（电力系统及其自动化专业论文）基于web模式的电铁scada系统被控端研究与设计.pdf

堕童窑曼盔堂堡圭塑塞皇堂丝迨塞 蔓坚戛 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s 。w er e a l i z et h ew 曲b a s e dr t ui nt e l e c o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i c a l r a i l w a ys y s t e m sb yu s i n gn e wt e c h n i q u e so fc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o n ，a n de x i s t i n g t h er e s o u r c e so fs u p e r s p e e df i b e ro p t i cc a b l et h a tw eh a v ea l r e a d yh a d b e s i d e s ，w e a l s or e a l i z et h em u l t i - r e c e i v e ro ft h er t ur e a l - t i m ei n f o r m a t i o na n dt h ec o n s i s t e n c y o ft h ei n f o r m a t i o n ；t h eb o t t l e n e c kp r o b l e mo ft h ec o m m u n i c a t i o na n d i n f o r m a t i o n s o l i t a r yi s l a n d 锄a l s ob es o l v e d i m p r o v i n gt h ec o n s i s t e n c ya n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，s e n d i n ga l lk i n d so fi n f o r m a t i o nm o r e a c c u r a t e , s a f e t ya n df a s t e rt ot h ep l a c e sw h e r et h ei n f o r m a t i o ni sr e q u i r e da n d r e c e i v i n gp e r m i t t e d , r e a l i z i n gl a r g e rs c o p ei n f o r m a t i o ns h a r i n ga r ea l ln e w l ya n d h i g h l ya n t i c i p a t e dp m j e c t si nt h ea 瑚o fs u p e r v i s ea n dc o n t r 0 1 t m sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h r e ep a r t so ft h et e l e c o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i c a l r a i l w a ys y s t e m ：c o n t r o lc e n t e r , r t ua n dc h a n n e la n dp o i n t e do u tt h es h o r t c o m i n g o ft h et r a d i t i o n a lt y p e t h e nt h i sp a p e rp u t sf o r w a r dw e b - b a s e dt e l e c o n t r o ls y s t e m f o re l e c t r i c a lr a i l w a ys y s t e ma n dd e s i g n si t sh a r d w a r es t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , w e c o m p l e t e l yd i s c u s s e da n dd e s i g n e dt h ew b b - b a s e di h ui nt e l e c o n t r o ls y s t e mf o r e l e c t r i c a lr a i l w a ys y s t e m f i r s t , i nt h i sp a p e r , w ed i v i d e dr t ui n t oi n t e r n e t - r t u ， i n t r a n e t - r t ua n dn o r m a l - 删0 ns c a l e l a nm e t h o dt or e a l i z ew e b - b a s e d i n t e m e t - r