張文澗（1967-）

    男，碩士研究生，研究方向為地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)。


    摘要：信息技術(shù)的發(fā)展推動著地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)的不斷改進，PSCADA(電力監(jiān)控)系統(tǒng)作為承擔(dān)地鐵供電系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)的一個綜合監(jiān)控子系統(tǒng)，對它的安全可靠性要求與對電力系統(tǒng)保障供電的要求相近。PSCADA系統(tǒng)必須連續(xù)穩(wěn)定運行這一特點，要求我們在優(yōu)化其技術(shù)方案過程中，遵循行業(yè)特點，從實際需求出發(fā)循序漸進地穩(wěn)步推進。本文對三種有代表性PSCADA技術(shù)方案進行比較分析，闡述了在選擇PSCADA系統(tǒng)方案時應(yīng)注意的問題。文章素材來源于工程實施中遇到的問題。

    關(guān)鍵詞：PSCADA；組網(wǎng)方案；冗余；可靠性

    Abstract: The development of information technology promotes the improvement of Integrated Supervisory Control System of (ISCS) in the Metro system. As a subsystem of ISCS, PSCADA undertakes the task of Monitoring the power supply system.  The requirements of  safety and reliability for PSCADA system  are  similar to the requirements for the power supply system . Based on the continuous and stable running feature of PSCADA system, we should follow the profession characteristic and the practical demand to optimize the technology schemes progressively . This paper analyzes three different kinds of typical PSCADA technology solutions, and describes what we should pay attention at selection of technology solution for PSCADA system . The materials in the paper mainly come from engineering implementation.

    Key words: PSCADA; networking solution; redundancy; reliability

    在城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中，電力監(jiān)控系統(tǒng)作為其一個深度集成的子系統(tǒng)已在業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用。電力監(jiān)控系統(tǒng)的中央級（主控級）通常布置于控制指揮中心，車站變電所所內(nèi)電力監(jiān)控系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱PSCADA系統(tǒng)）在車站就地組建。PSCADA系統(tǒng)向上接入車站級綜合監(jiān)控系統(tǒng)局域網(wǎng)，向下與變電所內(nèi)綜合自動化間隔層設(shè)備接口，它與中央級（主控級）的通信通道和綜合監(jiān)控其他子系統(tǒng)共用。PSCADA系統(tǒng)的技術(shù)方案對確保地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)的整體可靠性至關(guān)重要。

    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，PSCADA系統(tǒng)的技術(shù)方案在不斷地尋求進步和完善。良好的組網(wǎng)方式及設(shè)備選型對PSCADA系統(tǒng)的安全可靠性提高十分關(guān)鍵。本文針對工程實施中遇到的問題，對三種有代表性的技術(shù)方案進行比較分析，闡述了在選擇PSCADA系統(tǒng)方案時應(yīng)注意的問題。

    為便于表述，對文中三個示圖中的圖符所代表的意義說明如下：紫色框內(nèi)的設(shè)備安裝于控制室通信控制屏內(nèi)；藍色粗線代表光纖介質(zhì)（網(wǎng)絡(luò)）；綠色粗虛線代表光纖介質(zhì)（串口）；青色粗線代表普通的串口連接；紅色線代表與PLC的I/O模塊連接的普通導(dǎo)線；黑色的連線代表雙絞線（網(wǎng)絡(luò)）；PSW代表交換機。三種方案的外部接口完全相同。

    1 方案一：分布式雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

    圖1中有4臺協(xié)議轉(zhuǎn)換單元，實際為不含任何旋轉(zhuǎn)介質(zhì)的工控機，并可按工程需求配置數(shù)量不等的網(wǎng)絡(luò)接口與通信串口，其作用主要是完成I/O服務(wù)，或者將它理解為間隔層與管理層的接口設(shè)備，簡稱為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元。符號“M/P”代表一種專用的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，其功能是將DC1500V系統(tǒng)繼電保護裝置的串口通信協(xié)議Profibus-DP轉(zhuǎn)換為Modbus-TCP。

