集成式的双机冗余变电站通信管理装置实现方案

包素丽 范三龙 张 林

（国电南自轨道交通公司，南京 210000）

伴随这高速铁路尤其是城市轨道交通的飞速发展，对变电站内通信管理装置提出了更高标准的要求：要求管理装置具有更强大的接口通信处理能力；具有更快速准确的实时数据运算和传送功能；具有提供丰富的数据管理能力，尤其要具有更高的可靠性。城市轨道交通系统是一种高密度、大运量的交通系统[1]，必须保证其高度的安全性和可靠性，而各个变配电所内负责提取、解析与转发站内各个基层单元信号的通信管理装置则为整个轨道交通的安全运行提供了基础保证。而实际运行结果证明，现有综自厂家通信管理机存在以下问题[2]。

问题 1：单一网络、单一主机的通信机运行模式,单机运行的管理机一旦发生故障即可能造成综合自动化系统的瘫痪，是现有牵引或轨道交通逐渐摈弃的通信模式。

问题 2：为了保证可靠性，有的综自厂家也做到了双电源、双CPU互为备用，但这种功能需要由两台单独管理装置外加通讯切换装置组成，这种组合模式的接线方式及通信配置相对复杂，不利于现场施工及故障排查。

为了克服以上通信管理机方案中的缺陷， 本文提出了一种双机冗余切换的创新通信管理装置实施方案，本方案在电气化铁路、轨道交通综合自动化领域里的通信管理装置上进行了双机冗余切换的创新，与时下主流几大综自厂家的通信管理装置相比有明显优点：在同一装置内集成了主备用双机和双电源，外部接线简单可靠，当一侧电源故障或关机时，自动切换至另侧电源；正常运行时双机热备，主机取得各个规约接口的控制权利，当主机故障，通过硬件切换电路及软件控制备用机自动由备转主。从而保证通信系统稳定可靠运行。

1 方案概述

应用于牵引、轨道交通变配电所的通信管理机，在一个机箱里，集成了双电源、双CPU，双重通信模块，以及接口切换回路，能够实现双机热备冗余无扰切换功能,在通信主机工作时,热备冗余主机对运行主机进行实时监视, 当一台电源故障时，另外一台电源可立即对系统进行供电而不会使系统停止运行，当发现运行主机故障时,立即将热备冗余主机投入运行。

双机冗余切换上：母板上设计有双机切换电路，本电路选择日本松下继电器、通过硬件节点互锁，实现由双CPU中的主机（工作机）来获得对GPS、233/485等公共资源的控制权利，而备用 CPU（备机）则处于热备状态；双CPU通过内部通信协议来获知主备工作状态，如果工作机多次复位或得到控制软件的主转备指令，则自动释放控制权，备用机获知对侧变备信息或得到控制软件的被转主指令后，立刻给出主备切换脉冲获得共用资源的控制权，后台或远动即自动切换致新的主机单元运行。

2 实施步骤

下面结合附图对本方案从硬件组成、双机冗余热备进一步描述。

通信管理装置由机箱及各种功能模件组成。其中，除面板模件安装在前面板外，其他功能模件都采用背插式方式安装。CPU 模件、母板和电源模件为必选模件，串口模件、事故音响模件、KVM模件、GPS 模件等在内的其他模件，可根据功能需要自由定制，分布在装置插箱背部的8个插槽中。CPU和电源模件可以冗余配置构成双机热备系统，管理机硬件配置如图1所示。

图1 硬件配置图

下面就双机冗余热备部分的实现方案着重描述。

2.1 CPU模件设计

采用工业级ETX模块加载板构成。主频500M以上，内存512M-1G DDR，固态存储2G-8G，配置可随市场升级。含1路USB2.0接口、1路RS232C调试口和4路 10/100M自适应以太网口，以太网光纤接口可选，光纤接口符合100Base-FX标准。以太网口1和2一般用于所内通信，构成双网备用。以太网3和4口一般用于远动通信，支持多个调度，支持双通道备用。USB接口兼容2.0和1.0标准，用于接入普通USB外设，包括U盘，移动硬盘等。CPU模件另具有4路USB接口，通过KVM板引出。1路内部 RS232C串行口，用于连接 GPS模件。8路RS232C/485串行口，用两块串口板引出。

2.2 面板模件设计

面板有液晶和无液晶版本。当需要小的显示界面时，采用液晶面板，无液晶面板上面只有少量的运行、主机提示、故障等指示灯。

为更直观地解读 A、B冗余切换机制，首先对双机A、B机指示灯做以介绍。

信号灯说明。

运行绿灯：上电启动期间长亮，约 30s后进入运行状态，为间隔1s的闪烁。

主机绿灯：长亮表示当前为主机，不亮表示为备机。

故障红灯：红灯亮或闪烁表示有不同类型的故障。参考运行日志信息获取准确的。故障原因。

图8为膛内时期的弹丸的轴向、径向和横向加速。图8(a)为弹丸轴向加速度，其中工况2的弹丸轴向加速度达到了25 kg，工况3的弹丸轴向加速度达到了约22 kg；图8(b)和图8(c)分别为弹丸径向和横向加速度，工况3相对于工况1和工况2中，弹丸的径向和横向加速度最大值分别为1 kg和80 g，即工况3对于弹丸在膛内运动较为严峻，但仍然能够满足弹丸的实际射击范围。