t ua n di n t r a n e t - r t ua n di n t e r n e t - - r t u j o i nt h ei n t e r n e tb ya d o p t i n gt h e r o u t e re q u i p m e n t sa r eg i v e n ，t h e n ，t h ec o n j u n c t i o nm o d eb e t w e e nl a na n de 1 c h a n n e ia n dt w or e s o l v e ds c h e m ea r ed e s i g n e da n dc o m p a r e d ：m u t e rm o d ea n d c o n v e r s i o ne q u i p m e n tm o d e f o rt h er e b u i l d i n go fo l dn o r m a l - r t us t a t i o na n dt h e b u i l d i n go fn e wn o r m a l r 1 us t a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t e dt w os c h e m e s 。o n ei s g e t t i n ge l e c t r o n i c a l l yl i n k e dd i r e c t l ya n dt h eo t h e ri sg e t t i n ge l e c t r o n i c a l l yl i n k e dv i a p r o t o c o lc o n v e r t e r , t h em e t h o d so fe s t a b l i s h i n gt h ei pa d d r e s sa n da n n o u n c i n gt h e i n f o r m a t i o nt h r o u g hb o r d e ru p o nr t ut or e a l i z ew e b - b a s e dn o r m a l r t ua p r o p o s e dt o o sp a p e ra l s oa n a l y s i si n t e r n a t i o n a ls a 如as t a n d a r dp r o t o c o l - - i e c 6 0 8 7 0 - 5a n dd n p 3 o a n dp o i n t so u tt h a tw 的一b a s e dr t us h o u l du s e i e c 6 0 8 7 m 5 - 1 0 4a n d 删m p r o t o c o l s a sa ne x a m p l e ，t h i sp a p e rb u i l tb a s i cw 曲s y s t e m so ft h et e s tr t u s y s t e m sb y u s i n gw i n d o w s 2 0 0 0 s e r v e r 、i i sa n ds q ls e r v e r 2 0 0 0 a n da l s o ，d y n a m i cw e bp a g e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第m 页 s y s t e mb a s e d o nt h r e e 。t i e ra r c h i t e 斌u r eo ft h et e s tr t u s y s t e mw a sh n i l tb ym e a n so f t h ej s pt e c h n o l o g y , w e bf 沁r v e rt e c h n o l o g ya n dj d b ct e c h n o l o g y t h e nt h i sp a p e r p r o v i d e dt h ed e t a i l so fp r o d u c eo ft h ed y n a m i cw e bp a g ea n dt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nw e bs e r v e ra n dw e bb r o w s e r f u r t h e r m o r e , i n f o r m a t i o ns e c u r i t yo ft h e w e b - b a s e d 刚t e s ts y s t e mw a sa l s od i s c u s s e d , t h er e s o l v em e t h o d sw e r ep o i n t e d o u t t o o 砌sp a p e rf i n a l l ym a d eo u t l o o ko ft h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h i sp r o j e f t k e yw o r d s ：r t u ：e l e c t r i c a lr a i l w a yt e l e f o n t r o ls y s t e m w e b ；c o m m u n i c a t i o n 一 萋窒窒遂查堂燮圭鐾塞耋笺焦竣塞 矍立蔓一 第 耄绪论 s c a d af s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，数据采集与簸 疑控制) 系统，是以计算极为基礁熬生产遵程控翎与谖疫爨动讫系统。