专利名称：通信、监控一体化的变电所通信管理机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统、牵引供电系统综合自动化技术领域，尤其适用于城市轨道交通变、配电所，与保护测控装置、数据采集装置等智能操作单元配合组成的综合自动化通信系统领域。该发明创造是该领域综合自动化系统的重要组成部分。
技术背景目前我国城市轨道交通建设正在快速的发展，到2010年我国计划新建设城市轨道交通项目总长度将近1300公里，总投资约5000亿元。城市轨道交通系统是一种高密度、 大运量的交通系统，必须保证其高度的安全性和可靠性，而各个变配电所内负责提取、解析与转发站内各个基层单元信号的通信管理装置，以及站内监控综合自动化系统则为整个轨道交通的安全运行提供了基础保证。早期的站内通信管理装置与监控系统广泛应用于电气化牵引变电站内，如今随着城市轨道交通的迅猛发展，它走入了一个新的发展时期，并逐渐形成了具有城市轨道交通特色的通信管理机制与站内监控系统，和以往通信管理机器和综自系统相比轨道交通具有更高标准的要求要求管理机具有更强大的接口通信处理能力； 要求具有更快速准确的实时数据运算和传送功能；要求具有更强大集中的数据监视平台， 提供丰富的数据管理能力。随着计算机技术、现场总线、快速工业以太网等技术的飞速发展和广泛应用，传统的集中、低速、专用封闭式的自动化正向着开放、高速、综合的方向发展; 无人执守、站内监控和网络化管理，是我国牵引、轨道交通自动化发展的必然结果。目前综合自动化运营实例存在一下问题问题1、目前国内比较成熟的站内通信管理装置模式单一，管理机只负责数据收集与转发，且主流的管理机硬件平台多采用普通的32位单片机，以原Motorola的68K或其升级型号为代表。内存和主频都较低，不易扩展像USB、IDE、VGA这样的新型接口 ；或采用ARM 系列单片机，内存和主频较高，但接口扩展难度较大，软件开发困难。上述配置模式及硬件选型尤其不能满足与兼容地铁用户大资源的要求即内存不低于U8M，主频不低于500M， 固态存储2G。问题2、目前站内监控系统多为为一台工控机配以监控软件构成，这种监控系统需要专门配以监控盘，实际运行中，已经多次出现了后台监控机由于人为和监控机本身等原因导致瘫痪不能正常工作的情况，有的变电站一年内发生数次，多为人为原因引起，严重影响了变配电站的整体运行，例如有的值班员利用后台监控机玩游戏、上网，私自使用软盘和光盘使监控机感染病毒等，因此，寻找一种快速、简便、安全的监控系统方案，快速消除软件故障，及时恢复系统的正常运行，已成为变、配电站计算机监控系统运行维护的主要目标之
发明内容 为了克服以上通信管理机方案中的缺陷，本发明公开了一种通信、监控一体化的变电所通信管理机，其采用的技术方案是[0007]一种通信、监控一体化的通信管理机，在一个机箱里，集成了双电源、双CPU模件， 双重通信模块，以及母板切换电路，其特征在于所述双电源、双CPU模件、双重通信模块均与所述母板切换电路相连；采用工业级ETX系统核心模块，处理能力领先同类产品，保证系统稳定可靠运行，标准X86架构工控模块，商用嵌入式操作系统，满足实时性要求，具备良好的移植性和维护性。512M-1G DDR内存，2-8G高速固态存储，保证了数据处理和存储能力。 载板选用S0M4455，S0M4455上集成2路串行接口、1路VGA显示接口，1路LCD/LVDS液晶显示接口，载板需要相应的总线接口电路，将此接口扩展出去、S0M4455上还集成音频控制器、 键盘鼠标控制器、USB控制器，载板上都需要有相应的接口回路，将这些接口扩展出去。面板模件设计面板有液晶和无液晶版本。当需要小的显示界面时，采用液晶面板，触摸屏图形操作界面。当需要大的显示界面时，使用无液晶面板，外接独立显示器、标准键盘和鼠标。如果只做通信管理装置使用，可以取消显示接口。无液晶面板上面只有少量的运行、故障等指示灯。KVM模件设计提供4路USB2. 0/1. 0兼容接口，1路标准VGA显示器接口，1路音箱插孔。内置显示、USB等接口双路切换功能。显示器、键盘、鼠标等外设通过切换连接到双CPU上。具备手动、自动切换功能。USB接口用于连接鼠标、键盘等外设，VGA接口用于外接显示器。地铁项目的典型配置典型配置取消了串口和GPS插件，含双CPU，事故音响、KVM， 采用无液晶面板，外接标准显示器和键盘鼠标。如果仅仅作为通信管理装置，可以不需要显示，要显示，取消KVM板和外接的键盘鼠标显示器。牵引所的典型配置牵引所(含变电所、开闭所等)配置串口板用于接入其他厂家的智能设备，含双CPU，事故音响、KVM，采用无液晶面板，外接标准显示器和键盘鼠标。