广州地铁早期线路自动化系统集成接入难点分析

广州地铁早期线路自动化系统集成接入难点分析

刘建委1韩燕东2

1.广州地铁集团有限公司广州510000;2.广州白云电器设备股份有限公司广州510460

摘要早期广州地铁由于建设时期技术条件的限制，各个机电自动化系统往往采用分立设置、独立管理的方式，没有设立综合监控管理系统,各种系统的数据无法统一收集进行综合的分析判断利用,整体的运营维护难以满足未来线网运营管理的要求。针对这种情况，本文通过对早期线路机电系统调研、分析、测试，提出了解决广州地铁8号线BAS、FAS、PSCADA系统接入信息集成系统的技术堡垒的方案和思路，将有效指导广州地铁8号线机电自动化系统升级改造。

关键词OPCServerRS422系统接入地铁综合监控系统

1背景

现代化的轨道交通运营管理要求在功能强大的开放性集成软件开发平台的支持下搭建综合监控系统,实现信息互通和资源共享，将中央调度人员和车站值班人员所关心的监控信息汇集在一起，最终用户通过图形化人机界面,方便有效地监控管理整条线路相关机电系统的运作情况。

2003年，广州地铁从3号线开始建设综合监控系统，后期的线路也都通过综合监控系统建立统一的软硬件平台，实现资源共享、互联互通、设备集中管理和维护，提高地铁整体运营管理水平。

但对于更早期的地铁线路,如广州地铁1、2、8号线,由于当时技术水平的限制,没建设综合监控管理系统,各种系统的数据无法收集进行综合的分析判断利用,运营维护无法适应并跟上未来运营管理的要。这需要我们对早期线路机电系统调研并进行必要的分析测试,实现系统的接入。

通过深入的系统分析调研、大量的通讯测试，采用软件组件层及安全隔离的现场总线层接入技术，解决了原系统存档资料少、设备停产无更换、现场夜间测试作业时间短等一系列问题，实现了广州地铁8号线磨碟沙样站BAS、FAS、PSCADA系统接入信息集成系统。

2系统现状

2.1环境与设备监控系统(以下简称BAS系统）

BAS系统对全线各车站及区间内的通风系统、空调系统、冷水系统、给排水系统、照明系统、自动扶梯等设备的运行进行自动化管理。中央级由中央调度人员监控，负责全线所有车站的系统监控；车站级由当站的值班人员在车控室负责本站系统的监控；就地级为PLC控制器。BAS系统网络图见图1。

图1BAS系统网络图

BAS系统的中央级采用C/S架构，运行通用电气公司的CimplicityHMIServer软件。

2.2火灾自动报警系统(以下简称FAS系统）

FAS系统采用霍尼韦尔公司生产的XILS1000控制器组成环网，在同层通讯网络（peertopeer）当中每个控制器是平等的，无主次之分，每个控制器都可以控制整个网络。在防灾控制中心能够对全线报警系统实行集中监控管理，随时掌握全线动态情况，地铁各车站级设备又是独立的报警系统，在其所管辖范围内，对火灾状况进行监测报警和实施有关消防操作。FAS系统网络图见图

图2FAS系统网络图

2.3电力监控系统(以下简称PSCADA系统）

PSCADA系统控制中心由双以太局域网络、COMPAQALPHA主备服务器、COMPAQALPHA主备操作员工作站、WEB工作站、COMPAQ主备前置工作站、前置机等设备构成。PSCADA系统的网络图见图3。

PSCADA站级与控制中心之间的远程通信接口标准采用全双工RS422串口（通信协议采用101规约，通信速率为9.6kbps）。系统具有遥控、遥信、遥测、主要控制闭锁、调度事务管理、用户画面显示、信息修改等功能。

图3PSCADA系统的网络图

3集成方案

3.1接入系统现状

通过对BAS系统的CimplicityHMI软件进行详细的分析，确认了CimplicityHMI软件是一个开放的工业监控组态软件，支持OPC、DDE、ODBC等开放的数据接口，

查阅相关FAS系统XLS1000软件资料，并对FAS系统分析调研,了解到运行版本的接口不开放,需要升级版本才能支持OPC、DDE、ODBC接口.