它 露 噩对臻场豹运行设餐送行煎褪帮控麓，实蕊数蠢聚集、设备控澍、测量、 参数调节以及器类倍号报警姆功毁。s c a d a 系统的应躅领域绞广，它可以 应爱予电力系统、绘承系统、石浊、化工等领域鼹数据采集与监蠛控制以 及过稷控制等诸多领域。由予各个璁用领域对s c a d a 的要嫩不同t 所以不 丽应粥领域的s c a d a 系统发瀑也不宠全相瀚。电气亿铁遂肇弓| 供憩系统袋 爱s c a d a 装麓，实现集中盗褫和控制。可黻僳证供龟质量，提高可靠往和 减少缫修费弱”。本论文主蘩研究鏊予w e b 豹龟气纯铁道攀葶 缳激系统鹩 s c a d 矗系统( 簿稼毫铁s c a d a 系统) 。 惫铁运动系绞由三大部分组成：调度中心( c o n t r o lc e n t e r ， c c ， 也嚣蔑淫凄臻) 、逶邀( c h a n n e l ) 巍被控凌( r t u ) 。下嚣分剐怼遮三个懿 分的般展进行综述。 1 调度鲻系统发展概述 魄铁电力系统运行蛉秘嫩，由予受逐髅浚套的羧裁，囊鳆谪嶷人员要 藐很长的时阐才能掌握有限豹信息，主要鼗一些鑫动装置，电话娃及运露 人员的经验采调度和操作。随着铁路电网的迅速扩大，聪电铁电力笨统安 全经济运行韵骚求氇愈来愈灏，宅力系统运行愈来愈要求调度自动纯， 搿 计算税技术的发展，侵这些劝髓在主滚得至i 蜜现“”，并随乏产生了第一代 毫铁遴韵主站蘸统。第一手琶繁麓系统圭要采用了专耀计算飘和专掰操 睾系 统，麴秘本霜立公司法我羹铁道亳气毒 ：远甍系统繇浚计静h - 8 0 m 系统。遮 一除袋跫麸诗嚣援运耀裂主始系统辩舞始裂? e 年代，在这酸袋中，醛 藿对谲度拣热能要求瓣不颧增疑，溪凌臻系统筵橡瞧垂攀橇模式转换妥多 极模式，胰丽警“充了溺度端的功能，蠛大了满度端瞧受黄缝力。繁一找调 度端系统由予黄次运用了计冀规设备，使调菠蠛豹性憩蠢了棂零上翦飞 跃。讴是，由予客观条佟所隈，这种攥中式调度端系统开放悭极箍，系统 鞭索交瀑大学硪士聚究璧堂篁途塞簦! 垂 工作效率、维护，升级等方丽都显示出了极大的弊端性，谯计算机技术高 速发展的；申击下，逐濒被采爆掰技术的第二代系统艇营代第二代是8 0 年代蒸于通用计算机的主站系统，谯第二代中，广泛采用v a x 等箕它计算 机以及其它通用工作站，操作系统般是通用的u n i x 操作系统。第二代 调度瑙系统在第一代调度端系统静纂础上撵嵩了工作效率，扩充了系统校 能，并采用冗余等设施来保障系统的安全。但是第三代集中处理式的多机 冗余系统餐然举昊富帮藏整，嚣瑟缀难迸露系统蘩护、舞缀浚及其宅设 施联网。而且，系统缀然分离出了前簧机来分担主机的部分预处理任务如 数据采蔡、援约转换等，但其志要熬数据楚璞粪管毽爨集孛凌主撰土宠戎， 这也就带来了主机负荷较重、c p u 负荷较难预测等问题。9 0 年代按照开放 豹原贝l j ，基于分布式计算机髓终以及关系数据痒技术并能够实理大范疆联 两的主站系统称为第三代。避一阶段也是我阂电铁调度端系统发展最侠的 阶段。目前的电铁s c a d a 系统中应用最多的就是这代调度端系统。在这 一除段，调度端系统完成了簸集孛式掰分布式的转换，大纛调度端系统利 用局域网方式实现了澎机或多服务器与工作站的分布式系统。利用增加服 务器或_ 芏箨站俸为薪繁点接入蜀壤鼹络豹方式，霹辍实蕊系统完善帮功戆 的增加。但随着电铁累统对遮动功能要求的不断提高，第三代调度端系统 也逐澎暴露出茭嚣敖热差( 鞍滩与其它系统耀结会) 纛鼹终逶售不透鹗等 问题。在计算机、通信科技发展的驱动之下，第三代调度端系统同样需要 利用薪技术进行设备熨新，系统扩能，从露有逐渐被第四代调度斌系统取 代的趋势。第褥代调度端系统主要特征是采用i n t e r n e t 技术、面向对象 技术以及j a v a 等技术- 第四代调度端系统的在我阕应用的基础条件已经 蒺本其备，霞崧电铁领域的窿糟员拜尉潮莛步。该系统的使丽将继续扩大电 铁s c a d a 系统的功能，满足综合安全经济运杼需要。 1 2 被控端系统发展概述 远方终端处理装鬻简称r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) ，是电气化铁道 羧撬整控系统黪熏要缀成部分。被控端一觳设在铗魏沿线黔各交窀掰、嚣 闭所或分区亭内，负责采集变电所内备开关爨的状态、电气基的参数并及 对上送调度孛心，潋及执行调发孛惑发送来瓣各耱搽终鑫令等，它袋之阂 的通信通过远渤信道来传输。r t u 从7 0 年代中期歼始被被控端普遍采用 堕查壅堕查兰亟受窒生兰焦迨窒 羔三夏一 以来，其功能随着微处理器技术的发展而迅速发展，被控端的硬件结构随 着计算机技术及网络技术，数字信号处理技术的发展已经历了以下几个发 展阶段；单板单c p u ，基于工业总线型，多c p u 分布分散型，嵌入式网络 型。