新型地鐵雜散電流腐蝕監測與防護系統設計

胡愛國， 許少毅， 王彭鵬

（中國礦業大學 機電工程學院，江蘇徐州221116）

目前，我國正在掀起建設地鐵的高潮，在地鐵的設計、建設和正常運營過程中，雜散電流的防護和監測問題是必須考慮的，并且政府在這方面投入了巨額的資金。地鐵金屬結構雜散電流的腐蝕及防護在國內外一直受到廣泛的重視，當前應用于地鐵雜散電流腐蝕監測的系統一般都是現場總線進行數據通信的集中式或者分布式系統[1]，為了實現實現雜散電流的遠程監測，系統將雜散電流監控中心和地鐵現有網絡聯系起來，實現數據共享和遠程監控的功能，人機界面友好，有利于工作人員操作使用。

1 系統方案設計

針對地鐵雜散電流腐蝕監測與防護方面存在的問題以及應用于實際的雜散電流腐蝕監測系統存在的不足，本文利用現有的地鐵通訊網絡，結合瀏覽器／服務器（Browser／Server，B／S）與客戶機／服務器（Client／Server，C／S）混合模式結構，提出如圖1所示的基于Web的新型腐蝕監測與防護綜合系統[2]。

整個系統主要由客戶端、Web服務器、數據庫服務器、微機管理系統、智能監測裝置、智能排流裝置、單向導通裝置、智能傳感器組成。

微機管理系統、Web服務器、數據庫服務器與公司內部計算機以及Internet遠端客戶端構成一個網絡信息共享層，此層采用B／S（瀏覽器／服務器）模式，在網絡上的任意一臺計算機可以通過瀏覽器訪問監控中心的Web服務器，Web服務器把客戶端需要的數據信息以網頁的形式發送給客戶端，實現信息共享。

智能監測裝置、智能排流裝置以及單向導通裝置通過地鐵中的SCADA系統或地鐵局域網組成系統監測控制層，此層采用C／S（客戶機／服務器）模式，該層實現整個地鐵線路中的智能監測裝置、智能排流柜、單向導通裝置與監控中心之間的通信連接，整個地鐵線路中監測的腐蝕數據、防護裝置的狀態信息都集中在監控中心的計算上。微機管理系統是整個系統的大腦，處理各種數據，并把數據存入數據庫服務器。由每個變電所內的智能監測裝置與分布在變電所附近、地鐵線路沿線的智能傳感器組成變電所監測子層。該層能夠實時監測變電所附近雜散電流腐蝕參數，并通過現場總線傳輸給變電所的智能監測裝置，智能監測裝置實時顯示腐蝕數據，接收微機管理系統的命令，把數據傳送給微機管理中心。

Web服務器與數據庫服務器集成在一臺計算機上，且與微機管理系統布置在總監控室內。智能監測裝置與智能排流裝置每個變電所各配置一臺，單向導通裝置根據地鐵實際情況在需要的特殊地段進行配置，智能傳感器根據實際情況沿地鐵線布置。

圖1 系統總體構成圖

微機管理系統的計算機為工控機，配置有網絡接口和打印機。微機管理系統與智能監測裝置的通訊網絡，可以選擇地鐵中的數據系集與監視控制（Supervisory Control／And Data Acquisition，SCADA）系統，也可以選擇地鐵辦公局域網絡，只需每個變電所為智能監測裝置和智能排流裝置提供RJ 45網絡接口并分配固定IP地址即可[3－5]。

2 智能監測裝置設計

在地鐵雜散電流監測系統中，智能監測裝置起到重要作用。它負責收集各個變電所或者車站附近的雜散電流腐蝕信息和軌道電位數據，經過相應的數據處理顯示相關信息，更重要的是實現和監控系統的通訊功能，把所有傳感器采集到的數據上傳至監控中心的微機管理系統。智能監測裝置通過現場總線與智能傳感器通信采集雜散電流腐蝕數據，通過以太網完成向微機管理系統上傳智能傳感器采集的雜散電流相關數據，通過現場總線完成智能傳感器與綜合自動化系統間信號傳輸轉換。根據整個監測與防護系統需要，設計了基于LM 3 S 8962的雜散電流監測裝置，監測裝置的硬件結構如圖2所示。

圖2 監測裝置原理框圖

LM 3 S 8962是一款用于工業控制的32位高速嵌入式微處理器；內部集成了以太網和UART控制器，所以只需要增加相應的電平轉換器件、總線收發器、網絡隔離變壓器以及若干外圍器件即可以實現上述通訊功能。RS 485總線收發器分別選用Sipex公司的SP 3485型號的總線收發器，工作電壓為3.3 V，芯片IC 1為SP 3485總線收發器，芯片IC 2，IC 3，IC 4均為 TLP 521－1光耦，為了使 RS 485通訊更為可靠，確保總線上各個節點之間電氣完全隔離，LM 3 S 8962和SP 3485之間通過TLP 521光耦相連。RS 485通訊接口電路如圖3所示。

