楊小軍 徐 昆

楊小軍:同方威視技術(shù)股份有限公司 工程師 100084 北京

徐 昆:昆明鐵路局工務(wù)處 高級(jí)工程師 650011 昆明

在我國(guó)山區(qū)，危巖落石是三大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響了鐵路列車在山區(qū)的安全運(yùn)行，成為制約我國(guó)西部開發(fā)和交通建設(shè)大發(fā)展的重要因素。因此，展開落石監(jiān)測(cè)的鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)研究，對(duì)保證山區(qū)鐵路列車安全運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)概要

鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)采集層 (包含現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備及監(jiān)控單元)、數(shù)據(jù)處理分析層(包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)器等)和數(shù)據(jù)展示層 (包括工務(wù)終端及調(diào)度終端等)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備呈現(xiàn)多樣化，為了保證所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的正常運(yùn)行，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)有一個(gè)監(jiān)控單元。如何讓數(shù)據(jù)處理中心與所有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元保持實(shí)時(shí)、可靠的連接，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)具有重要的意義，因此研究一種高效、可靠、可擴(kuò)展且適用于鐵路防災(zāi)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(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)如下。

優(yōu)點(diǎn):通信協(xié)議開發(fā)簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控單元有可用的通信包可以調(diào)用，無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的通信協(xié)議編程;數(shù)據(jù)處理中心的監(jiān)控軟件無(wú)需開發(fā)，可直接購(gòu)買通用組態(tài)軟件。

缺點(diǎn):由于通用組態(tài)軟件的限制，不利于對(duì)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(qū)動(dòng)無(wú)針對(duì)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(kuò)展;當(dāng)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的硬件發(fā)生改變時(shí)，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(hù)。

在針對(duì)落石監(jiān)測(cè)的鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，通信效率、算法分析及畫面展示是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)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(gòu)等，可設(shè)計(jì)出高效、可靠、擴(kuò)展性良好的通信協(xié)議。

圖1 鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 通信協(xié)議的開發(fā)

在防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控主機(jī)單元負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)中所有設(shè)備 (包括工控機(jī)、PLC控制器、UPS電源、低壓電器、傳感器等)的監(jiān)控。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，如何向數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行報(bào)警;當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，如何來(lái)定位故障點(diǎn);如果數(shù)據(jù)處理中心需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，如何傳遞控制命令。這些信息 (包括故障報(bào)警、控制命令等)的傳遞都需要一套約定來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此需要一套脫離物理層的通信協(xié)議。

3.1 可擴(kuò)展的協(xié)議格式

既有鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，鐵路防災(zāi)的報(bào)警信息較為有限，主要包括風(fēng)、雨、雪、異物等。為了使新設(shè)計(jì)的鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠兼容其他防災(zāi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該通信協(xié)議在格式上留有接口。同時(shí)，考慮到以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，該通信協(xié)議還需具備一定的開放性及可擴(kuò)展性。擴(kuò)展性出于2種目的:首先是有利于建立統(tǒng)一的防災(zāi)體系，為有效整合現(xiàn)有的鐵路防災(zāi)系統(tǒng)打下基礎(chǔ);其次是有了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)后，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析打好基礎(chǔ)。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(duì)所有鐵路防災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

經(jīng)過(guò)綜合研究，可擴(kuò)展的協(xié)議格式定義如圖2所示。報(bào)頭，代表鐵路防災(zāi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)專用，用“AA”表示;報(bào)文種類，是“上傳”還是“下達(dá)”的數(shù)據(jù)，通過(guò)這個(gè)字節(jié)來(lái)區(qū)別;報(bào)文類型，包括各種命令種類，如故障、報(bào)警、命令等;報(bào)文數(shù)據(jù)，是對(duì)各種報(bào)文類型的補(bǔ)充，代表著真正的報(bào)文含義;校驗(yàn)，是對(duì)整個(gè)報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，以保證報(bào)文在傳輸過(guò)程中的可靠性。在該通信協(xié)議中，報(bào)文類型、報(bào)文數(shù)據(jù)均可根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展，滿足各種鐵路災(zāi)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(wù)器的通信模式。以TCP/IP為例，通信套接字調(diào)用的順序如圖3所示。上位機(jī)PC端作為“客戶端”主動(dòng)連接“服務(wù)器”PLC端。PC端主動(dòng)發(fā)起通信socket連接命令，而此時(shí)PLC作為服務(wù)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(diào)用的順序