从功能上，目前越来越多的常规r t u 被综合自动化系统所取代，在变 电所综合自动化系统中，将变电所的保护、控制、信号、测量、计费等回 路纳入一个综合自动化系统中，取代传统的控制保护屏，能够降低变电所 的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。变电所的综合自动化系 统将在新建铁路牵引供电远动系统中广泛推广使用，采用变电所的综合自 动化系统后，被控端当地功能加强，被控端具备许多调度端功能，具有自 动再分配、再启动、自诊断或远程诊断功能，事故顺序记录( s o e ) 及事 故追忆功能，数字故障录波、当地控制及检测，数据统计及管理功能。在 计算机网络、通信技术发展的大潮下，被控端也有逐渐向网络化发展的趋 势。 1 3 通道结构及通信方式发展概述 为电气化铁道监控系统调度中心和各个变电所、开闭所、分区亭之间 提供通信的通信信道无疑是电气化铁道牵引供电系统中的重中之重。目前 的电气化铁道监控系统中，传统的音频信道和载波信道应用比较广泛，而 光纤信道的建设和应用也是异常迅猛。 1 3 1 音频信道 音频信道主要有架空明线和对称电缆。由音频信道提供的话路信道有 专用线、租用线和交换网话路之分。专用线是指专门为远动信道提供的音 频线路，见图卜l 。而租用线表示从交换网专门租用的一个话路作为远动信 道，该话路在租用期内不会被其它电话所占用。交换网络话路一般是由交 换网提供的电话话路，它是不固定的，每次数据传输之前，必须通过拨号 来沟通收、发之间的信道。由图卜2 可见，调制后的信号可以在专用线上 直接传输，而租用线或交换网话路都必须经过电话交换网转接。由于音频 信道的频带宽度较窄( 3 0 0 3 4 0 0 h z ) ，因此只能用作中、低速的模拟信道。 亘宣窑堡盔堂亟堑窒竺堂笪迨塞羔堕里二 图卜l 专用线 发送端 1 3 2 载波信道 租用线或交换阿话路接收端 图卜2 租用线或交换网话路 载波电缆构成的载波信道，在电铁s c a d a 系统中经常使用。载波信道 主要有载波电缆和电力线载波两种形式，均属于频分复用的模拟信道。载 波电缆主要有载波对称电缆和同轴电缆，而电力线载波则是利用电力系统 的电力输电线作为信息信道，建立起来的一种特有的通信方式。载波电缆 构成的数据传输系统工作原理如图1 3 ：由计算机产生的数字信号，经调 制器调制成音频信号，送给载波机，载波机再将此信息加载( 即再次调制 到更高的载波频率上) 后，在载波电缆中进行传输，经接收端的载波机减 载( 恢复成音频信号) 后，再经解调器解调还原成数字信号。载波电缆具 有较宽的频带，可以同时传输许多音频信号，相应的载波机也允许传送多 路话路。 发送端 载波信道接收端 图卜3 载波电缆数据传输系统 电气化铁道接触网产生的电磁干扰影响，是困扰通信( 尤其在音频线 路中) 质量的重要问题，采用屏蔽载波电缆虽有良好的防护效果，但在运 营中由于护套连接线、屏蔽接地线等自然腐蚀，会使屏蔽效果下降。路边 众多的无人站、接线房的电缆接、插件受列车震动容易发生松动，也会使 电缆平衡度降低，这些因素都将严重的影响通信质量和安全。 鬻褰交瀵穴学醭士爵究煞攀盏毒鐾塞蔓! 菱 。3 ，3 先纤信道 瓣饕铁遴避力慧统垂动纯挂术豹蓬勃发震，厂蛄蠢疆发端之阙传送戆 信息种类不颟增如，遮就要臻鼹决髂息传输豹带宽阐题。像目翦大量使用 舱音频绫路秘载波毫缫带宽嚣鬻有限，无法褥失更多韭努分配寒带信遭。 嚣光野信道狳了彻底究簸强魄对遁储的电磁千抗夕 ，还其裔可用频带宽、 逶售攀爨丈，巾继鼯瓷长、挽千魏、抗辐麓、重羹轻、节销金震等一系确 绽熹。掰戮，毫铁鄹秘选愈寒愈广泛鹣痘瘸了隽绎遴蓿。 巍野逶猿蓉统交建臻瓿、沌缆秘兜孛继凝置魏拨( 垂1 - 4 ) 。窀嚣嗣多 耋交换装置堪套使建，将各耱嫠患变成竞镶号绘浚传送。党纾逶傣豹寒带 宽使我们可以袋用多镁务技术加以态分剥赐，以传辕丈蠡不弱豹电铁逶襞 信怠。姐匿l 5 。像声音、嚣像这样瓣模撼镕患，焱题数字簧送涎必矮蓠 先进褥数字纯，对于数据这样的数字信息，鬻用模拟信号传送对，必须先 避行谣麓。必能使褥这些壤崽有效瓣提要转换，述要有数字式的粒分多 鼯转换嚣( 1 醐) 及颏羚多路转换器( f d m ) ，戳及鞠疆一f 翻转换器。 发多光多 光 送黠 端 潞 端 端转极 涎缓 转 巍缆 梳 换羧 图1 - 4 毙野逶痿豢统 多接 路收 转端 换 圈l 5 信息多踌传送与巍传送方式 亘壹奎望查兰亟主堡塞生兰篁迨皇 蔓三基一 光纤通信对电磁干扰有更好的防护性能，更适合用于电气化铁路，而 光传输的大容量数字化信道，更是铁路信息化的迫切需要。我国铁路光缆、 数字通信的研究和试点，在8 0 年代初已经起步”。1 9 9 4 年，铁道部修订 颁布铁路主要技术政策进一步把“信息技术”作为铁路现代化的标志， 通信方面提出了“干线铁路通信以光纤传输为主新建干线一般应采用 光缆”。铁路光数字通信建设速度逐步加快。在历经起步阶段和准同步数 字系列( p d h ) 建设阶段之后。铁道部在9 0 年代设计的广深、京九、合九、 郑徐、京沈、兰新等线的光缆数字通信系统都采用了s d h 系列。