最大的难点的是PSCADA系统,此系统国内厂家开发，并于2002年投入运行,开发时行业没有统一的软件层标准协议,也没有标准的开放接口，且找不到PSCADA系统存档的软件资料,所以PSCADA系统的接入系统是一大难点。更大的问题是,PSCADA系统正在运行的服务器型号已停产，没有多余的服务器供测试分析,所以连基本的DLL动态库API函数调用都无法验证。

3.2接入系统解决思路

对于系统的接入,通常有两种方式：

系统组件层接入；

系统总线层接入。

3.2.1系统组件层接入探讨

系统组件层接入主要从系统层面考虑，通常有COM/DCOM(OPC)(组件/分布式组件对象模型)，DLL(DynamicLinkLibrary,动态链接库)，ActiveX，DDE（DynamicDataExchange，动态数据交换）等。系统组件层接入对比分析见表1。

表1：系统组件层接入对比分析

软件组件接入类型不影响运行易仿真测试现场接入快成本低COM/DCOM√√√√DDE数据交换√√DLL动态库√ActivX控件√ODBC数据库√√√Sockets(TCP/IP)√CORBA√

对于系统组件层接入方式，需要考虑不影响地铁现有系统运行。从表1，我们可以看到COM/DCOM是最好的选择。对于DLL，ActiveX，因为不支持分布式，需要在原有系统的服务器上安装数据转发程序；而Sockets(TCP/IP)需要底层编程，更不可取。

3.2.2系统总线层接入探讨

系统总线是指安装在现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，是自动化领域中底层数据通信网络。

系统总线在物理接口链路上最终需要应用层的协议,所以系统总线是由物理接口链路和应用协议构成。我们常用的系统总线物理接口链路及应用协议如表2：

表2：常用系统总线物理接口链路及应用协议

物理接口应用协议备注CANCANOPEN开放的设备层协议DeviceNetA-B公司主导设备层协议RS485/RS422ModbusRTU最开放的协议IEC60870_5_101电力调度的串口协议IEC60870_5_103继电保护信息接口标准DLT645电能表通信协议Profibus西门子主导串口协议以太网IEC60870_5_104电力调度的网络协议ModbusTCPModbusRTU的网络协议PROFInet西门子主导网络协议Ethernet/IPA-B公司主导网络协议同轴电缆ControlNetA-B公司主导控制层协议

从表2可以看到，通用的系统总线物理接口基本是串口和以太网，我们可以外加同样的物理接口设备并通过一些软件如串口助手、Sniffer嗅觉器录取通讯报文，判定通讯规约及数据信息。

根据系统调研分析及初步的测试验证：

BAS、FAS的现有系统或进行软件升级后都支持OPC、DDE、ODBC接口，所以采用系统组件层的DCOM(OPC)接入。BAS、FAS系统集成接入网络图见图4。

图4BAS、FAS系统集成接入网络图

对于PSCADA系统，因为缺少系统组件层的资料，既有系统无多余计算机可提供测试分析，故系统组件层很难接入，在不影响PSCADA系统运行的情况下，只能考虑系统总线层接入。

对现有的PSCADA系统分析后发现，整条线的PSCADA系统的电调中心与每个车站控制屏都是点对点通讯的，物理接口为RS422（中间通过光纤网转换）。

PSCADA进行系统总线层接入，在PSCADA电调中心与车站的RS422总线上接入一个通讯管理机，正常情况下转发电调中心与车站的通讯数据，如新的信息集成系统需要控制车站设备时，可通过通讯管理机直接下发命令到车站，新的信息集成系统也可在未来代替老的电调中心的功能。PSCADA系统集成接入网络图见图5。

图5PSCADA系统集成接入网络图

3.3系统集成接入中的难点与对策

信息系统集成接入是将不同厂家的系统及产品通过软件技术集成在一起，很多时候理论上是正确的，但在实际中会遇到各种版本的差别，操作系统环境的差异，设备硬件物理接口的不一致，导致实际项目中存在很多不确定的因素，形成项目难点。

3.3.1BAS、FAS系统接入分析

BAS、FAS系统采用OPC接入，因为OPC技术依赖于DCOM架构，包括Windows安全和防火墙设置、访问控制列表、Server认证等，在OPC接入的调试中。我们发现了OPCDCOM配置过程中最易发生但又最难解决的几个核心问题，并找到了解决方案。

