基于组态软件的城市轨道交通综合监控系统与火灾报警子系统通信协议研究*

陈瑞峰

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070



基于组态软件的城市轨道交通综合监控系统与火灾报警子系统通信协议研究*

陈瑞峰

上海电气集团股份有限公司 中央研究院 上海 200070

在城市轨道交通综合监控系统(ISCS)中，火灾报警系统(FAS)是重要的子系统之一。在现场工程实践中，由于各个厂家设备的特殊性，不具备通用的通信协议与驱动，导致组态监控软件无法与设备进行直接通信，因此需要进行定制化开发。提出了一种基于组态软件的ISCS与火灾报警子系统的通信协议，对通信流程进行了介绍，并对报文帧结构进行了分析研究。这一通信协议实现了监控系统与报警子系统之间的数据互通，可实时反馈报警信息，效果良好。

组态软件； 城市轨道交通综合监控系统； 火灾报警系统； 通信

轨道交通车辆等装备的国产化和产业化已被列为上海市工业发展的重点[1]。在不断对车辆等硬件设备进行研发的同时，更应加强对整体系统监控软实力的提升。其中，城市轨道交通综合监控系统(ISCS)是重要组成部分，通过专用接口,集成或互联了轨道交通中的众多专业自动化子系统，如电力监控系统(PSCADA)、环境与设备监控系统(BAS)、火灾报警系统(FAS)等。利用统一的信息平台对各专业子系统进行全面监控,实现各系统之间信息的无障碍交互和各子系统之间的有效联动[2-3],从而保证轨道交通能安全高效运行,为城市轨道交通现代化管理提供信息化基础。

由于许多子系统有特殊性，因此需要对通信驱动进行定制化开发。实践中，以能美FAS为基础，通过各种传感器将火灾信号传输至火灾监控中心主机，监控中心主机按设计程序联动自动喷淋、紧急广播、火灾电话等子系统，并与闭路电视系统、给排水系统等实现联锁控制，从而将火灾的损失降到最小[4]。

笔者对通信驱动的实现方法及ISCS通信过程进行了研究，解决了ISCS与子系统不兼容的问题，弥补了现有平台软件的不足。

1 ISCS与火灾报警子系统

ISCS多采用三级控制的分层分布结构，由中心级综合监控系统、车站级(车辆段)综合监控系统及网络系统构成。网络系统由主干网与局域网组成，每个车站的监控信息先由车站级局域网传输至主干网,再通过主干网传输至控制中心,进而实现多层次多系统的综合监控。作为综合监控系统核心的软件系统,按照功能逻辑可分为三层： 数据接口层、数据处理层及人机接口层[5]，如图1所示。

图1 ISCS软件系统架构示意图

组态软件可针对ISCS进行专业化开发，为用户提供针对数据采集及过程控制的专业开发环境和系统运行环境。上海电气集团股份有限公司的NetControl是一款针对多行业监控系统应用的组态开发工具，可在轨道交通中实现ISCS所需要的相应界面及图形工具。

ISCS接收FAS监控对象的主要运行状态，包括火灾报警或重要系统报警，并显示具体报警部位。当发生火灾时，车站级FAS直接向BAS发送模式指令，并上传至ISCS，监视FAS发出的火灾模式及BAS执行的结果状态，根据火灾模式，启动广播系统进入消防广播状态，然后进行火灾报警及故障数据的存储。系统还具有报警信息、状态信息的报表分类查询及打印功能。

2 FAS通信架构

火灾信息探测与数据处理方式、火灾探测器与火灾报警控制器之间的配合,决定着FAS的功能与结构形式,能美R-23系列FAS采用分布智能系统，结构如图2所示[6]。分布智能系统中的火灾探测器,仅为火灾传感器,无论烟雾影响有多大,探测器本身并不报警,而是将烟雾影响产生的电流电压变化信号通过编码电路传送至区域消防主机,再由主机内置软件进行探测器信号与大量典型信号的比较，产生一系列报警信号和控制动作。这样的处理方式能够大大降低误报率,提高可靠性[7]。