到1 9 9 9 年底，全路建成的长途光缆通信线路累计达3 9 0 0 0 k m ，主要干线大多采用 2 0 芯光缆，一般干线采用1 2 芯光缆，干线传输采用6 2 2 m b i t s ，短途及 区间通信采用1 5 5m b i t s ，并采用接入网技术解决区段、地区通信，基本 形成了铁路骨干光数字通信网。 1 4 问题的提出 电气化是铁路现代化发展的方向。自“八五”计划以来，我国电气化 铁路新建或改造线路以每年1 0 0 0 k m 的速度递增，显示着其强大的生命力。 随着电气化铁道的迅猛发展，电力机车牵引逐渐取代内燃机车牵引而成为 铁路的运输的主力。而牵引供电系统的高效运行是电力牵引运输得以顺利 进行的根本保证。 目前一些电铁s c a d a 系统把w e b 技术应用于主站调度端系统，但在被 控端系统中，w e b 技术并没有得到应用。被控端只是把r t u 采集到的各种 资料( 状态量信息、模拟量测量值等) ，组成一帧一帧的报文通过串口 ( r s 一2 3 2 或r s 4 2 2 ) 连接m o d e m 上传给调度端中心的通信前置机，并接收 调度端送来的命令报文( 遥控、遥测等) 。调度端和被控端通信的内容限 于“四遥”资料，速率为0 6 2 4 k b s 。系统结构如图l 6 所示。在这种 情况下，各项管理、控制都集中在调度端完成，调度端的负荷也随着系统 功能的增加越来越大。与之对应的是被控端功能只是采集、发送本站的数 据并接收下行的命令，功能极为简单。而且就目前的一些被控端来说，其 既有设备并没有得到充分的利用，这也因为从某种意义上讲，被控端成为 电铁s c a d a 系统中的“信息孤岛”，除了本站数据，被控端很难及时、 准确的得到其它相关r t u 的信息，这就给具体工作带来了很大程度的困难。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 在通信信道方面，电力系统的变电站与调度中心通信是典型的点对点方 式，结构上采用星型网，很少出现信道竞争问题。但牵引变电站是沿电气 化铁路沿线分布，一般间距几十公里，其物理分布一般为如图1 7 所示 的链式，这就决定了通信网的拓扑也需采用相应结构，即各变电站与调度 中心的通信要共享信道。电气化铁路远动调度的特点决定了其共享方式： 每个变电所收到的下行信息是前一变电所转发下来的，而该变电所上送调 度端的信息也要通过前一变电所转发。如果线路某处发生故障，则故障点 之后的通信无法进行。这种结构另一个弊端是信息传输会有一定程度的延 时，最后一站的延时最大，传输速率最低。在信息化高度发达的今天，传 统的电铁s c a d a 环境已尽显疲态，特别是在使用综合自动化系统后，很多 分区亭、开关站等被控端将逐渐向无人值班发展，那么其远方安全监控、 远程故障诊断成为越来越引人关注的问题，传统的通信方式显然更不能满 足这一发展的需要。 图1 6 常规远动系统通信示意图 图1 7 链式分布示意图 另一方面，随着计算机网络、通信技术技术的迅速发展，基于t c p i p 函 鞭索交潦大学硕士爱璧l 冀掌堡鎏；塞二薹! 垂 的、开放的和基于标准计算环境的i n t r a n e t 计算机网络环境在备行各业 褥到了广泛的震用，i n t r a n e t 逶过全箍采用t n t e r n e t 豹标准技术捣建金、 事业单位的内部网络系统，向用户掇供一个异构的、开放的、基予客户 服务器的计算环境，从而改善通信能力，降低占有碰本，提供更好的可靠 性、哥伸缩往黻及互搽作能力。在遥信硬彳串建设方稀，随着电铁逶信嚼获 音频实回线、载波电缆到数字、光纤通信的发展，铁通公司已将光缆铺设 裂众多电气纯铁爨豹牵蛞逶穰撬藏室，提供了丈量翡基手毙野逶镶技本赘 e 1 ( 一种以2 0 4 8 m b i t s 速率传送声音和资料的数字运营系统标准) 信道。 这瞧炎籍予w e b 技寒瓣电铁s e a 溅系统豹建嶷提供了逶痿臻道上熬像薄。 但是目前大量的e l 倍道还愚作为常规远动信道使用，将逸动接口使用光 m o d e m 连接，其通信速率一般不超过3 8 4 k b i t s ，大部分带宽被岛自浪费 了。藿仍采传统远动系统的通信模式在这种嵩速数字信道上传输低迭模拟 信号。不仅浪费信道锵宽资源，丽且数字模拟一数字的二重转换既 逢藏技术主豹举合理，又螬热了设备赞用，降低了僚输霹纛往。那么如俺 最大程度的利用目前融经建成的高速光缆信道资源j 阳现有的软、硬件环境 象锌，蜜瑷毫铁s c a d a 系统基于w e b 方式静广泛联麴，整器耱信惠筻薇准 确、安全、快速的送到所有需要并被允许的地方，使不仅调度端的正作人 员瑟旦楣关被擦端豹王揍人爨也能够抉速、方便鹣瓣窝掌握电铁系统运 行情况，从而谶一步增强被控端的功能，是霸前电铁s c a d a 领域的个崭 新丽又餐受关没的课题。 1 。5 国内外基于w e b 的被控端研究现状 s c a d a 系绞在国内外应用撮广。对予新兴豹基予w e b 豹s c a d a 系统被 控鞴黼内外的研究应粥也是鲡火如荼。国外从8 0 邻代末开始变电站r t u 上网的研究，并已经得到应用。目前灏外的知名厂商细h a r r i s 、c a e 、a b b 餮s i e m e n s 等稳有支持t c p i p 技术鹬薪一代r t u 产葫蘅世。