城市轨道交通安全门监控系统总线冗余设计

摘 要

监控系统是城市轨道交通安全门系统中的重要组成部分。本文在分析其功能和现状的基础上，提出了总线冗余的设计方案，并针对方案进行了软硬件设计，结果满足轨道交通运营的要求。

【关键词】安全门 门控 单元 MODBUS

1 现状

城市轨道安全门系统是集建筑、机械、电子和控制等学科于一体的复杂分布参数控制系统。安全门系统电气部分主要由门控单元DCU、中央控制盘PSC、就地控制盘PSL和设备维修终端PTE等构成。

中央接口盘和门控单元采用现场总线连接，目前大多厂家采用了MODBUS、PROFIBUS、CAN、LONWORK等现场总线，但多数未提供冗余措施，或是采用冷冗余的处理方式。当门控单元的通信接口出现故障或通信线缆出现故障时，监控主机无法获取门控单元的运行状态，对整个监视系统的可靠性和实时性造成很大影响，针对该问题，本文提出了基于MODBUS协议的冗余解决方案，

2 设计方案

安全门监控系统采用总线型拓扑结构，该系统由两套总线构成，对应于站台上下行两侧，为满足冗余的要求，每侧在原基础上增加一条总线连接作为备用总线，如图1所示。

门控单元提供两个软硬件完全独立的总线接口，作为从设备挂载到总线上，当其中一个接口出现故障时，不影响另一个接口的运行；目前，部分厂家采用PLC作为通讯主设备采集门控单元的运行状态并上报给工控机中的监控软件，但考虑到软件的灵活性，本方案将工控机作为主设备直接通过网关挂载到总线上。其中，工控机和网关之间采用MODBUS_TCP协议，而网关与门控单元之间采用MODBUS_RTU协议。通讯正常时，由主总线访问门控单元寄存器，当某个节点出现故障时，则切换到备用总线访问，并通过监控软件实时显示当前的通讯状态。该方案可有效解决因连接器接触不良、通讯线缆损坏等情况引起的故障问题。

3 硬件设计

门控单元主处理器采用ST公司大容量的STM32处理器，该处理器包含5个USART外设资源，完全满足设计方案需求，总线物理层采用RS485电气标准，抗工模干扰能力强，ADM2483差分总线收发器是一款集成式电流隔离器件，适用于多点总线传输线路的双向数据通信，具有短路电流限制，并可以通过热关断保护电路将驱动器输出置为高阻状态，防止过度的功率损耗。因RS485为半双工的通信方式，在软件中通过RE和DE引脚控制数据的传输方向。

作为通讯主设备的工控机，通过网关连接到总线网络上，工控机与网关之间的数据传输采用基于TCP/IP的MODBUS协议，通过RJ45接口类型的双绞线连接，而网关与门控单元之间采用MODBUS_RTU协议，通过串行接口类型的双绞线连接。在这里网关负责协议转换的功能，本文选择MOXA公司生产的MB3270I，该网关具备两个RS485接口，一个连接主总线，另一个连接备用总线，且两个接口完全独立。

4 软件设计

4.1 门控单元接口软件

门控单元软件提供与中央接口盘的MODBUS通信接口，该部分基于STM32处理器的通用同步异步收发器USART上开发完成。为了使软件可移植性强、易维护，采用分层的方法编写MODBUS模块。

软件由应用层、协议转换层和设备驱动层构成，其中应用层定义了任务函数，并包含参数的初始化和存储函数以及MODBUS数据包的处理函数，它通过调用设备驱动层的函数完成报文的发送接收。设备驱动层中定义了与USART外设相关的函数，包括硬件初始化和发送接收函数和发送接收中断函数。协议转换层中定义与MODBUS总线协议相关的函数，包含报文的打包和解包函数，即将USART口接收到的连续字节，解包成MBMessageTyp报文形式上传给应用层，并将待发送的报文打包成MODBUS帧格式，通过USART外设发送出去。

4.2 通信模块

监控软件中的通信模块负责建立监控主机与门控单元之间通讯连接；提供发送接收数据的接口函数供上层调用；同时实时检测当前的通信状态，并根据状态做出处理动作。本部分采用有限状态机的模式实现，根据运行情况将通信划为三个状态，分别为正常状态、报警状态和故障状态。每个门控单元对应的两条总线都设置有对应的故障次数计数器，通信失败时，计数器的值加1；通信成功时，计数器值减1。

4.2.1 正常状态

在该状态下，两条通信总线都能正常发送和接收数据，业务层发送数据时，采用主总线发送，同时定时检测备用总线的状态。如果计数器的值超过限值，标记相应总线故障，并跳转到报警状态。

4.2.2 报警状态

只有一条总线通信正常，数据的发送都是通过该总线完成。每隔一段时间试探相应的故障总线通道，若计数器的值降为零则清除故障标志，跳转到正常状态。如果正常运行的总线也出现故障，则置标志位并跳转到故障状态。

4.2.3 故障状态

两条总线同时出现故障为严重错误状态，在中央控制盘的面板上报出故障，通知工作人员维修。通信模块定时试探两条总线通道，若两条总线同时恢复正常，则转为正常状态；若只有一条总线恢复正常，则转入报警状态。

5 结束语

本文在分析城市轨道交通安全门总线系统现状的基础上，提出了模块化设计方案，并根据方案完成了软硬件的设计实现。通过实际测试，软件满足稳定性、可靠性和可扩展性的需求，具备应用到实际项目工程的条件。

作者单位

1.北京经纬信息技术公司 北京市 100081

2.中国铁道科学研究院电子计算技术研究所 北京市 100081