2.3 电源模件设计

本模件为直流逆变电源插件。直流 220V或110V电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变及整流原理输出装置需要的四组直流电压，即1路5V、1路12V，2路24V。

1）5V是各模件的主电源。

2）12V用于给面板液晶供电。

3）24V第一路为用于驱动内部继电器的电源；24V第二路为外部开入的电源。

2.4 电源切换电路

管理机所有模件通过机箱母板相连，母板上设计有双电源切换电路，电源硬件通过日本松下DSP1-DC24V、DSP2a-DC24V继电器节点互锁实现，保证同一时刻仅主CPU拥有串口的控制使用权。母

板电源切换电原理图如图2所示。

图2 母板电源切换电原理图

2.5 配合硬件竞争逻辑，软件实现方案步骤

上电后，A/B机的运行指示灯闪烁会不同步。在主机（A或 B）获得有效的时钟后，会给备机对时，此时双机运行灯的闪烁应同步。即运行灯同步闪烁表示对时功能正常。主机绿灯长亮表示本机CPU当前为主机。不亮表示为备机。本机CPU进入运行后，通过硬件竞争逻辑或软件控制，CPU A或B之一进入主机状态。配合主机信号及硬件切换电路，主机获得串口的控制权，建立和所内装置的通信连接。

A、B机间隔 1s，依次上电，A机应为主机，启动过程中运行灯长亮，启动完成，主程序运行后，运行灯闪烁，CPU A和B的主机指示灯A机长亮，B机不亮，表示A为主机，B为备机，关闭主机A，面板主机应该自动切换到 B机（切换无延时），此时通过母板硬件继电器节点互锁功能，串口模件等公工资源电源回路也自动切换至B机电源供电。

双机冗余硬件切换如附图所示，软件控制双CPU通过内部通信协议来获知主备工作状态，如果工作机多次复位或得到控制软件的主转备指令，则自动释放控制权，备用机获知对侧变备信息或得到控制软件的被转主指令后，立刻给出主备切换脉冲获得共用资源的控制权，后台或远动即自动切换致新的主机单元运行。

2.6 外部接线模式

双机上电后，CPU A、B机分别通过以太网口或光纤接口1和2接入所内交换机构成双网备用，以太网3和4口一般用于远动通信，支持多个调度，支持双通道备用，公共串口模件根据需要在相应端口配置加载站内或调度通信规约模块，投入运行后即可实现双机冗余热备的运行方案。

2.7 装置模件组成

通信管理装置由机箱及各种功能模件组成。其中，除面板模件安装在前面板外，其他功能模件都采用背插式方式安装。CPU 模件、母板和电源模件为必选模件，串口模件、事故音响模件、GPS 模件等在内的其它模件，可根据功能需要自由定制，分布在装置插箱背部的8个插槽中。CPU和电源模件可以冗余配置构成双机热备系统。

2.8 地铁项目的典型配置

典型配置取消了串口和GPS插件，含双CPU，事故音响，两块规约转换板用于接入所内的智能装置，或用于单网到双网的转换。

2.9 牵引所的典型配置

牵引所（含变电所、开闭所等）配置串口板用于接入其他厂家的智能设备，含双CPU，事故音响,无人值守分区所可以采用含液晶面板，管理装置含当地监控系统功能，变电所、开闭所所等无需配置单独的当地监控系统。

3 本方案的有益效果

本方案在电气化铁路、轨道交通综合自动化领域里的通信管理装置上进行了大容量高性能、双机冗余热备等多种创新，具有集成度高，便于实现通信资源共享，外部接线简单，冗余热备用安全可靠等特点，本方案采用工业级ETX系统核心模块，处理能力强，保证系统稳定可靠运行；标准X86架构工控模块，商用嵌入式操作系统，满足实时性要求，具备良好的移植性和维护性；512M-1G DDR内存，2-8G高速固态存储，保证了数据处理和存储能力；本方案已经成功应用在多条电气化铁路，同时在南京地铁、沈阳地铁、深圳地铁、天津地铁、苏州地铁等轨道交通供电SCADA系统中得到了广泛应用，创造了良好的经济和社会效益。

4 结论

本方案提出了一种集成式双机冗余通信管理机实施方案，软硬件模块化结构，根据不同应用需求灵活定制，便于工程实施及维护和升级，高性能的软硬件平台兼容了电气化铁路及轨道交通大容量复杂通信的要求，通过硬件竞争逻辑或软件控制共同实现双机冗余功能，实现了集成式管理机仅主机拥有公共资源的控制权，建立和所内装置及调度端的通信连接，保障了通信的畅通，实现了通信管理机无缝主备切换，提高了通信系统的可靠性。在目前牵引及地铁项目大力发展这一背景下，本方案必将创造良好的经济效益。

[1]李为为.城市轨道交通调度指挥智能集成系统研究[D]. 北京交通大学;2006.

[2]贾利民,张锡第,蔡秀生,张一军,杨悌惠.铁路运输自动化——现状,问题与挑战[A].1994年中国控制会议论文集[C].1994.

[3]赵望达.高速铁路安全监控和信息传输系统的研究[J].中国铁路,2004,8.