a b b 公镯根据 i e c 6 4 8 5 0 对r t u 的定义，开发出先进的r t u 5 6 0 黻置“】。该装量能满足 i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 豹逶信要求，与灞发孛，& 主菇静逶蓿协议虿选择： i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 、d n p3 0 、s c l 8 0 1 等；与下级r t u 的 通信携议骞i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 3 、i e c 6 0 8 7 0 - 5 - 1 0 1 、m o d b u s 等。r t u 5 6 0 装置 在意大刹、瑞士、德国、比利时等国家相继使用。我国的厂髑也在积极开 亘宣奎望盔堂亟堑窒皇堂垡迨塞 蔓! 夏一 展这方面的探索和试制工作。北京安控科技发展有限公司推出的s u p e r e r t u 产品，为面向小型数据采集及控制系统的智能r t u 产品，支持标准的 m o d b u sr t u a s c i i 通信协议，也可自定义通信协议，可以很方便地组成 s c a d a 系统，实现网络化的管理。它弥补了目前工业数据采集及控制中常 用的d c s 、p l c 、工控p c + i o 卡及单片机仪表多方的不足，满足我国大多 数小型项目的要求，有良好的应用前景。但是s u p e r er t u 本身对基于网 络的通信协议支持不够，并不具备充分的上网条件。吉林省春峰自动化 技术有限公司出品的d 2 0 0r t u 设备具有高度的灵活性，可以监视、控制 变电站的所有设备。d 2 0 0r t u 遵循开放系统要求，实现开放式网络通信 方案，可支持e t h e rn e t 、i s d n 、a t m 、x 2 5 w a n 、t 1 t 3 、l o n w o r k s 等 通信接口。通信协议包括0 s i 、t c p i p 、i e c 8 7 0 6 ( i c c p 、t a s e 2 ) 、i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 、i e c 6 1 8 5 0 等。我国电力系统在1 9 9 7 年开始了被控端上网 的尝试，目前华东电网已经有8 个厂站采用5 种型号的r t u 上网传输， 在我国广东、浙江和湖南省电力局也已采用a b b 公司的r t u 5 6 0 装景，积 极采用被控端上网传输方式。相对于电力系统，我国电铁系统目前还没 有这方面的实际应用，但随着通信信道建设力度的加大以及r t u 设备技 术的不断更新，我国电铁部门业已初步具备被控端上网条件。成都光芒 公司丌发的g m 一2 0 0 0 型微机监控远方终端装胃采用分散式结构设计，网 络化通信，大规模贴片i c 等先进技术，具有组屏灵活、扩展方便等优点， 适用于1o k v 。1 l o k v 各等级的变电所的控制与数据采集。调度中心和 g m 一2 0 0 0 型微机监控远方终端装置之间通信时采用i e c 8 7 0 - 5 - 1 0 1 通信规 约。g m 一2 0 0 0 型微机监控远方终端装置具备网络接口并在综合自动化系 统设计中率先采用了基于i p 的被控端与调度端通信方式的设计。但并没 有完成基于w e b 的被控端设计，也没有实现被控端数据的直接w e b 浏览。 随着数字传输技术和光纤通信技术的提高，电铁调度自动化有进入全面 网络化的趋势，被控端上网以实现远程诊断及维护，进而实现无人值班 是发展的必然趋势。 1 6 本论文研究的主要内容与方法 在信息技术产业领域，计算机网络、通信技术得到了迅猛发展，信息 交换的互操作技术取得了举世瞩目的成就，电铁8 c a d a 系统发展方向也勿 亘宣窒夔盔堂堡圭塑塞生堂焦笙塞篁上韭堕一 庸置疑的与计算机网络、通信技术联系密切。但就s c a d a 系统本身技术来 说，还未曾将流行的计算机网络、通信技术全面的引入电铁系统，传统的 电铁s c a d a 系统在信息化高度发达的今天，已显疲态。本论文主要是将计 算机网络、通信技术的新方法引入电气化铁道监控系统，在提高系统可伸 缩性和灵活性、加强系统互操作性和可移植性、简化通信交互、使用公共 的域标准来进行信息交换等方面改善电铁s c a d a 系统的性能。为今后的 s c a d a 系统被控端设备的远方检测及被控端无人值班奠定基础。 本论文第一章首先论述了电铁s c a d a 系统调度端、被控端和通信信道 的发展概述，并指出传统电铁s c a d a 系统被控端的弊端所在。通过分析国 内外基于w e b 被控端的研究和应用以及电铁目前所具备的基本硬件条件， 提出基于w e b 模式的电铁s c a d a 系统被控端将成为今后的发展趋势之一。 本论文在第二章给出了把现有的电铁s c a d a 系统改造为基于w e b 模式 的电铁s c a d a 系统的多种设计方案。对于目前已经使用l a n 方式的调度端， 本论文提出相应的基于i n t e r n e t 模式改造方案。对于电铁s c a d a 系统的 被控端，本论文把不同规模的被控端分为i n t e r n e t 级被控端、i n t r a n e t 级被控端和常规被控端。