光纖通訊監(jiān)控體系的設(shè)計(jì)與實(shí)行范文

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綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

綜合監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)由接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱、開(kāi)關(guān)終端RTU（智能化I/O監(jiān)控單元）、智能電源管理單元、交流盤(pán)和箱體組成。為達(dá)到4級(jí)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，各裝置在設(shè)計(jì)時(shí)均采用了防雷電及過(guò)電壓沖擊的防護(hù)措施，具有較強(qiáng)的防雷防浪涌作用。各輸入接口端采用了多級(jí)分流限壓措施，并進(jìn)行濾波處理，箱體均進(jìn)行了接地設(shè)計(jì)，絕緣性能滿(mǎn)足GB/T13729-2002要求。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱

接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱安裝在線路現(xiàn)場(chǎng)，將采集的隔離開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和操作機(jī)構(gòu)信息通過(guò)光纖數(shù)字信道傳送至主控箱的通信模塊，由核心板模塊進(jìn)行判斷、處理，再通過(guò)遠(yuǎn)程通信接口上送給調(diào)度中心，以便調(diào)度端對(duì)所管轄的區(qū)間或樞紐站場(chǎng)內(nèi)的隔離開(kāi)關(guān)集中監(jiān)控管理。同時(shí)把通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通道發(fā)來(lái)的命令在核心板模塊中進(jìn)行解析與處理后轉(zhuǎn)發(fā)給光纖通信模塊，通過(guò)光纖數(shù)字點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道發(fā)往對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)終端RTU，以控制操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊支持熱插拔技術(shù)，而且為了保證設(shè)備的高可靠性，在硬件設(shè)計(jì)各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中采用并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)。其使用的核心板模塊上有主、備網(wǎng)絡(luò)連接通道，做到了通信雙網(wǎng)冗余設(shè)計(jì)，傳輸更加穩(wěn)定，確保信號(hào)傳送正確率和控制正確率。同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)采集的高效和事件處理的快速多發(fā)，采用了高主頻的ARM11芯片，其具有較強(qiáng)的多任務(wù)處理能力，可充分滿(mǎn)足接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。

2開(kāi)關(guān)終端RTU

開(kāi)關(guān)終端RTU就近安裝于戶(hù)外接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控箱內(nèi)部，通過(guò)專(zhuān)用的光纖數(shù)字信道與接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以保證控制、通信等不會(huì)受到電氣化鐵路的強(qiáng)電磁干擾，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的信息及控制正確率。其主要負(fù)責(zé)對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理、變化判斷，上送主控箱核心板模塊，同時(shí)接收遙控操作指令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的遙控操作。終端RTU具有光電隔離防干擾功能，抗輻射電磁場(chǎng)干擾影響可達(dá)到規(guī)定的4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，電源輸入端加裝電源避雷器及過(guò)載保護(hù)，提高了裝置穩(wěn)定度和耐壓能力。

3智能電源管理單元

智能電源管理單元對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制站及附屬設(shè)備提供不同電壓等級(jí)的工作電源，使整個(gè)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制站在無(wú)外部電源情況下仍可正常工作2h以上。智能電源管理單元的進(jìn)線電源為AC220V/DC220V，110V，經(jīng)整流變換后按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)輸出各設(shè)備所需的不同電壓等級(jí)的工作電源。同時(shí)它還具備對(duì)蓄電池的管理功能，有效控制蓄電池的工作狀態(tài)，避免過(guò)充電和過(guò)放電，從而保證后備電源供電時(shí)間大于120min。

4交流盤(pán)

對(duì)于未能提供接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)操作電源的場(chǎng)所配置交流盤(pán)，提供了接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)控制站交流自用電電源及隔離開(kāi)關(guān)的操作電源。由進(jìn)線回路、饋線回路、自動(dòng)切換回路、測(cè)量計(jì)量?jī)x表、控制保護(hù)回路等構(gòu)成。交流電源采用兩回AC220V進(jìn)線，容量為5kVA，同時(shí)在兩進(jìn)線分別設(shè)置電流表、有功電度表分別對(duì)兩路進(jìn)線電流、有功電度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩回進(jìn)線均能實(shí)現(xiàn)備自投功能。交流盤(pán)的狀態(tài)也在終端RTU的監(jiān)控范圍內(nèi)，其上設(shè)置的電源電壓監(jiān)視裝置，當(dāng)交流電源失電時(shí)，向本地和遠(yuǎn)方發(fā)送交流電源失電信號(hào)。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1功能需求

綜合監(jiān)控軟件的主要功能包括遙控、遙信、實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)表和操作記錄查詢(xún)等。在軟件啟動(dòng)，系統(tǒng)調(diào)度員登錄以后，可以進(jìn)行遙控操作，通過(guò)通信的報(bào)文交互，在界面上顯示開(kāi)關(guān)當(dāng)前的分、合閘狀態(tài)并報(bào)警。以下為綜合監(jiān)控軟件主要功能。

1）遙信功能：指在SVG圖形界面上以不同的顏色反應(yīng)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)終端RTU采集的各開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)、被控站設(shè)備、遠(yuǎn)動(dòng)通道運(yùn)行狀態(tài)信息。

2）遙控功能：指在SVG圖形界面上控制遠(yuǎn)方接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的分、合閘。

3）運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能：在正常運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視下，接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控站的開(kāi)關(guān)分、合閘狀態(tài)均可以在SVG圖形上進(jìn)行顯示。如有分、合閘不成功的情況，相應(yīng)的開(kāi)關(guān)顏色顯示為白色，并伴有音響報(bào)警（可手動(dòng)復(fù)歸）。

