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基于MODBUS协议的综合监控与信号系统间接口设计
发布日期:2019-04-25 15:30:13
崔     超, 郭  进
( 西南交通大学信息科学与技术学院, 成都 611756)
 
摘    要: 参照城市轨道交通综合监控系统工程设计规范( GB50636-2010) ,研究综合监控系统与信号系统在 中心、车站和就地级的接口方式,更好地实现互联互通和系统间联动。  中心采用基于 ModbusTCP协议的冗余 前置机进行通信,故障后可自动切换从而有效提高系统可靠性,就地级采用紧急后备盘硬线连接信号设备。 详细并超前设计出系统在中心的传输点类表,实现列车、站台、供电区、火灾报警以及客流预警等消息的传输, 为实际现场和实验室仿真条件下的系统间接口开发提供借鉴。
关键词: 城市轨道交通; 综合监控; 信号系统; 接口设计; 互联; ModbusTCP
中图分类号: U231.7   文献标志码: A    文章编号: 1672 -6073(2017)02-0082-04
 
DesignofInterfaceBasedonModbusTCPProtocolbetweentheIntegrated SupervisionandControlSystem andtheSignalSystem
CUIChao, GUO Jin

( Schoo1ofInformation Scienceand Techno1ogy, SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu 611756)

Abstract:Referring to Codefordesign ofurban railtransitintegrated supervision and  controlsystem engineering ( GB50636 2010),thispaperstudiesthetypesofinterfacebetween theintegrated supervision and controlsystem and thesignalsystem atthe center, station and  locallevels, aiming  to  achievebetterconnectivity  and  interoperability.Redundantcommunication  based  on 1odbusTCPprotocolatcenterstageimprovessystemreliability effectively, which can automatically switch afterfailure.Atthelocal level, theintegrated backup panelconnectssignalequipmentviahardwire.An advanced and detailed pointclasstablewasproposed
to realizeinformation transmission, including trains, stations, powersupply areas, firealarm and passengerflowwarning, etc.
Keywords: urban railtransit; integrated supervision and controlsystem; signalsystem; interfacedesign; interconnection; 1odbusTCP
 
       截至 2016 年 2 月,我国内地申报轨道交通(地铁、轻 轨)获得批复的城市已经达到 40 座,其中信号控制系统 是保障列车运行效率和安全性的有效措施,同时为了更 好地提高轨道交通运营效率和管理水平,实现各个子系 统之间的信息和资源共享,需要提供一个综合的自动化 监控系统,即综合监控系统( ISCS) [1 2] 。  目前综合监控 系统在城市轨道交通中的应用越来越广泛。
       考虑到安全等因素,综合监控系统与信 号 系 统 目前普遍采用的接口方式为互联,综合监控系统对信号系 统只监视而不控制。  研究两者的接口设计并完善互传信 息内容,对于现场设计和实验仿真具有重要的参考意义。
 

1   综合监控系统模式及构成
       综合监控系统是一个集成和互联了众多子系统的 信息共享平台,它将各种设备信息和运营管理信息综 合并加以利用,实现各系统之间的模式联动控制,为现 场设备的统一维修和控制提供可靠的数据及技术保 证[3] 。  综合监控采用中心级、车站级两级管理及中心 级、车站级、就地级三级控制的运营管理模式[4] ,具有 正常工作、灾害工作和维修工作等基本工作模式。
       综合监控系统中子系统的连接方式主要有互联和 集成两种方式[5] 。  互联是综合监控系统与子系统间为松糯合,子系统具有完整的操作界面和独立的传输 网络,可以脱离综合监控系统独立运行。  集成是将子 系统的功能完全纳入综合监控系统中,具有紧糯合关 系,子系统不具有独立的传输网络[6] 。
       综合监控子系统主要有电力监控系统( PSCADA)、 环境与设备监控系统( BAS)、视频监控系统( CCTC)、火 灾报警系统(FAS)、站台门系统( PSD)、自动售检票系(AFC)、广播系统(PA)、乘客信息系统( PIS)、时钟系统(CLK)、信号系统(SIG)以及不间断电源系统(UPS)等。
       根据城市轨道交通综合监控系统工程设计规范要 求,PSCADA、BAS 应集成到综合监控系统中;FAS 可以 根据技术条件集成到综合监控系统中;PA、CCTV、PIS、 FAS、AFC、CLK、PSD、SIG等互联接入综合监控系统中[7] 。
       ATS( 列车运行监控系统) 虽不是故障安全系统, 但由于与故障安全系统 ATP( 列车运行防护) 系统等进 行信息交互,故需满足 SIL2 安全等级。  如果将 ATS 系 统完全集成到综合监控系统中,由综合监控系统直接 负责行车调度指挥和信号设备监督控制,则存在一定 安全风险;同时目前各信号系统开发商产品设计方案 并无标准规范, 平台之间的整合开发具有一定的难 度[8] ,有些线路是开通运营一段时间后才接入综合监 控系统,而信号系统是线路开始运营的必备子系统,因
此目前综合监控系统与 ATS 之间普遍采用互联方式。
 