連接成功后，上位機(jī)立刻發(fā)送“初始化幀”，此時(shí)PLC也在等待上位機(jī)發(fā)送初始化命令。初始化成功后，上位機(jī)負(fù)責(zé)通信連接的保持，如果2 s內(nèi)上位機(jī)沒(méi)有收到任何數(shù)據(jù)幀，則啟動(dòng)“hello報(bào)文”的發(fā)送。 “hello報(bào)文”由PC端發(fā)送給PLC，每隔2 s發(fā)送一次，上位機(jī)每隔200 ms判斷一次是否有所發(fā)報(bào)文的回復(fù)，若無(wú)回復(fù)則繼續(xù)發(fā)送“hello報(bào)文”，如果連續(xù)3次發(fā)送都沒(méi)有返回，認(rèn)為連接中斷，此時(shí)上位機(jī)需要重新初始化才能繼續(xù)進(jìn)行通信;如果200 ms判斷有回復(fù)，間隔2 s再次發(fā)送hello報(bào)文，如此循環(huán)來(lái)保持通信連接。

在通信連接正常時(shí)，如果現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備有報(bào)警，作為監(jiān)控核心的PLC立即生成相應(yīng)的報(bào)警報(bào)文，并通過(guò)以太網(wǎng)口向數(shù)據(jù)處理分析中心發(fā)送，整個(gè)過(guò)程在1 s內(nèi)完成。同理，當(dāng)上層有控制命令需要傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備時(shí)，也能在1 s內(nèi)將命令傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。由于采用了hello連接模式，當(dāng)通信異常時(shí)，上層系統(tǒng)能立即發(fā)出報(bào)警，保證了通信的可靠連接。

3.3 不依賴硬件的程序架構(gòu)

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是滿足監(jiān)控主機(jī)單元與上層的通信連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控鐵路沿線復(fù)雜的設(shè)備狀態(tài)。然而，對(duì)鐵路防災(zāi)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(jì)算機(jī)那么強(qiáng)大，不能使用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)編寫程序，因此，為了使整個(gè)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)清晰，且便于通信程序的編寫，對(duì)程序架構(gòu)進(jìn)行了分層設(shè)計(jì)。整個(gè)通信協(xié)議的架構(gòu)分為3層，各層的功能如圖4所示。無(wú)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(gòu)進(jìn)行編程，提高通信協(xié)議的兼容性，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展。此外，通信協(xié)議不依賴物理層，無(wú)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(chǔ)上應(yīng)用。

圖4 通信程序架構(gòu)圖

4 通信協(xié)議的測(cè)試結(jié)果

以西門子S7-300型號(hào)PLC為例，編寫一套通信程序來(lái)完成各項(xiàng)通信協(xié)議功能。SIMATIC S7-PN核心包含一個(gè)集成PROFINET接口，具有TCP通信功能。通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中提供了一些FB功能塊，通過(guò)用戶程序與符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的通信伙伴進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果如圖5所示。輸入PLC的IP地址進(jìn)行通信連接，通信連接成功后，上位機(jī)開始發(fā)起“hello包”的連接。當(dāng)無(wú)數(shù)據(jù)交換需求時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)“hello包”來(lái)維持上位機(jī)和下位機(jī)的連接;當(dāng)有數(shù)據(jù)交換請(qǐng)求時(shí)，如下位機(jī)有“故障報(bào)警”請(qǐng)求，此時(shí)下位機(jī)會(huì)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(jī)，上位機(jī)接收成功后給予回復(fù)，表明“故障報(bào)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(jìn)行。

圖5 編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立一套穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的所有設(shè)備運(yùn)行提供了實(shí)時(shí)、可靠的監(jiān)控，并且當(dāng)設(shè)備故障需要維修時(shí)，通信協(xié)議可提供方便、準(zhǔn)確定位、可視化的維護(hù)維修接口。同時(shí)，由于通信協(xié)議具備良好的開放性及可擴(kuò)展性，為將來(lái)建立統(tǒng)一的防災(zāi)體系，有效整合現(xiàn)有的鐵路防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)打下基礎(chǔ)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘和分析打下良好的基礎(chǔ)。

［1］ 張新芳．高速鐵路、客運(yùn)專線防災(zāi)安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討［J］．鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(4):71－74．

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