对于i n t e r n e t 级被控端和i n t r a n e t 级被控端， 本论文采用i e e e1 0 b a s e t 的标准8 0 2 3 i 构建w e b 模式的被控端，并在 i n t e r n e t 级被控端采用路由器设备连接i n t e r n e t ，同时，本论文以e 1 光 纤接口信道为例，对综自被控端l a n 的w e b 接入进行了设计与比较，并提 出使用路由器和接口转换器两种方案。对于常规被控端，本论文采用协议 转换器方式完成对老站的改造，采用r t u 直接上网方式完成对新站的建设， 并相应设计出在协议转换器上增加i p 地址和在相邻被控端发布信息的方 法来完成常规被控端基于w e b 模式的改造。论文还分析了国际上已经制定 的两个s c a d a 行业标准规约i e c6 0 8 7 0 5 系列和d n p 3 0 ，并提出r t uw e b 接入方式的协议应该统一采用t c p i p + i e c 6 0 8 7 0 一5 一1 0 4 模式。 本论文第三章阐述了如何基于w i n d o w s s e r v e r 2 0 0 0 操作系统，s o ls e r v e r 2 0 0 0 数据库，i i s 网络服务器等工具来构建电铁被控端的网络平台。 本论文第四章在通过分析、比较各种动态网页技术的基础上，采取j s p 动态网页技术、j d b c 技术和j a v a b e a n 技术，构建了试验被控端基于浏览 器服务器( b r o w s e r s e r v e r ) 模式的信息发布系统。对基于w e b 模式的被 控端功能之一：在网上任意一节点通过i e 测览器利用i p 地址直接与该被 控端建立连接并查询该被控端既有信息这一功能进行全面的设计和实现。 本文最后指出了本论文的不足之处并对今后的工作进行了展望。 亘塑壅塑盔茎塑塑塞皇堂篁迨室 蔓! ! 要 第2 章基于w e b 的s c a d a 系统硬件结构设计 近年来，计算机网络技术不断推陈出新，各种通信协议、网管系统、 浏览工具、开发工具、上载下载和管理工具的不断成熟和完善，这也为电 铁远动系统采用基于i p 的通信方式提供了技术基础。日益完善的电铁系 统内部网及功能不断完善的主站系统，也要求被控端具备相应的通信功 能。同时，铁道高速光纤网络覆盖面迅速扩大，众多被控端已具备了光纤 通信信道，电铁系统已拥有相当的硬件条件，其对被控端的功能也不再将 仅仅满足于“四遥”资料的传输，常规的电铁远动系统被控端终将被融合 计算机、保护、控制、网络、通信等技术于一体的网络化的综合自动化系 统所代替。图2 - 1 是以光纤e 1 ( 2 m ) 口信道为例的电铁s c a d a 系统通信结构。 图2 1s c a d a 系统通信结构图 调度中心通过以太网接口规范与路由器连接，路由器通过e 1 接口规范 ( g 7 0 3 ) 与光纤信道相接。此处，路由器起到网络适配和流量控制的作 用。通信机械室可通过光纤或双绞线连接到变电所。通信机械室与变电所 之间般有几百米至l 2 k m 的距离，而这段距离最易受电气化干扰，推荐 采用光缆。从通信机械室到变电所，以及调度中心到光纤信道，如果距离 较长，可根据通信介质是光纤或双绞线以及传输速率的要求，视距离远近 采用光端机、h d s l 或m o d e w 等方式进行中继传输。本章后续章节将对基于 w e b 模式电铁s c a d a 系统的调度端和被控端分别进行全面的研究与设计。 2 1 采用w e b 模式的电铁s c a d a 系统功能 1 通过采用w e b 模式的电铁s c a d a 系统，网络中每一个有效节点均可 访问其它具有i p 地址的节点，从而可以实现信息资源的最大共享和利用。 被控端甚至可以通过调度端等具备i n t e r n e t 出口的节点与i n t e r n e t 上的 亘壹奎塑盔兰塑主塑窒皇堂垡迨窒 蔓! ! l 节点互访。 2 通过采用w e b 模式的电铁s c a d a 系统，可以为被控端远程诊断及 维护，进而实现无人值班提供基础。 3 电铁s c a d a 系统采用w e b 模式后，客户端统一使用浏览器方式对网络 节点进行访问，所有的操作均与平时上i n t e r n e t 的操作相同或近似。因此， 用户无须学习特定的应用程序使用方法，从而使管理、使用更加简便。 4 各被控端实时和历史数据由数据库服务器统一进行管理，并采用统 一格式( h t m l ) 发布，这就便于为t m i s 、p m i s 、d m i s 等信息管理系统提 供服务。从而实现铁路系统范围资源的协调和综合利用。 2 2 采用w e b 模式需要做的前期准备 采用w e b 方式进行系统实时数据通信，需要前期作一些准备。 1 参照有关资料建立s c a d a 系统所管辖区域内电铁远动系统的资料定义 规范、资料服务标准、资料访问标准、被控端页面格式标准及相关文件。 所有数据文件均以h t m l 等网页格式存储、传输、浏览。 2 规划、分配、定义i p 地址和确定域名。最好能以路局电铁远动系统为 单位选用自己专用的地址，统一编址后下发各分局站段及有关单位实施。 