2    Modbus协议介绍
       Modbus协议是 现场工作控制领域中应用最广泛 的通信协议之一。  Modbus采用主从通信方式,主设备( master) 主动查询或操纵从设备( s1ave) ,从设备进行适当动态响应。  主设备主要包含工控机和设备控制器等,从设备主要有 PLC可编程控制器等[9] 。
       自 1979 年 Modbus协议应用于工业现场以来,成千 上万的现场设备之间可以实时、稳定地相互通信。  互联 网组织宣布也可以使 TCPIIP枝 上保留的 502  端口访 问[10] 。  ModbusTCP就 是简单地将 Modbus帧 嵌入 到 TCP帧中,TCPIIP的请求 I应答机制能和 Modbus本身的 主 I从机制很好地配合工 作。  在本设计中综合监控与 ATS 在中心采用基于 ModbusTCP的协议进行数据接口。 图 1 为 Modbus对应于编程中的通信请求响应模型。

       使用 ModbusTCP协议通信时,报文中会包含 MBAP 头和 ModbusData。  ModbusData包含功能码、寄存器起 始、终止地址以及传输数据等。  在设计中可根据需要使 用特定的功能代码,具体格式可参照文献[10]。
       ModbusTCPIIP技术以 其可靠、实时、开放、稳定、 交互性好等优势在城市轨道交通领域得到了广泛应 用。  采用 Modbus协议易跨平台连接,实现双机冗余结 构,可用性和可维护性强[11] ,因此目前的信号系统与 综合监控系统之间的接口普遍基于 Modbus协议通信。

 

3    ISCS与信号系统的接口设计
       信号系统与综合监控的接口设计如图 2 所示[12] ,在中心、车辆段备用中心和车站存在系统间接口[13] 。

 

