通信協(xié)議在鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究

楊小軍 徐 昆

楊小軍:同方威視技術股份有限公司 工程師 100084 北京

徐 昆:昆明鐵路局工務處 高級工程師 650011 昆明

在我國山區(qū)，危巖落石是三大自然災害之一，嚴重影響了鐵路列車在山區(qū)的安全運行，成為制約我國西部開發(fā)和交通建設大發(fā)展的重要因素。因此，展開落石監(jiān)測的鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)研究，對保證山區(qū)鐵路列車安全運行具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)概要

鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集層 (包含現(xiàn)場采集設備及監(jiān)控單元)、數(shù)據(jù)處理分析層(包括數(shù)據(jù)庫服務器及應用服務器等)和數(shù)據(jù)展示層 (包括工務終端及調度終端等)，系統(tǒng)架構如圖1所示。

在鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)測設備呈現(xiàn)多樣化，為了保證所有現(xiàn)場監(jiān)測設備的正常運行，每個現(xiàn)場設有一個監(jiān)控單元。如何讓數(shù)據(jù)處理中心與所有現(xiàn)場監(jiān)控單元保持實時、可靠的連接，對現(xiàn)場監(jiān)測及現(xiàn)場維護具有重要的意義，因此研究一種高效、可靠、可擴展且適用于鐵路防災系統(tǒng)的通信協(xié)議十分必要。

2 通信協(xié)議方案

在現(xiàn)有的鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場監(jiān)控單元與數(shù)據(jù)處理中心連接大多采用通用組態(tài)軟件、OPC或者通用通信協(xié)議 (如modbus協(xié)議)，采用以上通信方式的優(yōu)缺點如下。

優(yōu)點:通信協(xié)議開發(fā)簡單，現(xiàn)場監(jiān)控單元有可用的通信包可以調用，無需進行復雜的通信協(xié)議編程;數(shù)據(jù)處理中心的監(jiān)控軟件無需開發(fā)，可直接購買通用組態(tài)軟件。

缺點:由于通用組態(tài)軟件的限制，不利于對數(shù)據(jù)處理中心的算法編程、畫面繪制等;組態(tài)軟件中的通信驅動無針對性，通信效率不高;通信協(xié)議缺乏直接開放的接口，不利于系統(tǒng)的有效擴展;當監(jiān)控現(xiàn)場的硬件發(fā)生改變時，通信協(xié)議及上層監(jiān)控軟件也要隨之修改，不利于系統(tǒng)的維護。

在針對落石監(jiān)測的鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)中，通信效率、算法分析及畫面展示是整個系統(tǒng)的技術關鍵，因此繼續(xù)采用通用組態(tài)軟件或者通用通信協(xié)議方式已經(jīng)不再合適。根據(jù)系統(tǒng)要求，比較合適的方式是采用自由通信協(xié)議，自定義協(xié)議格式、連接模式、硬件程序架構等，可設計出高效、可靠、擴展性良好的通信協(xié)議。

圖1 鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)架構圖

3 通信協(xié)議的開發(fā)

在防災監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控主機單元負責整個系統(tǒng)中所有設備 (包括工控機、PLC控制器、UPS電源、低壓電器、傳感器等)的監(jiān)控。當設備出現(xiàn)故障時，如何向數(shù)據(jù)處理中心進行報警;當設備出現(xiàn)故障時，如何來定位故障點;如果數(shù)據(jù)處理中心需要對設備進行控制時，如何傳遞控制命令。這些信息 (包括故障報警、控制命令等)的傳遞都需要一套約定來實現(xiàn)，因此需要一套脫離物理層的通信協(xié)議。

3.1 可擴展的協(xié)議格式

既有鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)中，鐵路防災的報警信息較為有限，主要包括風、雨、雪、異物等。為了使新設計的鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠兼容其他防災系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該通信協(xié)議在格式上留有接口。同時，考慮到以后系統(tǒng)的擴展，該通信協(xié)議還需具備一定的開放性及可擴展性。擴展性出于2種目的:首先是有利于建立統(tǒng)一的防災體系，為有效整合現(xiàn)有的鐵路防災系統(tǒng)打下基礎;其次是有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎后，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析打好基礎。通信協(xié)議的格式定義好后，數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)即可根據(jù)此規(guī)則對所有鐵路防災數(shù)據(jù)進行處理分析。

經(jīng)過綜合研究，可擴展的協(xié)議格式定義如圖2所示。報頭，代表鐵路防災監(jiān)控數(shù)據(jù)專用，用“AA”表示;報文種類，是“上傳”還是“下達”的數(shù)據(jù)，通過這個字節(jié)來區(qū)別;報文類型，包括各種命令種類，如故障、報警、命令等;報文數(shù)據(jù)，是對各種報文類型的補充，代表著真正的報文含義;校驗，是對整個報文進行校驗，以保證報文在傳輸過程中的可靠性。在該通信協(xié)議中，報文類型、報文數(shù)據(jù)均可根據(jù)需要進行擴展，滿足各種鐵路災害數(shù)據(jù)的傳遞。

