“城市軌道交通電力監控系統實訓臺”在教學中的應用

李冰濤 王策瑜 李曙俏

(江蘇省徐州技師學院 a.軌道交通學院;b.圖書館，江蘇 徐州 221151)

1 開發“城市軌道交通電力監控系統實訓臺”的意義

1.1 “城市軌道交通電力監控系統”課程在供電專業中的地位

城市軌道交通供電系統，作為重要機電設備系統之一，擔負著為電動列車和各種運營設備提供電能的重要任務。隨著計算機技術、網絡技術的高速發展，電力監控系統已在軌道交通行業廣泛應用。變電所無人值班，遠程監控已經成為供電專業的發展方向。培養一批與該技術應用相適應的高素質人才成為軌道交通供電專業一項重要的教學任務。

隨著軌道交通供電系統自動化程度的提高，供電專業的現場工作人員，除了要掌握供電專業的專業技能之外，還要懂得計算機網絡通信等相關的知識。只有這樣，才能適應城市軌道交通供電專業的崗位要求。因此，“城市軌道交通電力監控系統”課程成為供電專業的重要專業課程。

“城市軌道交通電力監控系統”課程的核心內容是變電所SCADA系統。變電所SCADA系統是將變電所的二次設備經過功能的組合與優化設計，利用先進的計算機技術、現代電子技術和通信技術，實現對全變電所的主要一次設備和輸、配電線路的自動監視、測量、自動控制和微機保護，以及與調度通信等綜合性的自動化功能。由此可見，學習該課程之前，學生不僅要具備專業基礎課程的知識，同時還要具備專業課程的知識。

“城市軌道交通電力監控系統”課程的開設，可以說是對供電專業學生所學課程的綜合應用。然而從實際的教學情況看，學生很難將前面課程學習過的知識應用到后面課程的學習當中去，這也是符合學習規律的。從知識的學習(學)到知識的應用(會)是需要經過一個再學習的過程的，尤其是多項知識組合在一起即綜合知識的應用更需要一個再學習的過程。

1.2 “城市軌道交通電力監控系統”課程的教學現狀

目前該課程的教學基本上以講授理論知識為主，課程中設備與器件的功能都是以框圖的方式呈現的。如講到數據采集，只是說到哪些設備是用單片機采集數據，哪些設備是用PLC采集數據。講到網絡通信，只是說到哪里使用的是RS485通信，哪里使用的是以太網通信。至于數據如何采集，通信如何進行，這些課程的核心問題，在課程教授時只是進行理論的講述，學生難于理解。

當前，城市軌道交通事業在我國迎來快速的發展，各種最新的技術也在這個行業里大量的使用，這給“城市軌道交通電力監控系統”課程的教學帶來了巨大的挑戰，即教師要及時進行新知識、新技能的學習。同時，正是由于高新技術的使用，使得過去難于解決的技術問題，現在變得容易實現了。在新技術面前,既有挑戰，也有機遇。新技術的使用，也對軌道交通電力監控系統課程的教學提出了新的要求。要在短時期內培養出一大批城市軌道交通供電專業的技術人才，傳統的課程體系與教學方法已經不能跟上飛速發展的行業需求，這就要求教師轉變教學觀念，創新教學方法和教學手段，只有這樣才能適應社會對人才培養的需求。“城市軌道交通電力監控系統實訓臺”的開發以及在教學中的使用，正是基于當前形勢的需求，運用創新的教學手段，在“學”與“用”之間搭建一個橋梁，以彌補傳統教學過程中缺失的學習環節。

2 “城市軌道交通電力監控系統實訓臺”的結構組成

2.1 開發思路

“城市軌道交通電力監控系統實訓臺”完全是按照現場運行的城市軌道交通變電所綜合自動化系統的結構制作的，其原理與功能跟現場設備完全相同。

現場運行的電力設備集成化程度高，各電氣設備的保護系統、事故檢測系統、數據采集系統以及數據通信網絡都聚集在一起。每個設備的數據采集量少則幾個、十幾個，多則幾十個不等。每個變電所的數據采集量至少要幾百個，再加上那些相關的陌生器件需要認識，在現場設備上直接進行電力監控系統的學習，對高職院校的學生來說具有相當大的難度。