       中心处采用冗余前置机( FEP) 与接口交换机相连形成交 叉 互 联。  综 合 监 控 系 统 ( ISCS ) 与 信 号 系 统( SIG) 冗余的前置机分别运行于主从模式,且同一时刻 只有运行于主模式下的接口前置机传输的数据才有 效。  在 ModbusTCP协议中将 ISCS FEP设为客户端,并 以周期 500  ms对 SIG进行状态轮询,SIGFEPA根据信 号端中心实时服务器中的设备状态信息进行动态响 应。  当 SIG需 获取 ISCS  信息 时 则 将 请 求 标 志 置 位, ISCS 会依据综合监控端中心实时服务器中的设备状态 信息进行回复。  在 ISCS 与 SIG各自的系统内部,冗余前 置机之间会以一定周期发送心跳检测报文来获取对方 的运行状态,当从机一定周期内未获取主机心跳报文或 报文连续严重错误时,则从机接替主机并提示报警信 息,此时原从机升级为主机,并依据中心实时服务器中存储的数据进行初始化后正式与对方的主机进行信息 传输;对于系统之间的通信状态检测,由于 Modbus协议 是基于消息响应机制的,这种机制可以方便进行目标设备故障状态检测,在一定周期内若 ISCS 未获取响应或 SIG未获得轮询则可认为目标机处于通信故障状态,此 时应输出报警信息并显示到各自界面中。  为保证系统 在故障发生时传输的信息仍然为有效数据,应确保 ISCS 与 SIG的内部和系统间的信息同步。  在时间同步方面利 用冗余的时钟系统为 ISCS 和 SIG提供统一的基准时间, 保障信息的准确性和实时性-在系统内部数据同步方面 采用域控制方式,控制中心设置中心域存储全线设备信 息,在设备集中车站设置车站域,存储属于本设备集中 站的相关数据。  在正常运行模式下,综合监控系统与信 号系统之间的交互信息以中心接口处传输的内容为准, 中心在获取对方更新状态后将信息存储于本中心实时 服务器中,并将其更新转发至各自系统内对应的车站实 时服务器中,当中心网络故障无法实现系统间在中心接 口的信息传输时,应输出报警信息并于动或自动切换至 车站交互模式,交互信息以存储于车站实时服务器的信 息为准,并利用车站 FEP进行系统间数据传输。
       为简化系统间设计,综合监控系统、信号系统的车辆 段备用中心以及车站间网络采用单前置机作为后备模式 传输,并采用网络接口方式,传递包括列车、站台、区段等信 息,其余信号设备(信号机、计轴设备)的信息可以作为预留。 在车站, ISCS  就 地 级 控 制 系 统 采 用 紧 急 后 备 盘( IBP) 控制方式,与信号系统间采用硬线连接方式,可 直接下达指令到车站设备,如扣车、放行、紧急停车等 与信号系统相关的指令[14] 。


4     接口传输内容设计
       根据 2010 年住建部和国家质量监督检验检疫总局 联合发布的《 城市轨道交通综合监控系统工程设计规 范》(GB50636 2010) 中要求,综合监控系统与信号系 统间传输的信息应包含列车信息、阻塞信息以及通道检 测信息并进行显示。  宜根据信号系统提供的列车实际 运行信息,将其接入到 PA和 PIS 中进行显示,综合监控 系统可以进行与列车有关的联动。  在车站控制室内,综 合后备盘上应设有列车运行系统的紧急停车、扣车和放 行开关。  综合监控系统应向信号系统传输供电区带电 信息、站台火灾报警信息、乘客信息等,以使信号系统自 动或于动按照应急运营操作规程进行相应的操作。
       信号系统与综合监控系统在获取对方信息后,当检 测到故障发生时,会根据应急处理规范自动或于动联动 相关设备,如综合监控系统检测到信号系统发送的列车 区间阻塞信息时,会根据列车所在运行区间进行联动,开启区间通风和照明系统,切换 CCTV画面,利用 PA与PIS 通告乘客,并通知维修人员尽快到位恢复故障。
       根据 GB50636 2010 设计规范中要求的传输信息, 接口间传输的信息点类表设计如表 1 所示,假设线路中 共有 n 辆车,m个站台。

 

       因信号系统与综合监控系统在实际开发中通常由 不同厂家分别开发后再合并联调,因此各方在单独开 发时,可借助 Modbuspo11Is1ave模拟软件进行辅助测试 验证结果,以缩短后期的联调周期。  按照本文设计的 传输格式,假设现行线路中有 2 列车 15  个站台,信号 端采用程序设计,综合监控端借助辅助软件模拟,最终 轮询结果显示如图 3 所示。
 
5    总结与展望
       本文主要介绍了目前综合监控系统和信号系统间 的接口,并对中心的接口进行了详细设计,对于车站的 硬线接口, 可采用直连的方式对信号设备进行控制。 随着技术的发展,目前已有大量关于信号系统集成到 综合监控系统中的研究。  将 ATS 集成到综合监控系统 中将是未来轨道交通自动化发展的趋势,香港、新加坡 及一些轨道交通发达的城市对于综合监控系统集成 ATS 已有成功运营的案例。

收稿日期 2016 03 13 修回日期 2016 03 30
第一作者      崔超,男,硕士研究生,城市轨道交通信号研究方向,
ccydgj@163.com
基金项目  中国铁路总公司科研计划重大课题( 2O13XO12  A  1, 2O13XO12  A  2,2O14XOO8  A)

 

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