圖2 通信協(xié)議的格式定義

3.2 高效可靠的通信模式

通信系統(tǒng)采用客戶端和服務器的通信模式。以TCP/IP為例，通信套接字調用的順序如圖3所示。上位機PC端作為“客戶端”主動連接“服務器”PLC端。PC端主動發(fā)起通信socket連接命令，而此時PLC作為服務端 (監(jiān)聽端口)一直處于等待連接狀態(tài)，直到通信連接成功。

圖3 通信套接字調用的順序

連接成功后，上位機立刻發(fā)送“初始化幀”，此時PLC也在等待上位機發(fā)送初始化命令。初始化成功后，上位機負責通信連接的保持，如果2 s內上位機沒有收到任何數(shù)據(jù)幀，則啟動“hello報文”的發(fā)送。 “hello報文”由PC端發(fā)送給PLC，每隔2 s發(fā)送一次，上位機每隔200 ms判斷一次是否有所發(fā)報文的回復，若無回復則繼續(xù)發(fā)送“hello報文”，如果連續(xù)3次發(fā)送都沒有返回，認為連接中斷，此時上位機需要重新初始化才能繼續(xù)進行通信;如果200 ms判斷有回復，間隔2 s再次發(fā)送hello報文，如此循環(huán)來保持通信連接。

在通信連接正常時，如果現(xiàn)場設備有報警，作為監(jiān)控核心的PLC立即生成相應的報警報文，并通過以太網(wǎng)口向數(shù)據(jù)處理分析中心發(fā)送，整個過程在1 s內完成。同理，當上層有控制命令需要傳送給現(xiàn)場設備時，也能在1 s內將命令傳送給現(xiàn)場設備。由于采用了hello連接模式，當通信異常時，上層系統(tǒng)能立即發(fā)出報警，保證了通信的可靠連接。

3.3 不依賴硬件的程序架構

通信協(xié)議的設計重點是滿足監(jiān)控主機單元與上層的通信連接，實時監(jiān)控鐵路沿線復雜的設備狀態(tài)。然而，對鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)而言，監(jiān)控核心一般采用穩(wěn)定可靠的PLC(可編程控制器)，其功能并不像計算機那么強大，不能使用高級語言來編寫程序，因此，為了使整個通信協(xié)議結構清晰，且便于通信程序的編寫，對程序架構進行了分層設計。整個通信協(xié)議的架構分為3層，各層的功能如圖4所示。無論采用何種監(jiān)控核心 (西門子、施耐德或貝加萊)，均可采用這種架構進行編程，提高通信協(xié)議的兼容性，有利于系統(tǒng)的擴展。此外，通信協(xié)議不依賴物理層，無論使用RS-232、RS-485還是TCP/IP通信接口，該通信協(xié)議都可在此基礎上應用。

圖4 通信程序架構圖

4 通信協(xié)議的測試結果

以西門子S7-300型號PLC為例，編寫一套通信程序來完成各項通信協(xié)議功能。SIMATIC S7-PN核心包含一個集成PROFINET接口，具有TCP通信功能。通過該集成以太網(wǎng)接口組態(tài)TCP通信，只能使用開放式通信專用的功能塊。依據(jù)RFC793的TCP協(xié)議，在STEP7通信塊的標準庫中提供了一些FB功能塊，通過用戶程序與符合以太網(wǎng)標準的通信伙伴進行數(shù)據(jù)交換。

編程實現(xiàn)測試結果如圖5所示。輸入PLC的IP地址進行通信連接，通信連接成功后，上位機開始發(fā)起“hello包”的連接。當無數(shù)據(jù)交換需求時，系統(tǒng)通過“hello包”來維持上位機和下位機的連接;當有數(shù)據(jù)交換請求時，如下位機有“故障報警”請求，此時下位機會以通信協(xié)議定義的格式生成一條數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機，上位機接收成功后給予回復，表明“故障報警”已收到。同理，如果有其他數(shù)據(jù)幀的交換，也是按照此規(guī)則進行。

圖5 編程實現(xiàn)測試結果

5 結束語

通過建立一套穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議，對整個系統(tǒng)的所有設備運行提供了實時、可靠的監(jiān)控，并且當設備故障需要維修時，通信協(xié)議可提供方便、準確定位、可視化的維護維修接口。同時，由于通信協(xié)議具備良好的開放性及可擴展性，為將來建立統(tǒng)一的防災體系，有效整合現(xiàn)有的鐵路防災監(jiān)控系統(tǒng)打下基礎，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析打下良好的基礎。

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