图2 能美FAS结构示意图

通过定时扫描发送数据表，通信软件能够将由图形监控软件下发的数据迅速发送至指定的FAS。通过实时扫描各FAS设备的通信端口，通信软件可以快速取得各个FAS上传的数据，通过格式转换后立即上传至数据库，供图形监控管理软件读取处理。整个系统是综合集成不同FAS的监控平台，实现了不同种类FAS信息的共享，降低对计算机硬件设备的需求，多个不同种类FAS只需使用一台监控计算机。

组态软件中通信驱动的开发与开发环境和运行环境高度相关，通信驱动需要读取用户配置，并根据用户配置与具体协议形成报文格式和解析方式。在组态软件中，用户进行输入输出接口配置时需要选择与现场实际要求相符的通信方式。串口通信需要设置端口号、波特率、校验位和数据位等信息，要针对实际情况进行具体设置。在通信驱动开发中，可以通过开发环境的开放接口进行可扩展应用程序标记语言(XAML)的设计，效果如图3所示。

图3 用户设备信息配置界面

3 ISCS与火灾报警子系统通信协议解析

火灾报警子系统具备的功能包括当前和历史的报警、故障信息查询，监测点现场环境状态数据查询，消防设备、防火分区查询，设备布点信息浏览等。能美设备的接口软件对外通信端口配置(GTW)服务模块用于显示GTW的类型、通信参数、开启状态、故障状态和数据通信等。火灾报警子系统通信流程如图4所示。

图4 火灾报警子系统通信流程

通信连接过程的实现方法如下： 首先重写底层的连接方法[8-11]，然后再做一个通信标志位，用于验证通信连接进入第几步，同时指定回复信息的格式要求，最后在对应的服务方法中进行具体格式要求的解析，完成连接确认。具体编码如下：

protected override ExecutionResult Connect()

{

ExecutionResult newConnect=new ExecutionResult();

if(connectMask==false)

{

CommandInfo InitcmdInfo1=new CommandInfo() {Content=mProtocol.InitPackage()};

ResponseInfo responseInfo1=new ResponseInfo()

{

ResponseType=ResponseType.L,Length=5,

};

InitConnect.Add(InitcmdInfo1, responseInfo1);

var conresult_Init=base.GetServiceResult(InitConnect, “InitPackage”);

if(conresult_Init!=null)

{

if((bool)(conresult_Init))

{

newConnect.IsSucceed=true;

Send(mProtocol.ACKbag());

}

else

{

newConnect.IsSucceed=false;

Send(mProtocol.NAKbag());

}

}

else

{

newConnect.IsSucceed=false;

newConnect.Message=Resources.ErrCheck;

}

}

图4中ACK(肯定应答)包与NAK(否定应答)包的具体格式见表1。

表1 应谷数据包帧格式

能美FAS的通信帧格式分为读数据和写数据，数据包信息编码统一为D，称为DATA包，控制包信息编码统一为C，称为CTL包，报文帧标准格式见表2。

表2 报文帧标准格式

表2中的设备编码包括接口模块号和设备所属系统信息，在图3所示设备参数中有具体体现。此外，报文帧中还包括模拟或数字检测量的长度、相关数值，以及具体时间和备注信息。

在通信过程中，设备先向ISCS发送PING包,用于定时确认信息，PING包的帧格式见表3。当串口成功打开后，系统发送INIT(初始化)包，其帧格式见表4。基于外部应用系统要求，GTW模块可以发送当前现场状态信息，支持两种发送级别，其中I级发送所有实时报警、故障、动作和状态信息，F级仅发送实时报警信息，缺省设置为F级。

表3 PING包帧格式

表4 INIT包帧格式

组态软件实现发送帧的方式有两种： 一种是直接建立Byte数组，逐个字节添加；另一种是直接建立String类型的字符串，然后再单独另写方法将其转换为Byte数组。

当监控中心与FAS的通信成功连接后，FAS设备将发送数据信息帧D002 02 1013 0 004 02 05 20050421 103607 T9N，其具体含义见表5。

表5 数据帧具体含义

通过人机接口可以在屏幕上直接进行控制操作，改变运行状态，系统将传回的信息直观地在屏幕上显示出来。接收到报文后，工作人员可方便读取状态信息及所对应的时间信息。FAS规定了探测器和终端设备之间不同状态编码的具体含义，其中004对应的功能码为报警类型，报文含义为2号主机，地址1-013，报警号05，发生时间2005-04-21 10： 36： 07。