    圖1中4臺協(xié)議轉(zhuǎn)換單元分散安裝在不同的設(shè)備房內(nèi)，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元-1安裝在地鐵車站變電所控制室內(nèi)的通信控制屏；協(xié)議轉(zhuǎn)換單元-2安裝于該變電所的400V低壓配電室，并為其在低壓配電室內(nèi)專設(shè)一面屏體；協(xié)議轉(zhuǎn)換單元-4安裝在跟隨變電所的400V低壓配電室；協(xié)議轉(zhuǎn)換單元-3安裝在變電所DC1500V高壓開關(guān)柜內(nèi)。為便于供電專業(yè)維修人員在車站的巡檢與作業(yè)，設(shè)置一套本地監(jiān)控機，它負責(zé)對本車站變電所及跟隨所供電系統(tǒng)的監(jiān)控，提供本站PSCADA系統(tǒng)的人機界面，不與車站局域網(wǎng)及地鐵控制指揮中心（OCC）主站進行數(shù)據(jù)交換。

        

                                    圖1   分布式雙以太網(wǎng)

    本方案實現(xiàn)了PSCADA系統(tǒng)通信層雙以太網(wǎng)冗余，當(dāng)PSW交換機或通信通道出現(xiàn)單點故障時，能夠避免系統(tǒng)通信長時間中斷。由于交換機與通信通道故障率很低，系統(tǒng)內(nèi)的故障多見于工控機，通信層雙以太網(wǎng)冗余的結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)整體的故障率降低實際作用并不大。如果要實現(xiàn)冗余到底的真正雙冗余PSCADA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，則要求每一臺繼電保護裝置及測控單元提供兩個冗余的接口（如同圖1中的PLC裝置），或者是繼電保護裝置本身實現(xiàn)雙冗余。然而，目前在安全性與可靠性要求較高的電力系統(tǒng)內(nèi)，也還沒有在220kV以下變電所普遍推廣完全雙冗余結(jié)構(gòu)。

    另外，本方案布局中還存在如下問題：① 協(xié)議轉(zhuǎn)換單元不能集中布置于控制室內(nèi)，而開關(guān)柜室相比控制室的環(huán)境條件（電磁擾動、機械振動、溫濕度、粉塵等）惡劣；②PSCADA專業(yè)的設(shè)備維修人員不具備在高電壓環(huán)境中進行作業(yè)的資質(zhì)，在巡檢與維修作業(yè)中會導(dǎo)致諸多不便，且對設(shè)備系統(tǒng)及人身安全均構(gòu)成威脅；③《地鐵設(shè)計規(guī)范-2003》要求“電力監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能應(yīng)包括以友好的人機界面實現(xiàn)系統(tǒng)維護功能”， 方案中協(xié)議轉(zhuǎn)換單元裝有操作系統(tǒng)與監(jiān)控軟件，需要定期巡檢與維護但它們一律未配置顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)，缺乏良好的人機界面；④協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的數(shù)量較多且分布過于分散，不僅給PSCADA專業(yè)設(shè)備巡檢工作帶來不便，同時也使建設(shè)成本有明顯增加。

    分布式處理系統(tǒng)適用于大型的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，地鐵車站級PSCADA系統(tǒng)的監(jiān)控點數(shù)較少，一臺普通的工控機足以處理全站的數(shù)據(jù)，而且設(shè)備在地下的安裝空間十分有限，上述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及設(shè)備配置存在諸多問題。

    2 方案二：集中式雙以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)

    地鐵車站級PSCADA系統(tǒng)采用集中式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，已是工程應(yīng)用的慣例。如圖2所示，它沿用了通信層雙以太網(wǎng)冗余的構(gòu)架，只是將第一種方案中幾臺協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的信息處理功能由兩臺冗余的主機各自獨立地完成，兩臺主機一主一備，主機之間通過心跳線連接，平時由主機處理相關(guān)業(yè)務(wù)，備機處于熱備狀態(tài)。當(dāng)偵測到主機發(fā)生故障不能正常工作時，備機立即接管相關(guān)業(yè)務(wù)。任意一臺主機均可完成全站數(shù)據(jù)的采集（包括協(xié)議轉(zhuǎn)換功能）并與網(wǎng)絡(luò)中的上層設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互。方案中兩臺主機通過硬件切換方式共享一套顯示器、鍵盤及鼠標(biāo)。