1)不能浏览远程计算机的OPCServer

造成这个问题可能有如下原因：

OPCEnum没有安装。

OPCEnum被禁止。

匿名访问权限没有被设置。

2)不能连接远程计算机的OPCServer

需要检查一下OPCServer是否被禁止。

用户身份认证失败

访问控制列表问题:可能由于账户在ACL中没有相应的操作权限而被操作系统拒绝访问。

3)所有的Item显示为bad

在OPCServer里的数据实际就是bad:即OPCServer没有正确的获得数据。

回调失败:由于OPCClient采用订阅的方式来更新，故可能由于回调失败导致所有的Item显示为Bad。

3.3.2PSCADA的接入分析

PSCADA采用RS422接入，RS422实际上是有两个RS485半双工芯片组成的全双工通讯,RS-485接口在不同的使用场合，会采用不同的芯片，芯片及接口电路不匹配，就会可能导致通讯障碍。本项目中与PSCADA中的变电站RTU进行通讯时，以为厂家的RTU设备的RS485芯片采用的是常见的MAX485，造成最初调试不成功，最后查得资料，RTU设备采用是MAX483。

MAX483与MAX485最大的区别是，阻抗增加，且具有摆率限制，可以减小EMI，并降低由不恰当的终端匹配电缆引起的反射。

MAX483具有减小EMI性能同时具有低电流关断模式，仅消耗0.1μA。驱动器具有短路电流限制，并可以通过热关断电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。接收器输入具有失效保护特性，当输入开路时，可以确保逻辑高电平输出。

但在低功耗关断状态下激活驱动器和接收器要比在工作模式下激活驱动器和接收器需要更长的时间，接收器传输延时测试电路和测试结果见图6、7、8、9、10所示。

图6.接收器传输延时测试电路

图7.MAX485接收器的tPHL图

图8.MAX485接收器的tPLH

图9.MAX483接收器的tPHL

图10.MAX483接收器的tPLH

接收器延时时间差|tPLH-tPHL|，对MAX485来说，其典型值小于13ns；对MAX483来说，其典型值小于100ns。

驱动器偏移时间，对MAX485典型值为5ns(最大值为10ns)；对MAX483来说，其典型值为100ns(最大值为800ns)。

芯片通讯特性都取决于驱动器与发送器传输延时的差别。故在一些总线接入时，需要考虑物理层上电路的区别，特别是旧系统的接入，只有精确分析，才能完美接入。

4系统集成实际效果

原有BAS、FAS系统作为OPCServer服务器,信息集成系统作为一个OPCClient客户端读取BAS、FAS系统数据，不影响原系统运行情况下进行了系统接入。

在不影响系统安全的情况下，通过物理接入RS422总线，将信息集成系统接入磨碟沙变电所前置PSCADA的主通道网络，通过抓取遥测、遥信响应总召报文，与现场的实际数据比较分析，确定遥测、遥信起始数据地址，并与点表匹配；由信息集成系统网关发出遥控报文，实现对特定设备的遥控。通过对录取到的报文进行逆向分析，并利用脱壳技术，对数据点进行核实，最终信息集成系统与原有PSCADA系统一样的操作画面和控制方式。

5结语

对正在运行的既有线路进行信息系统集成接入，需要重点考虑以下三点：

1、安全性：接入方案不能影响原来系统的运行；

2、仿真测试：现场接入调试都在夜间请点，时间非常短，需要作业前进行详细的仿真测试及准备工作，确保现场接入效率。

3、多专业深度分析：旧系统因为早期技术，接入不是个简单集成问题，还涉及到电子电路分析、软件开发等底层技术，需要多专业多角度分析制定解决方案。

通过对广州地铁8号线BAS、FAS、PSCADA系统进行信息系统集成研究，实现了BAS、FAS、PSCADA系统接入并挂网运行。具有一定的经济效益和社会效益。

1、与系统整体更换相比，本项目采取的自动化系统信息集成方法能够有效地利用原有自动化系统，最大化利用现有设备和系统，节约成本；

2、探索了既有线路各种自动化系统信息集成的分析和测试工具，提供高效可行的方法和建议，为既有线路改造及新线建设提供参考依据；

3、为机电设备资产的全生命周期管理提供可行的建议和方案。

参考文献

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