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    張文澗（1967-）

    男，碩士研究生，研究方向為地鐵綜合監控系統。


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

    關鍵詞：PSCADA；組網方案；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控系統中，電力監控系統作為其一個深度集成的子系統已在業內廣泛應用。電力監控系統的中央級（主控級）通常布置于控制指揮中心，車站變電所所內電力監控系統（以下統稱PSCADA系統）在車站就地組建。PSCADA系統向上接入車站級綜合監控系統局域網，向下與變電所內綜合自動化間隔層設備接口，它與中央級（主控級）的通信通道和綜合監控其他子系統共用。PSCADA系統的技術方案對確保地鐵綜合監控系統的整體可靠性至關重要。

    隨著信息技術的發展，PSCADA系統的技術方案在不斷地尋求進步和完善。良好的組網方式及設備選型對PSCADA系統的安全可靠性提高十分關鍵。本文針對工程實施中遇到的問題，對三種有代表性的技術方案進行比較分析，闡述了在選擇PSCADA系統方案時應注意的問題。

    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：紫色框內的設備安裝于控制室通信控制屏內；藍色粗線代表光纖介質（網絡）；綠色粗虛線代表光纖介質（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模塊連接的普通導線；黑色的連線代表雙絞線（網絡）；PSW代表交換機。三種方案的外部接口完全相同。

    1 方案一：分布式雙以太網結構

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

    圖1中4臺協議轉換單元分散安裝在不同的設備房內，協議轉換單元-1安裝在地鐵車站變電所控制室內的通信控制屏；協議轉換單元-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專設一面屏體；協議轉換單元-4安裝在跟隨變電所的400V低壓配電室；協議轉換單元-3安裝在變電所DC1500V高壓開關柜內。為便于供電專業維修人員在車站的巡檢與作業，設置一套本地監控機，它負責對本車站變電所及跟隨所供電系統的監控，提供本站PSCADA系統的人機界面，不與車站局域網及地鐵控制指揮中心（OCC）主站進行數據交換。

        

                                    圖1   分布式雙以太網

    本方案實現了PSCADA系統通信層雙以太網冗余，當PSW交換機或通信通道出現單點故障時，能夠避免系統通信長時間中斷。由于交換機與通信通道故障率很低，系統內的故障多見于工控機，通信層雙以太網冗余的結構對系統整體的故障率降低實際作用并不大。如果要實現冗余到底的真正雙冗余PSCADA組網結構，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雙冗余。然而，目前在安全性與可靠性要求較高的電力系統內，也還沒有在220kV以下變電所普遍推廣完全雙冗余結構。

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

    分布式處理系統適用于大型的數據處理系統，地鐵車站級PSCADA系統的監控點數較少，一臺普通的工控機足以處理全站的數據，而且設備在地下的安裝空間十分有限，上述網絡結構及設備配置存在諸多問題。

    2 方案二：集中式雙以太網結構

    地鐵車站級PSCADA系統采用集中式組網結構，已是工程應用的慣例。如圖2所示，它沿用了通信層雙以太網冗余的構架，只是將第一種方案中幾臺協議轉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業務，備機處于熱備狀態。當偵測到主機發生故障不能正常工作時，備機立即接管相關業務。任意一臺主機均可完成全站數據的采集（包括協議轉換功能）并與網絡中的上層設備進行數據交互。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。

    由于采用光纖介質，通信控制屏內的光電轉換裝置與光纖轉串口的裝置數量會比較多，它們尺寸雖小，屏內的設備與布線還是比較擁擠，不便于運營維護，光纖敷設的數量也會略多于第一種方案，但總體而言，本方案優于第一種方案，理由如下：① 系統內的設備集中安裝于弱電環境中，PSCADA專業人員不必在高壓設備區域進行作業，巡檢效率提高，利于設備的運行與維護。② 故障率較高的主機實現了雙冗余，系統可靠性大大提高，這是構建冗余雙以太網方案的最大優點，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節。③ 本方案中的CN2650裝置（注：CN2650具備雙以太網接口，其作用可簡單概括為：將“串口界面”與“網絡平臺”連接起來。NPORT裝置與CN2650功能相同，只是其以太網接口僅有一個），內部不需安裝龐大的操作系統及監控軟件，品質成熟，故障率低，即使發生故障，更換也非常容易，不須進行重裝軟件系統費時復雜的操作。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 關鍵設備均有就地的人機界面。

        

                                    圖2   集中式雙以太網

    3 方案三：單網單主機結構

    圖3是地鐵PSCADA系統常見的一種單網單主機的組網方式，目前，行業內大多采用這種組網結構，它具有簡潔實用的優點，如果想要節省光纖的敷設數量，可將眾多的串行通信接口掛接到一臺串口服務器NPORT上，再由一條光纖上送到通信控制屏內的主機，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，可見單網結構并不缺乏靈活性。

        

                                    圖3   單網單主機結構
    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，但其優點是系統設備可以集中安裝在弱電環境，通信控制屏內設備數量少，其經濟性與可拓展性都很好，若采用串口服務器NPORT裝置，可以最大限度地節省光纖的使用數量。

    4 結語

    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，要優先選擇高可靠性的主機產品，只要運營維護部門做好單臺主機內的程序備份并存有一定數量的備機，單主機帶來的可靠性風險是可以接受的；無論從技術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方案。

    參考文獻：

    [1] GB 50157-2003，地鐵設計規范-2003[S]. 北京城建設計研究總院.

    [2] 城市軌道交通自動化系統與技術[M]. 魏曉東.

                                                        信息來源：自動化博覽