流逆變電源插件。直流 220V或110V電壓輸入經抗干擾濾波回路后，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第一路為用于驅動內部繼電器的電源；24V第二路為外部開入的電源。

2.4 電源切換電路

管理機所有模件通過機箱母板相連，母板上設計有雙電源切換電路，電源硬件通過日本松下DSP1-DC24V、DSP2a-DC24V繼電器節點互鎖實現，保證同一時刻僅主CPU擁有串口的控制使用權。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，軟件實現方案步驟

上電后，A/B機的運行指示燈閃爍會不同步。在主機（A或 B）獲得有效的時鐘后，會給備機對時，此時雙機運行燈的閃爍應同步。即運行燈同步閃爍表示對時功能正常。主機綠燈長亮表示本機CPU當前為主機。不亮表示為備機。本機CPU進入運行后，通過硬件競爭邏輯或軟件控制，CPU A或B之一進入主機狀態。配合主機信號及硬件切換電路，主機獲得串口的控制權，建立和所內裝置的通信連接。

A、B機間隔 1s，依次上電，A機應為主機，啟動過程中運行燈長亮，啟動完成，主程序運行后，運行燈閃爍，CPU A和B的主機指示燈A機長亮，B機不亮，表示A為主機，B為備機，關閉主機A，面板主機應該自動切換到 B機（切換無延時），此時通過母板硬件繼電器節點互鎖功能，串口模件等公工資源電源回路也自動切換至B機電源供電。

雙機冗余硬件切換如附圖所示，軟件控制雙CPU通過內部通信協議來獲知主備工作狀態，如果工作機多次復位或得到控制軟件的主轉備指令，則自動釋放控制權，備用機獲知對側變備信息或得到控制軟件的被轉主指令后，立刻給出主備切換脈沖獲得共用資源的控制權，后臺或遠動即自動切換致新的主機單元運行。

2.6 外部接線模式

雙機上電后，CPU A、B機分別通過以太網口或光纖接口1和2接入所內交換機構成雙網備用，以太網3和4口一般用于遠動通信，支持多個調度，支持雙通道備用，公共串口模件根據需要在相應端口配置加載站內或調度通信規約模塊，投入運行后即可實現雙機冗余熱備的運行方案。

2.7 裝置模件組成

通信管理裝置由機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 模件等在內的其它模件，可根據功能需要自由定制，分布在裝置插箱背部的8個插槽中。CPU和電源模件可以冗余配置構成雙機熱備系統。

2.8 地鐵項目的典型配置

典型配置取消了串口和GPS插件，含雙CPU，事故音響，兩塊規約轉換板用于接入所內的智能裝置，或用于單網到雙網的轉換。

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備，含雙CPU，事故音響,無人值守分區所可以采用含液晶面板，管理裝置含當地監控系統功能，變電所、開閉所所等無需配置單獨的當地監控系統。

3 本方案的有益效果

本方案在電氣化鐵路、軌道交通綜合自動化領域里的通信管理裝置上進行了大容量高性能、雙機冗余熱備等多種創新，具有集成度高，便于實現通信資源共享，外部接線簡單，冗余熱備用安全可靠等特點，本方案采用工業級ETX系統核心模塊，處理能力強，保證系統穩定可靠運行；標準X86架構工控模塊，商用嵌入式操作系統，滿足實時性要求，具備良好的移植性和維護性；512M-1G DDR內存，2-8G高速固態存儲，保證了數據處理和存儲能力；本方案已經成功應用在多條電氣化鐵路，同時在南京地鐵、沈陽地鐵、深圳地鐵、天津地鐵、蘇州地鐵等軌道交通供電SCADA系統中得到了廣泛應用，創造了良好的經濟和社會效益。

4 結論

本方案提出了一種集成式雙機冗余通信管理機實施方案，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，高性能的軟硬件平臺兼容了電氣化鐵路及軌道交通大容量復雜通信的要求，通過硬件競爭邏輯或軟件控制共同實現雙機冗余功能，實現了集成式管理機僅主機擁有公共資源的控制權，建立和所內裝置及調度端的通信連接，保障了通信的暢通，實現了通信管理機無縫主備切換，提高了通信系統的可靠性。在目前牽引及地鐵項目大力發展這一背景下，本方案必將創造良好的經濟效益。

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

[2]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[A].1994年中國控制會議論文集[C].1994.

[3]趙望達.高速鐵路安全監控和信息傳輸系統的研究[J].中國鐵路,2004,8.