    由于采用光纖介質(zhì)，通信控制屏內(nèi)的光電轉(zhuǎn)換裝置與光纖轉(zhuǎn)串口的裝置數(shù)量會比較多，它們尺寸雖小，屏內(nèi)的設(shè)備與布線還是比較擁擠，不便于運營維護，光纖敷設(shè)的數(shù)量也會略多于第一種方案，但總體而言，本方案優(yōu)于第一種方案，理由如下：① 系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備集中安裝于弱電環(huán)境中，PSCADA專業(yè)人員不必在高壓設(shè)備區(qū)域進行作業(yè)，巡檢效率提高，利于設(shè)備的運行與維護。② 故障率較高的主機實現(xiàn)了雙冗余，系統(tǒng)可靠性大大提高，這是構(gòu)建冗余雙以太網(wǎng)方案的最大優(yōu)點，此外，采用雙主機方案可以省去運營管理單位對主機軟件備份管理的工作環(huán)節(jié)。③ 本方案中的CN2650裝置（注：CN2650具備雙以太網(wǎng)接口，其作用可簡單概括為：將“串口界面”與“網(wǎng)絡(luò)平臺”連接起來。NPORT裝置與CN2650功能相同，只是其以太網(wǎng)接口僅有一個），內(nèi)部不需安裝龐大的操作系統(tǒng)及監(jiān)控軟件，品質(zhì)成熟，故障率低，即使發(fā)生故障，更換也非常容易，不須進行重裝軟件系統(tǒng)費時復(fù)雜的操作。④ CN2650提供了精巧實用的人機界面，便于故障的快速診斷與處理。⑤ 關(guān)鍵設(shè)備均有就地的人機界面。

        

                                    圖2   集中式雙以太網(wǎng)

    3 方案三：單網(wǎng)單主機結(jié)構(gòu)

    圖3是地鐵PSCADA系統(tǒng)常見的一種單網(wǎng)單主機的組網(wǎng)方式，目前，行業(yè)內(nèi)大多采用這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它具有簡潔實用的優(yōu)點，如果想要節(jié)省光纖的敷設(shè)數(shù)量，可將眾多的串行通信接口掛接到一臺串口服務(wù)器NPORT上，再由一條光纖上送到通信控制屏內(nèi)的主機，由于NPORT故障率低（MTBF約150000~250000小時），尺寸小，附有人機界面，且其故障設(shè)備的更換操作簡單易行，因此可以將它安裝在高壓柜的二次小室內(nèi)，可見單網(wǎng)結(jié)構(gòu)并不缺乏靈活性。

        

                                    圖3   單網(wǎng)單主機結(jié)構(gòu)
    圖中的主機功能同圖2中的主機，與第二種方案相比較，本方案有單臺主機的缺點，但其優(yōu)點是系統(tǒng)設(shè)備可以集中安裝在弱電環(huán)境，通信控制屏內(nèi)設(shè)備數(shù)量少，其經(jīng)濟性與可拓展性都很好，若采用串口服務(wù)器NPORT裝置，可以最大限度地節(jié)省光纖的使用數(shù)量。

    4 結(jié)語

    綜合分析，方案一存在較多不利因素，不宜采用；而采用方案三的單臺主機方案時，要優(yōu)先選擇高可靠性的主機產(chǎn)品，只要運營維護部門做好單臺主機內(nèi)的程序備份并存有一定數(shù)量的備機，單主機帶來的可靠性風(fēng)險是可以接受的；無論從技術(shù)角度還是從維護管理角度分析，方案二、方案三均為較理想的技術(shù)方案。

    參考文獻：

    [1] GB 50157-2003，地鐵設(shè)計規(guī)范-2003[S]. 北京城建設(shè)計研究總院.

    [2] 城市軌道交通自動化系統(tǒng)與技術(shù)[M]. 魏曉東.

                                                        信息來源：自動化博覽