在电铁自动化网络中，还可适当利用d 类和e 类地址以提高资源利用率和 通信效率，方便系统管理。 3 被控端具备存储故障信息、报警信息、历史记录功能。按制定的统一 规则设置电子信箱账号。因为采用i p 通信模式后，所有具有上网功能的 被控站的实时数据都要保留在当地，故障报警信息利用电子邮件传送到主 站，历史纪录资料按预定义的时间周期也用电子邮件送往主站。 4 配置各服务器和t c p i p 。按确定的i p 地址、域名、电子信箱名称等 配置i p 地址、子网掩码、默认网关、各服务器地址等。 5 定义数据库。采用i p 通信的被控站数据库要根据规范重新定义和编辑。 6 加强权限管理和安全管理。主要措施有：身份鉴别、权限审计、密码 核对、访问记录等。 酉壹窒追查堂塑圭堡窒塞堂焦迨窒 皇生三里l 一 2 3w e b 模式调度端系统硬件结构设计 w e b 模式的s c a d a 设计有两种模式，一种是w e b 模式调度端设计，一 种是w e b 模式被控端设计，本节给出w e b 模式的调度端设计。目前调度端 应用比较广泛的是基于i e e e 8 0 2 3 标准( 采用c s m a c d 传输方式的总线型标 准) 的e t h e r n e t 星型以太网。在基于w e b 模式的设计中，调度湍除了含有 一般传统的配置外，还应有e m a i l 、d n s ( d o m a ir ln a m es e r v i c e ) 和代理 服务器等软硬件设施。见图2 2 。 - m f i r e w a 。l 。l 霉w e b 。d 邮忙e - m 。a 。i l 旧划圣善服 旧。l 剁船w e b 掣d8 怕户li 望尉l 旧机l r t u r t u 图2 2 调度端配置图 基于w e b 的s c a b a 系统调度端主要包括：w e b 服务器、d b 服务器、调 度员工作站、客户机及防火墙等设备。其功能如下： 通信前置机：召唤、收集、过滤各个r t u 的实时信息并发送到i n t r a n e t 上。要求通信前置机支持t c p i p 协议和相应的应用层协议 ( 1 e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 ) 。与传统通信前置机具备协议转换功能不同的是，由 于基于w e b 模式的s c a d a 系统在被控端已经进行了协议的统一工作，所以 基于w e b 的s c a d a 系统通信前置机可不具备协议转换功能，而是将这一功 能模块下放至被控端。 w e b 服务器：冗余配置，提供网络服务。作为网络内其它计算机的共 享资源，存放各类实时、历史信息网页，供调度员工作站、客户机访问。 以w e b 浏览方式向具有相应权限的节点( i n t e r n e t 和电铁远动网络节点) 提供信息共享，可同时兼做d n s 服务器、e - m a i l 服务器等。 i 3 n s 服务器：提供域名解析服务。 亘塑窒堕查堂亟亟窒皇堂焦迨窒 蔓! ! 蔓 d b 服务器：存放维护历史数据库、实时数据库。 文件和打印服务器：为调度端局域网各节点提供相应服务。 代理服务器：处于防火墙和l a n 之间，用以连接i n t e r n e t 。使用代理 服务器可以对外屏蔽l a n 内的服务器和p c ，增加安全功能。同时，代理服 务器还具有缓冲功能，它可以保存经常访问的i n t e r n e t 上的信息，当l a n 内p c 访问相同信息时，代理服务器将把信息直接送到该p c 上。 调度员工作站：数目根据需要配制，调度员通过访问w e b 服务器下载 网页对各被控端进行监督和控制。 客户机：数目根据需要配制，调度人员通过访问w e b 服务器上网浏览 相关各被控端数据。 e - m a i l 服务器：向电铁通信网上的用户提供电子邮件服务。 防火墙：i n t r a n e t 和i n t e r n e t 的接口，i n t e r n e t 的客户机可以通 过身份验证访问s c h d h 系统的w e b 服务器，监视远动系统运行状况。 需要注明的是，系统中的各个部件只是为了表示该系统应该具有的功 能，并不表示一定要有此实体存在。根据实际情况，通信前置机、d b 服务 器完全可以放在起，这样通信前置机在处理过滤被控端的信息后，一方 面以广播发出去，一方面对数据库进行必要更新。还可以将w e b 服务器的 备份在其它机器上，如果出现故障会自动接替其任务。 通信前置机与d b 服务器合并，w e b 服务器与一个调度员工作站合并， e m a i l 服务器与w e b 服务器合并，这种结构将大大减少系统的硬件配置。 同时，关键设备应该采用冗余配置，如w e b 服务器，d b 服务器等。 通过在w e b 服务器上配置d n s 服务、d h c p 服务、w i n s 服务和t c p i p 协议，以及在路由器中配置相应的路由，调度端可通过代理服务器( 可选 用s y g a t e 4 0 或w i n g a t e 3 2 ) 采用光纤接入( f t t b ，光纤到楼) 或者d d n 数据专线等方式接入i n t e r n e t 。如图2 3 ： 坷 图2 - 3 接入i n t e r n e t 在这种模式下，所有信息由被控端通过