无人值守分区所可以采用含液晶面板，取消KVM，显示器和键盘鼠标。管理机含当地监控系统功能，变电所、开闭所所等无需配置单独的当地监控系统。当地监控功能本装置软、硬件平台类似于工控机，安装当地监控软件后，在通信管理的基础上，同时构成当地监控双机系统。变、配电所内可以省去单独的监控系统。同时本装置区别于普通工控机的设计，无需风扇，没有机械硬盘，硬件上更加可靠。软件上系统区只读，每次开机都是原始的系统，彻底提升了病毒防护能力，使得系统后续维护简单，操作记录和通信报文等可在CF卡上长期保存。本发明所涉及的应用于牵引、轨道交通变配电所的通信管理机，配置了高性能的 CPU和大容量的存储，集成了通信转发和所内监控功能(即要把当地监控系统的功能嵌入到管理机中)，弥补了现有管理机硬件容量、性能及后台监控运营维护过程中技术的不足， 本发明在硬件平台选型、实现通信管理机和所内监控合一做了很大的改进。SOM-EXT系列嵌入式模块加扩展板。标准X86架构，内存和主频高，主频一般在600M-1G，内存一般在 128-512M。具备丰富的接口如USB、IDE、VGA等。可以轻易实现大容量的固态存储。由于具备400个扩展引脚，所有接口都可方便引出。包括TDE、LCD等需要很多引线的接口。本平台构架，可以方便的扩展网络、串行口、开入、开出等基本的、必须的接口，都可以满足通信管理机的基本功能需求。母板上设计有母板切换电路，本电路通过硬件节点互锁及软件控制实现双CPU互为备用机。本发明的有益效果
4[0015]本发明在电气化铁路、轨道交通综合自动化领域里的通信管理装置上进行了大容量高性能、通信、监控一体化等多种创新，与时下主流几大综自厂家的通信管理装置相比有明显优点当地监控和通信管理一体化设计，更适合无人值守变电所使用和维护；集成度高，便于实现通信资源共享，外部接线简单，安全可靠，采用工业级ETX系统核心模块，处理能力领先同类产品，保证系统稳定可靠运行；标准X86架构工控模块，商用嵌入式操作系统，满足实时性要求，具备良好的移植性和维护性；512M-1G DDR内存，2-8G高速固态存储， 保证了数据处理和存储能力；监控软件上系统区只读，每次开机都是原始的系统，彻底提升了病毒防护能力，使得系统后续维护简单。软硬件模块化结构，根据不同应用需求灵活定制，便于工程实施及维护和升级，为无人值班牵引变电站提供了完善的综合自动化解决方案。本发明创造成功应用在多条电气化铁路，同时在南京地铁、沈阳地铁、深圳地铁、 天津地铁、苏州地铁等轨道交通供电SCADA系统中得到了广泛应用，是公司目前在轨道交通项目中主推的产品，创造了良好的经济和社会效益。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式
并不限制本发明要求保护的范围。
图1本发明实施例的硬件配置图；图2本发明实施例的SOM-ETX硬件构成；图3本发明实施例的PCI总线信号定义；图4本发明实施例的母板双CPU布线电原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明从硬件设计、装置模件组成、功能原理进一步描述。硬件选型在管理机选型时，有两个要求满足地铁用户大资源的要求，即内存不低于U8M，主频不低于500M，固态存储2G ；实现通信管理机和所内监控合一。即要把当地监控系统的功能嵌入到管理机中。为了实现监控合一，则平台必须有高主频、大存储，以及方便易用的图形显示接口。需要指出的是，同主频的单片机和X86处理器的处理能力是有巨大差别的。由于单片机需要在一片MCU(微控制器)里面集成很多扩展功能，而X86架构是由通用处理器(CPU)、北桥、南桥等多个芯片共同完成，不言而喻，单片机的处理能力和X86 架构的嵌入式平台是无法比拟的。X86嵌入式平台通俗的说就是PC机的嵌入式、工业化版本。比PC机体积小、功耗低，可以适应工业化应用的严酷环境。最终选择了研华的SOM-ETX 产品。同时在扩展器件上，坚持了高标准。采用了 6层布线，工业级Inte 1网络芯片，工业级高速CF卡等等。当然，成本大大增加。最终配置如下S0M4455，主频相当于htel 800M，内存 512M-1G DDR,固态存储 2G-8G。扩展 4 路 USB2. 0 接口、10 路 RS232C 接口和 4 路 10/100M 自适应以太网口，以太网光纤接口可选。在管理机整体结构上，沿用了上一代管理机的设计，标准4U机箱，双机热备用。优点是配置灵活、工作可靠。