中低速磁浮列車地面綜合監測系統的設計與實現

王連春 龍志強 竇峰山 張永燾

(國防科技大學磁懸浮技術工程研究中心,410073,長沙∥第一作者,碩士研究生)

狀態監測是磁浮列車運營安全的重要環節[1]。磁浮列車作為一種交通工具,自然對列車安全可靠性有著更高的要求。能實時監測列車各系統的運行情況并做出分析、判斷、處理,是保證快速旅客列車安全運行的關鍵。然而磁浮列車是一個機電一體化的綜合性復雜控制系統,其各個子系統之間存在非線性的耦合關系;它又是由多種設備、多種硬軟件設施組成的復雜系統,各子系統的組成及實現功能不相同(即各子系統并非完全獨立,在某種程度上相互之間有一定的關聯)。一個子系統的某些功能任務的實現,往往需要來自其它子系統的狀態信息。狀態監測系統的主要功能是采集各子系統的狀態信息,將各子系統的信息綜合顯示,并通過狀態檢測網絡將信息傳送給各個子系統,實現系統狀態綜合信息的調度。由于磁浮列車系統的各子系統的檢測手段不一,不利于列車狀態監控的系統化實現,因此迫切需要一種綜合的監控手段來完成對列車各子系統狀態的綜合檢測。

1 系統需求分析

針對車輛系統而言,磁浮列車是一個與地面監控中心無直接接觸的高速運動的實體。為了能實時掌握與列車安全運行相關車載設備狀態以及運行狀態等關鍵數據,此時基于有線網絡的通信方式[2-3]就會有心無力,無法滿足要求,只能考慮采用遠程無線通信技術來完成此項任務。

地面變電站是列車車載供電系統與列車地面配套設施的電力來源。可靠的電力保障是磁浮列車安全運行的最基本最重要的條件之一,因此必須建立地面變電站監測系統。變電站監測系統主要依靠一系列網絡綜合電力測控儀表和采集變送裝置作為測控單元,分布安裝在各現場設備單元中;它利用總線技術將各單元回路的綜合電量及狀態遠傳至配電監測中心,并執行來自配電監測中心的控制及調整指令,實現對地面變電站的監測[1]。

道岔是軌道的重要組成部分,是使列車從一條軌道轉入另一條軌道的線路連接設備。有了道岔,可以充分發揮線路的通過能力。即使是單線軌道,通過鋪設道岔,再設置一段大于列車長度的叉線,就可以對開列車。然而道岔具有數量多、構造復雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養護維護投入大等特點,往往是軌道中最薄弱的環節。因此,有必要建立一套道岔監控系統,對道岔進行監測控制,以確保磁浮列車行駛道路的安全通暢。

2 通信結構總體設計

圖1為地面綜合監測系統總體結構示意圖。該系統主要負責采集來自車輛系統、變電站和道岔系統等方面的狀態信息,實現對磁浮列車以及地面相應配套設施的綜合監測[4]。如圖1所示,到目前為止地面綜合監測系統主要是由遠程無線監測系統(車輛系統)、變電站監測系統和道岔監測系統三個子系統組成(但隨著磁浮列車技術的不斷發展,這方面的子系統也許會更多)。其中,車輛遠程無線監測系統的狀態數據經過CAN-RS-232數據轉換板,把列車上的CAN數據轉換成數據發送終端DTU能直接發送的RS-232數據格式,通過GSM(全球移動通信系統)網絡采用GPRS(通用分組無線業務)方式把數據發送至互聯網;地面監測系統利用公共網絡來接收相應數據并解析,以此實現對車輛系統的遠程狀態監測。對地面變電站系統狀態的監測,則是通過RS-485總線結構,采用Modbus數據傳輸協議,以此獲取PDM(綜合電力監控)智能電力儀表狀態來實現的。對道岔系統狀態的監測,是采用CP-5611卡根據Profibus-DP總線協議接收PLC-S300邏輯控制器采集到現場設備狀態來實現的。

圖1 磁浮列車地面綜合監測系統總體結構示意圖

3 系統通信技術分析

3.1 車輛遠程無線監測系統

根據本文前述的需求分析,該系統的數據傳輸只能采用無線通信方式。無線通信有無線局域網通信和無線移動通信兩種情況。

無線局域網是一種專有網絡,主要利用窄頻帶(或單一頻率)無線電進行通信。這種方式類似于無線電臺的廣播,需要自己建設通信用的發射器和接收器,并將發射器和接收器都調節到一個“固定”的頻率。目前正在運營的上海磁浮示范運營線就采用這種通信方式實現磁浮列車與地面系統間的數據傳輸。其列車上安裝了車載無線電系統,并在軌道旁多處都架設了無線電基站,選擇了38 GHz左右的高頻率進行通信。雖然無限局域網具有很高的實時性、穩定性與安全性,但其系統覆蓋范圍小,存在通信死區,且建設和維護費用比較高。