圖3 RS 485通訊接口電路

網絡變壓器選用漢仁公司的HR 601680芯片，以太網通訊接口電路如圖4所示。

網絡變壓器選用漢仁公司的HR 601680芯片，選用RJ 45以太網傳輸網口進行信號傳輸，以太網通訊接口電路如圖4所示。芯片IC 5為網絡變壓器HR 601680，JP 1為RJ 45網口，將兩這之間的TX＋，TX－，RX＋，RX－，分別連接起來，同時RJ 45接口10，11的保護地跟信號地沒有采用直接連接，而是之間連接了一個104陶瓷電容，這樣減少了電磁干擾并提高了電路的抗靜電能力。

圖4 以太網通訊接口電路

3 監控軟件功能分析與設計

監控軟件編程采用C＃軟件實現。C＃是微軟為NET Framework量身訂做的程序語言，C＃擁有C／C＋＋的強大功能以及Visual Basic簡易使用的特性，是第一個組件導向的程序語言，與C＋＋、Java一樣為對象導向程序語言。C＃功能豐富強大，而且界面友好，使用起來很方便，尤其適合人機交互界面的開發。另外，C＃具有強大的數據庫開發功能和網絡通訊功能，提供了各種ActiveX對象和網絡通訊組件使得開發程序變得更為方便[6]。

監控軟件具備雜散電流監測、軌道電位監測、防護設備監控3大塊。雜散電流和軌道電位監測部分具有數據處理、顯示、存儲、查詢、參數設定功能；防護設備監控部分具備排流柜的運行狀態顯示功能、故障狀態以及控制命令的發送功能。

微機管理計算機監控軟件主要對地鐵沿線所有監測點雜散電流腐蝕數據以及防護裝置的狀態數據進行集中處理，實現數據存儲、曲線顯示、數據查詢、數據打印、防護裝置狀態顯示，排流量計算、故障報警、遠程通訊控制等功能。

3.1 雜散電流監測界面

雜散電流腐蝕的指標是埋地金屬結構極化電位，軟件實現對其監測，把各個傳感器采集到的極化電位大小顯示出來，根據大小做出相應的判斷。如圖5所示。界面中設有300 m V安全線、500 m V警戒線和1 000 m V腐蝕危險線，每個傳感器監測到的極化電位大小通過立柱圖的形式顯示出來，使得用戶對整體腐蝕狀態有一個直觀的總體認識。由于一條線路上的傳感器眾多無法在一頁顯示完全，可以通過滾動條拖動查看更多信息，每個立柱代表一個傳感器，可以單擊了解每個傳感器的編號、位置、所處供電區間以及極化電位具體大小等信息。當極化電位超標時會有報警信息提醒操作人員，連續超過500 m V一段時間報警，時間可以在系統參數中進行人為設定，超過1 000 m V則立即報警。界面中的校正命令主要實現系統對監測裝置的時間校正；啟動設定可以人為設定下次軟件啟動時的界面，可選主界面、雜散電流監測界面、軌道電位監測界面或者防護設備界面；系統參數主要完成對報警時間設定，各個傳感器具體參數的修改。

圖5 雜散電流監測界面

3.2 數據查詢界面

數據查詢界面實現對雜散電流極化電位和軌道電位大小的查詢。查詢項目有：測點一天測量值、一天各測點極值、測點一月每日極值、一月各測點極值、系統參數、系統故障。查詢結果可以表格顯示和曲線顯示，可以打印查詢結果。

3.3 實時監測界面

實時監測界面實現對各個傳感器接入點的實時監測，可以監測每一個傳感器的采集的極化電位、軌道電位以及本體電位，如圖6所示。

圖6 實時監測界面

4 結 語

本文設計了新型地鐵雜散電流腐蝕監測與防護系統，實現了雜散電流的監測與防護以及數據的共享，對監控系統軟件進行詳細的設計，并介紹了軟件實現方法。本系統將雜散電流監控中心和地鐵現有網絡聯系起來，實現數據共享和遠程監控的功能，人機界面友好，有利于工作人員操作使用。

[1] 李 威.地鐵雜散電流腐蝕監測及防護技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2004：65－102.

[2] 王禹橋，李 威，王愛兵.基于嵌入式TCP／IP協議單片機的雜散電流監測系統[J].微計算機信息，2006，22（5）：18－19.

[3] 徐 慧，周 泓.基于Web的分公司電梯遠程監控系統的實現技術[J].計算機工程與設計，2004，25（1）：142－144.

[4] 張海波.城市軌道交通牽引供電系統雜散電流防護[J].城市軌道交通研究，2010，22（1）：76－80.

[5] 王禹橋，李 威，楊雪鋒，等.新型智能軌道電位監測系統的研究 [J].微計算機信息，2009，22（12）：24－26.

[6] 李敏波.C＃高級編程[M].北京：清華大學出版社，2006：1－120.