发生报警时，FAS直接向BAS发送模式指令，并上传ISCS，通知系统广播播放信息。不同状态编码对应不同的信息含义，在具体实践中，可将状态编码作为整个系统监测点的点表来使用。

表5中N表示正常信息，对CTL包备注编码，固定为字符N。T9为校验和的数值。若报文解析正确，ISCS会发送ACK包，表示信息接收成功。相反，如数据包解析不正确，则认为通信失败，回复NAK包。若6次连续接收到NAK包或超过500ms 未接收到任何包，则系统认为通信结束。

组态软件需对发送的报文进行具体解析，其中重要的一个环节就是判断状态编码。首先遍历整个寄存器列表，然后判断状态编码是否一致，如果一致，那么将对应的值写入相应的寄存器中，其效果如图5所示。

图5 火灾报警子系统读取报警信息

基于上述原理及实现方式，可利用FAS的对外串行数据通信接口,实现监控终端系统对子系统数据的互通互联。通过分析FAS的数据通信协议,可在上传至ISCS的数据中获得报警部位、报警类型、系统运行状态、故障信息、工作记录等关键信息，便于监控室相关工作人员使用。

4 结束语

ISCS与车站FAS的通信至今仍未形成统一的标准，且没有成熟的解决方案，众多厂家的设备不能实现互通互联。为解决设备与ISCS之间的通信，通过对用户配置信息进行读取和建立帧格式，并与软件接口配合,妥善解决了工程实施中的个性化通信驱动问题。笔者基于能美设备实现了FAS与ISCS间的通信，介绍了整个通信流程，有效解决了平台与子系统间不兼容的问题。当然，笔者所述实现方式也有一定适用范围，且存在继续改善的空间，这些需要在后期工程中不断验证与完善。

[1] 尹力明，刘俊艳，冯国强.交流变频控制系统在城市轨道交通车辆中的应用[J].装备机械，2010(2)： 44-50.

[2] 季伟斌.国内地铁综合监控系统应用[D].上海： 复旦大学，2006.

[3] 柳彦青,朱志平.城市轨道交通综合监控系统浅述[J].上海电器技术.2006(4)： 49-52，56.

[4] 刘钧,马旭东，施健.基于能美火灾自动报警通信协议的串行通信的实现[J].工业控制计算机，2001,14(6)： 17-20.

[5] 阳若宁.城市轨道交通综合监控系统的组成与应用[J].湖南广播电视大学学报，2011,47(3)： 53-56.

[6] 火灾自动报警系统施工及验收规范： GB 50166—2007[S].

[7] 陈在坤.火灾报警系统的后台通信设计与实现[D].贵阳： 贵州大学，2009.

[8] NAGEL C， GLYNN J， SKINNER M. C#高级编程——C#5.0&.NET 4.5.1[M].李铭，译.9版.北京： 清华大学出版社，2014.

[9] 王云鹏.C#新手开发实战演练[M].北京： 中国铁道

出版社，2009.

[10] 夏元良.火灾计算机监控管理系统的设计与实现[D].大连： 大连理工大学，2006.

[11] 刘长安.火灾报警通信系统设计与实现[D].沈阳： 东北大学，2007.

(编辑： 启 德)

In ISCS, the FAS is one of the important subsystems. In the field engineering practice, due to the specificity of equipment coming from various manufacturers, it is not available to have a common communication protocol and drive, as a result, the configuration monitoring software can not communicate directly with the equipment and it needs to be built to order. presented a communication protocol between ISCS and FAS based on configuration software with an introduction on the communication process and analytical study of the frame structure of the message. This communication protocol realizes the data intercommunication between ISCS and FAS while feeding back the alarm information in real time and its function is good.

Configuration Software； ISCS； FAS； Communication

2016年12月

陈瑞峰(1988— )，男，硕士，助理工程师，主要从事通信协议研究及通信驱动开发工作， E-mail： chenrf2@shanghai-electric.com

TM-9；TP393.04

A

1674-540X(2017)02-005-05

*上海市科学技术委员会企业合作专项(编号： 15dz1180400)