無線移動通信則是利用運營商構建的網絡通信系統進行數據傳輸,主要的數據傳輸方式有CDMA(碼多分址)方式和GPRS(通用分組無線業務)方式。

(1)CDMA是在擴頻通信技術上發展起來的一種新的無線通信技術。CDMA網絡作為公共移動通信網絡,能夠滿足市場對移動通信容量和品質的高要求,具有組網方便、維護費用低、電磁輻射小等特點;但是由于其目前已經失去聯通運營商的支持,導致其覆蓋范圍可能受到牽制。

(2)GPRS是一項以分組交換為基礎的無線高速數據傳輸技術。GPRS是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換系統。作為一種分組交換的數據承載和傳輸網絡,其與原有的GSM相比,具有諸多優勢。在我國,GSM公用數字移動通信網是覆蓋面最大、系統可靠性最高、話機保有量最大的數字移動蜂窩通信系統。利用GSM 網絡傳輸監控信息是一種最經濟、合理、有效的通信方式。它的使用,可充分發揮各系統業務服務的特點和資源優勢,以最小投資和運營費用實現移動目標的定位、監控與調度。

本系統的無線通信方式考慮到系統的數據傳輸量、費用成本、實時性、高可靠性以及GPRS的其他一些優點,故采用GPRS數據傳輸業務作為系統的無線數據通信方式。

3.2 變電站監測系統

變電站監測系統主要依靠一系列網絡綜合電力測控儀表和采集變送裝置作為測控單元,分布安裝在各現場設備單元中。它利用總線技術將各單元回路的綜合電量及狀態遠傳至配電監測中心,并執行來自配電監測中心的控制及調整指令,實現對變電站的監測。

由于PDM系列電力儀表不僅提供了標準的RS-485通信接口,而且提供了專業的Modbus通信協議,所以系統選擇使用PDM系列電力儀表作為測控單元。Modbus總線是美國莫迪康公司在世界上首先推出的基于RS-485的總線。從Modbus協議與PDM儀表的兼容性,以及Modbus協議在電力工業中的廣泛適應性考慮,選擇Modbus協議作為配電監測中心與PDM儀表之間的通信協議。

根據Modbus通信協議,Modbus網絡只有一個主機,所有通信都由主機發出請求,從機作出回應。在一個請求回應周期中,主機將含有地址碼、功能碼、數據區和錯誤校驗碼的請求幀發送到網絡上,符合相應地址碼的從機可以接收到此數據幀,并進行錯誤校驗。如果校驗出錯,則不返回任何信息;如果校驗無誤,則根據功能碼及相關要求處理數據幀,執行相應的任務,然后把執行結果用數據幀返送給主機。返回的應答幀中須包括地址碼、功能碼、數據區和錯誤校驗碼。主機接收到來自從機的應答幀后,進行錯誤校驗,再根據監測的需要對接收到的數據幀作相應的處理。

3.3 道岔監測系統

由于PLC(可編程邏輯控制器)在工業控制中的諸多優點,所以磁浮列車道岔監控系統使用S7-300系列PLC作為現場控制設備。S7-300系列PLC支持MPI(多點接口)、Profibus-DP等多種通信方式。Profibus-DP總線用于分布式控制系統的數據傳輸,是一種經過優化的高速、經濟的通信連接。同時它所具有的安裝和服務便捷、良好的診斷能力和無差錯的傳輸等優點,完全可以承擔現場控制與監控的通信任務[5-6]。

Profibus-DP總線系統為分布式結構,可以有多個主站與從站。各主站間用令牌傳遞方式通信,主站與從站之間使用主從方式通信;每段可達32個站,用連接器連接段,最多可達126個站[7]。磁浮列車道岔監控系統的Profibus-DP網絡采用總線型拓撲結構,以道岔監控中心所在的工控機為主站,以S7-300系列PLC為從站。工控機通過CP 5611現場總線接口卡與Profibus-DP總線相連,查詢從站工作狀態,并向從站發送控制命令。PLC是模塊式結構,可以通過自身專用模塊接入Profibus-DP網絡,完成對現場設備的控制與監測,并按主從方式向上位機發送數據。