图1本发明实施例的硬件配置图。载板设计选定了 SOM-ETX核心板后，还必须设计合适的载板，用以把核心板上的各种接口扩展出去，同时增加自己需要的各种周边设备。如图2所示，S0M4455集成了 1路百兆以太网控制器(LAN Controller)，载板需要相应的总线接口电路，将此接口扩展出去。 另外3路百兆以太网接口，选择了 INTEL公司的82551IT以太网控制器芯片，通过PCI总线进行扩展。82551IT是一款工业级的10/100兆自适应以太网芯片，除了具备INTEL公司一贯的高品质外，还有以下对应用非常有帮助的特点1.支持VLAN，在一路物理以太网口上，支持多个虚拟VLAN以太网接口，对于地铁复杂的组网模式，非常有利。2.支持多种CPU负荷分载，对于TCP分段、IP校验和生成、TCP校验和生成、接收数据包的校验和验算等大开销的计算工作，都可以由芯片完成，从而分担了 CPU的计算量， 提高系统的总体性能。S0M4455上集成了 2路串行接口(UARTs C0M1/C0M2)，载板需要相应的总线接口电路，将此接口扩展出去。另外8路RS232/485串行接口，选择了 EXAR公司的ST16C5MDIQ64 UART异步串行通信控制芯片。16C5M是一款非常流行及成熟的4串口芯片，每路发送和接收分别具备16字节的FIFO，最高支持1.5Mbps的收发速率。载板上由两片16C554，配合周边回路，构成8路扩展RS232/485串行接口。S0M4455上集成了 1路VGA显示接口，1路 LCD/LVDS液晶显示接口，载板需要相应的总线接口电路，将此接口扩展出去。管理机的显示方案有两种1，外置标准显示器；2，面板上内置液晶显示器。在载板上有相应的接口回路， 分别支持这两种显示方式。S0M4455上还集成了音频控制器、键盘鼠标控制器、USB控制器等，载板上都需要有相应的接口回路，将这些接口扩展出去。ISA总线扩展在管理机的开入开出(DI/D0)设计中，采用了 ISA总线扩展方案。 ISA总线Qndustry Standard Architecture 工业标准体系结构)是IBM公司为PC/AT 电脑而制定的总线标准，为16位体系结构，只能支持16位的I/O设备，数据传输率大约是 8MB/S。也称为AT标准。ISA总线是一种目前看来比较古老的总线，性能不高，速度不快。 但基于ISA的接口电路，其布线要求远没有PCI或USB接口板高。设计简便，调试简单。由于它能够提供16位I/O操作，对I/O的直接读写可以完全不考虑复杂的驱动程序和应用程序，因而对于数据吞吐量不大的外设，在ISA总线上开发接口电路目前仍是优选的方案之一。尤其在工业控制领域，一些成熟的ISA外设、扩展卡等，由于工作可靠，价格便宜，仍然在广泛应用。PCI总线扩展(如图3，PCI总线信号定义):PCI总线(Peripheral Component Interconnct Special Interest Group)，即外围部件互联专业组，简称PCISIG。是由 htel、IBM、Compaq、AST、HP、Apple、DEC等100多家公司于1991年共同推出的一种局部总线，广泛应用于计算机及工业控制电脑中。PCI采用数据线和地址线复用结构，减少了总线引脚数，从而可节省线路空间，降低设计成本。PCI标准允许PCI局部总线扩展卡和元件进行自动配置，提供了即插即用的能力。S0M4455具备PCI总线接口，总线接口符号PCI 2.2 标准(PCI Local Bus Specif ication，Revision 2.2)。S0M4455 集成的以太网已经占去了 1路PCI槽位，还可以提供4个扩展PCI槽位。在管理机的设计中，3路扩展以太网分别使用了 PCI的3个槽位扩展。装置模件组成通信管理装置由机箱及各种功能模件组成。其中，除面板模件安装在前面板外，其他功能模件都采用背插式方式安装。CPU模件、母板和电源模件为必选模件，串口模件、事故音响模件、KVM模件、GPS模件等在内的其它模件，可根据功能需要自由定制，分布在装置插箱背部的8个插槽中。CPU和电源模件可以冗余配置构成双机热备系统，为实现通信、监控一体化，主要模件硬件设计如下· CPU模件设计采用工业级ETX模块加载板构成。配置可随市场升级。含1路 USB2. 0接口、1路RS232C调试口和4路10/100M自适应以太网口，以太网光纤接口可选，光纤接口符合100Base-FX标准。以太网口 1和2 —般用于所内通信，构成双网备用。以太网 3和4 口一般用于远动通信，支持多个调度，支持双通道备用。