4）報(bào)警功能：報(bào)警功能分為變位報(bào)警和事故報(bào)警。變位報(bào)警是指在SVG監(jiān)控畫(huà)面上操作接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)分、合閘以后，界面顯示開(kāi)關(guān)的變位信息，并伴有低級(jí)別聲音的語(yǔ)音提示。當(dāng)發(fā)生設(shè)備故障或跳閘時(shí)，發(fā)出事故報(bào)警，伴有刺耳的聲光警報(bào)，并在記錄框中說(shuō)明事故原因。

5）顯示記錄功能：軟件能夠提供動(dòng)態(tài)顯示的地理信息圖、開(kāi)關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)圖、開(kāi)關(guān)狀態(tài)圖、操作記錄信息報(bào)表、登錄記錄信息報(bào)表、SOE信息報(bào)表、報(bào)警信息畫(huà)面等。

6）系統(tǒng)時(shí)間同步功能：在正常情況下，軟件通過(guò)程序與牽引供電調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，當(dāng)對(duì)時(shí)程序出現(xiàn)故障時(shí)，調(diào)度中心的備用時(shí)鐘源將同步被控站所有設(shè)備的時(shí)鐘。

2系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)

系統(tǒng)是以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為支撐平臺(tái)，采用模塊化、分布式的設(shè)計(jì)方式，將系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)劃分為3個(gè)主要功能模塊，各個(gè)模塊之間松散耦合。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊（RTDB）提供監(jiān)控畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警服務(wù)，也為調(diào)度軟件提供歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、操作記錄查詢(xún)和打印功能。通信模塊（COMMServer）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)與硬件平臺(tái)中的開(kāi)關(guān)主控箱進(jìn)行通信報(bào)文的交互，并且解析上傳的報(bào)文。調(diào)度監(jiān)控界面模塊（MMI）是人機(jī)交互的接口。

3實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊（RTDB）是綜合監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)處理的核心，負(fù)責(zé)把通信上傳的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)、提供實(shí)時(shí)報(bào)警業(yè)務(wù)邏輯處理和界面顯示功能等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)合Hibernate框架實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊（RTDB），后臺(tái)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)各類(lèi)歷史數(shù)據(jù)以及配置信息。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的時(shí)候需要經(jīng)常操作訪問(wèn)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)采用四層式的軟件架構(gòu)，依次分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、持久化層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層，如圖3所示。在該架構(gòu)中，業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層被分開(kāi)，業(yè)務(wù)邏輯層只負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯上的處理，而中間的持久化層則封裝了數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)的細(xì)節(jié)。這種架構(gòu)變化使得程序的層次更加清晰，代碼更易維護(hù)。當(dāng)持久化層發(fā)生變化時(shí)，不會(huì)影響到業(yè)務(wù)邏輯層的作用。

4通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊（COMMServer）主要負(fù)責(zé)與開(kāi)關(guān)主控箱和控制中心進(jìn)行通信。設(shè)計(jì)采用四層模型結(jié)構(gòu)，兼容IEC60870-5-104、IEC60870-5-101協(xié)議，利用Java多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。第1層對(duì)應(yīng)協(xié)議中的物理層，主要負(fù)責(zé)主站與硬件平臺(tái)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱的socket連接工作；第2層對(duì)應(yīng)協(xié)議中的鏈路層，負(fù)責(zé)鏈路傳輸規(guī)則的實(shí)現(xiàn)，報(bào)文的收發(fā)工作；第3層對(duì)應(yīng)協(xié)議中的應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)協(xié)議定義的遠(yuǎn)動(dòng)功能，將一級(jí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，二級(jí)數(shù)據(jù)寫(xiě)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)給界面（MMI）提供RMI遠(yuǎn)程方法調(diào)用；軟件管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)其它3層的封裝和運(yùn)用、初始化RMI服務(wù)、日志信息管理和XML配置文件管理等。

5監(jiān)控界面模塊設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件的圖形界面模塊（MMI）是計(jì)算機(jī)與用戶(hù)交互的接口。系統(tǒng)界面采用JavaSwing編寫(xiě)，采用SVG作為監(jiān)控界面格式，針對(duì)接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)重在遙控、遙信而輕遙測(cè)的情況下，對(duì)整個(gè)GUI進(jìn)行合理布局，突出重點(diǎn)功能。監(jiān)控畫(huà)面模塊（MMI）的典型結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

系統(tǒng)測(cè)試

以京滬高鐵接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控項(xiàng)目為例，將系統(tǒng)服務(wù)器端部署在兩臺(tái)LINUX服務(wù)器上，系統(tǒng)通訊模塊部署在通訊服務(wù)器上，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)部署在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，系統(tǒng)客戶(hù)端安裝在監(jiān)控站PC機(jī)上，調(diào)度員工作站負(fù)責(zé)系統(tǒng)顯示和控制，接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)主控箱接入一個(gè)測(cè)試開(kāi)關(guān)終端RTU。登陸工作站的監(jiān)控軟件客戶(hù)端，以調(diào)度員身份輸入登陸密碼，身份驗(yàn)證成功后就可進(jìn)行接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)分、合閘操作，同時(shí)可以看到界面中顯示各個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)情況。對(duì)接入的RTU開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘操作，當(dāng)成功輸入操作密碼后，界面會(huì)彈出遙控成功窗口，報(bào)警框會(huì)有提示信息，SVG界面上相應(yīng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)顏色由紅色變?yōu)榱司G色，實(shí)驗(yàn)成功，如圖6所示。整個(gè)遙信返回過(guò)程在2s內(nèi)完成，符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)距離集中監(jiān)控，可完全取代人工操作接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)方式。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，操作簡(jiǎn)便，兼容性強(qiáng)，已成功應(yīng)用于京滬高鐵接觸網(wǎng)開(kāi)關(guān)監(jiān)控，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果良好。

作者：熊亮張鍇單位：華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院