通過OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE;OLE意為對象鏈接與嵌入)可以把現場信號與上位機監控、人機界面軟件等方便地鏈接起來,還可以把它們與上位機的某些通用開發平臺鏈接起來。經過探討分析比較,根據OPC標準,道岔系統監控系統與PLC采用如圖2的鏈接方式[8]。

圖2 道岔系統監控軟件與PLC鏈接示意圖

4 系統設計與實現

4.1 車輛遠程無線監測系統

車輛系統監測軟件的主要功能,是對接收到的數據包中的有效數據進行提取、分析與顯示。軟件的數據中心端通過網卡與DTU建立連接,首先對數據包進行剝離,并按約定協議對數據進行校驗,無效的數據丟棄,有效的數據提取后進行數據變換,得到相應的數據在界面進行顯示。整個車輛遠程無線監測系統通信程序流程圖如圖3所示。

圖4為車輛系統的監測界面。該界面中小黑色方塊表示懸浮點的浮落信息,使用的表格控件顯示監測各個懸浮控制器狀態信息。另外,該監測界面中表盤顯示出列車的實時速度,同時也包括里程信息。表格中最后一列表示列車狀態數據的實效性。如果系統在2 s內沒有數據更新,最后一列就顯示無效。這主要考慮到網絡時延性以及不穩定性可能影響到數據的可信度。

圖3 遠程無線監測系統通信程序流程圖

該系統已經在唐山1.5 km磁浮試驗線正常運行半年時間。根據該系統實際運行情況分析,采用GPRS無線移動通信方式,數據傳輸比較穩定、可靠,網絡傳輸延時大概在1 s左右,基本能滿足系統設計要求。

圖4 遠程無線監測系統界面圖

4.2 變電站監測系統

由于配電監測中心所在的工控機(主機)是通過RS-232/RS-485轉換器接入RS-485總線上,并與各PDM儀表(從機)進行通信的,所以變電站監測系統的通信軟件首先必須實現對工控機串口的讀寫。

整個地面綜合監測系統的軟件都是在Visual Studio.Net環境下開發的。本套子系統使用在NET Framework 2.0中提供了SerialPort類來實現串口數據通信。變電站監測系統通信軟件的流程圖如圖5所示。最后針對相應的技術要求,依照Modbus協議,設計實現了地面變電站監測系統。具體監測界面如圖6所示。

圖5 基于M ODBUS的通信程序流程圖

通過該界面實現可以監測到地面變電站的部分主要的遙測和遙信信號,其中包括每車運行過程中的功耗以及每車每公里的單位功耗;另外還能監測到1#和2#饋線各個遙測信號,同時也監測了整流變壓器、所用變壓器、整流器、直流屏等故障的遙信信號。此外,隨著變電站設施的逐步改進,為了進一步的調試方便,在界面上還設計了數據的接收發送測試區。

圖6 地面變電站監測系統界面圖

4.3 道岔監測系統

在建立OPC服務器之后,還需要編寫OPC客戶端程序,以實現人機交換,完成監控軟件的開發。通過OPC客戶端,一方面,可以將PLC傳入OPC服務器中的狀態數據讀取出來,實現對道岔系統的狀態監測;另一方面,可以將控制信號發送到OPC服務器中,通過對PLC的寫操作,實現對道岔系統的控制[9]。本文采用VC來開發OPC客戶端的接口讀寫程序。其程序設計流程圖如圖7所示[10]。

圖7 OPC通信程序設計流程圖

設計實現的界面圖如圖8所示。界面中包括道岔整體結構示意圖,以此展現道岔動作情況;同時還監測道岔系統的故障情況,以及道岔狀態和動作命令。

圖8 道岔監測系統界面圖

5 結語

整個中低速磁浮列車地面綜合監測系統是一個較為龐大的系統性工程,它將隨著監測對象的增加而擴展到更多的技術領域。本文只為目前列車系統中幾個關鍵子系統的通信實現開發了相應的軟件。地面監測系統通過各種通信網絡,采集了道岔系統、變電站等地面設施的數據,同時還匯集了由車載監測系統提供的供電、懸浮、牽引、制動、車廂電氣等車載設備的狀態數據,實現了對整個磁浮列車系統的狀態監測,為磁浮列車的故障診斷評估、故障預報等工作奠定了基礎。這套系統已經在唐山1.5 km磁浮試驗線投入運行,至目前運行情況良好,基本能滿足實際要求。

廣州地鐵5號線

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