USB接口兼容2.0和1.0标准，用于接入普通USB外设，包括U盘，移动硬盘等。CPU模件另具有4路USB接口，通过KVM 板引出。1路内部RS232C串行口，用于连接GPS模件。8路RS232C/485串行口，用两块串口板引出。图4本发明实施例的母板双CPU布线电原理图。 面板模件设计面板有液晶和无液晶版本。当需要小的显示界面时，采用液晶面板，触摸屏图形操作界面。当需要大的显示界面时，使用无液晶面板，外接独立显示器、标准键盘和鼠标。如果只做通信管理装置使用，可以取消显示接口。无液晶面板上面只有少量的运行、故障等指示灯。· KVM模件设计提供4路USB2. 0/1. 0兼容接口，1路标准VGA显示器接口，1路音箱插孔。内置显示、USB等接口双路切换功能。显示器、键盘、鼠标等外设通过切换连接到双CPU上。具备手动、自动切换功能。USB接口用于连接鼠标、键盘等外设，VGA接口用于外接显示器。地铁项目的典型配置典型配置取消了串口和GPS插件，含双CPU，事故音响、KVM， 采用无液晶面板，外接标准显示器和键盘鼠标。如果仅仅作为通信管理装置，可以不需要显示，取消KVM板和外接的键盘鼠标显示器。两块规约转换板用于接入所内的智能装置，或用于单网到双网的转换。牵引所的典型配置牵引所(含变电所、开闭所等)配置串口板用于接入其他厂家的智能设备，含双CPU，事故音响、KVM，采用无液晶面板，外接标准显示器和键盘鼠标。无人值守分区所可以采用含液晶面板，取消KVM，显示器和键盘鼠标。管理机含当地监控系统功能，变电所、开闭所所等无需配置单独的当地监控系统。当地监控功能本装置软、硬件平台类似于工控机，安装当地监控软件后，在通信管理的基础上，同时构成当地监控双机系统。变、配电所内可以省去单独的监控系统。同时本装置区别于普通工控机的设计，无需风扇，没有机械硬盘，硬件上更加可靠。软件上系统区只读，每次开机都是原始的系统，彻底提升了病毒防护能力，使得系统后续维护简单。通信监视和记录功能通过选配的显示器或网络终端监视本机工作状态及各个通信接口的通信数据，操作记录和通信报文等可在CF卡上长期保存。以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
权利要求1.一种通信、监控一体化的通信管理机，在一个机箱里，集成了双电源、双CPU模件，双重通信模块，以及母板切换电路，其特征在于所述双电源、双CPU模件、双重通信模块均与所述母板切换电路相连，采用工业级ETX系统核心模块，标准X86架构工控模块。
2.根据权利要求1所述的通信、监控一体化的通信管理机，其特征在于所述CPU模件，采用工业级ETX模块加载板构成，含1路USB接口、1路RS232C调试口和4路以太网口， 以太网光纤接口可选；另具有4路USB接口，通过KVM模件引出，1路内部RS232C串行口， 用于连接GPS模件，8路RS232C/485串行口，用两块串口板引出。
3.根据权利要求2所述的通信、监控一体化的通信管理机，其特征在于所述载板选用 S0M4455，S0M4455上集成2路串行接口、1路VGA显示接口，1路LCD/LVDS液晶显示接口 ； S0M4455上还集成音频控制器、键盘鼠标控制器、USB控制器。
4.根据权利要求1所述的通信、监控一体化的通信管理机，其特征在于它还包括面板模件，所述面板模件，采用液晶面板，触摸屏图形操作界面；或者，使用无液晶面板，外接独立显示器、标准键盘和鼠标。
5.根据权利要求4所述的通信、监控一体化的通信管理机，其特征在于它还包括事故音响、KVM模件，所述KVM模件，提供4路USB接口，1路标准VGA接口，1路音箱插孔，所述 USB接口用于连接标准键盘和鼠标，所述VGA接口用于外接独立显示器；显示器、键盘、鼠标通过切换连接到双CPU模件上。
专利摘要本实用新型公开了一种通信、监控一体化的变电所通信管理机，在一个机箱里，集成了双电源、双CPU模件，双重通信模块，以及母板切换电路，其特征在于所述双电源、双CPU模件、双重通信模块均与所述母板切换电路相连，采用工业级ETX系统核心模块，标准X86架构工控模块。便于工程实施及维护和升级，高性能的软硬件平台兼容了电气化铁路及轨道交通大容量复杂通信的要求，在目前牵引及地铁项目大力发展这一背景下，本实用新型必将创造良好的经济效益。
文档编号H02J13/00GK202084989SQ20102026949
公开日2011年12月21日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者张 林, 范三龙 申请人:南京国电南自轨道交通工程有限公司