“城市軌道交通電力監控系統實訓臺”的開發思路是從繁雜的變電所綜合自動化系統中將電力監控系統部分抽取出來，選取典型的數據量進行采集,單獨把電力監控系統呈現出來進行分析講解，非常有利于學生對此部分原理的理解。本實訓臺與現場設備的不同之處在于:學生可以在此實訓臺上專注于電力監控系統部分知識技能的學習，在此設備上，他們可以快速熟悉電力監控設備并理解監控原理。此實訓臺的創新之處在于:它是一種模塊化的結構，可以方便進行功能的增減。在實訓臺上，教師演示完畢，學生就可以跟進操作，并且對操作結果進行驗證,出現問題，現場分析解決。學生在實際設備上進行學習操作將更加簡單方便。實訓臺的結構如圖1所示。

圖1 城市軌道交通電力監控系統實訓臺結構

2.2 結構組成

城市軌道交通電力監控系統實訓臺的結構包括三部分：站級管理層;網絡通信層;間隔設備層。

實訓臺的站級管理層使用的是一臺工控機，工控機里安裝有相應的編程軟件和組態軟件。工控機與485通信模塊的連接使用的是USB轉TTL模塊，工控機與交換機的連接使用的是RJ-45接口。

網絡管理層使用的有RS485通信，由RS485模塊1和RS485模塊2組成，通信協議使用的是MODBUS RTU；以太網通信，由帶光口的交換機1和帶光口的交換機2組成，光纖連接，通信協議使用的是TCP/IP。

間隔設備層的設備最豐富，它們的作用主要是采集變電所二次設備的數據，以達到監視和控制變電所一次設備的目的。主要有PLC1、PLC2、單片機模塊、溫度變送器1和溫度變送器2。PLC1主要采集開關量信號，它通過繼電器1、繼電器2控制接觸器1和接觸器2,起到控制斷路器和隔離開關的作用。PLC2通過拓展模塊EM235采集模擬量信號,通過模擬量輸入端口可以顯示三相電壓值和電流值，通過模擬量輸出端口可以調節遠端變壓器的電壓。單片機模塊是許多智能設備的核心部件，它可以實時采集各種現場數據，并對數據進行處理，還可以將數據通過各種通信方式發送到遠端。單片機模塊顯示軌道電位并實現報警。作為智能設備的代表，溫度變送器1能夠模擬顯示變壓器的工作溫度，溫度變送器2能夠模擬顯示整流器件的工作溫度。

軌道交通電力監控系統實訓臺可以完成站級管理層設備對遠端變電所設備的實時監控。在整個監控系統實現過程中，從間隔設備層的單片機、PLC及智能設備對數據的采集，到網絡通信層RS485及帶光口的交換機等通信方式的選擇，通信協議的使用，再到站級管理層應用組態軟件對遠端設備工作狀態的實時的顯示和控制。該實訓臺可以實現“城市軌道交通電力監控系統”課程里變電所綜合自動化系統(即變電所SCADA系統)的遙信、遙測、遙控及遙調的功能，并且每種功能都是通過硬件的連接與軟件的編程來實現的。

3 “城市軌道交通電力監控系統實訓臺”的教學內容

該實訓臺最大的特色是教師對這部分知識的教授完全可以用實操的方法進行教學。學生可以在實訓臺上親自動手操作進行學習。主要的實訓內容如下：

3.1 間隔設備層的教學內容

對PLC1模塊的數據采集與設備監控，主要是采集開關量信號進行顯示及控制。編程中應當考慮本地控制與遠程控制兩種情況，以及故障信息顯示。對PLC2模塊的數據采集與設備監控，主要采集模擬量信號進行顯示及調控。編程中應當考慮本地控制與遠程控制兩種情況。此模塊中接入了擴展模塊EM235，EM235有四個模擬信號輸入端和一個模擬信號輸出端，其中三個模擬信號輸入端是作為三相電壓顯示，另一個模擬信號輸入端是作為一路電流顯示。模擬信號輸出端接一塊0～10 V的直流電壓表，用以觀察模擬電壓信號的輸出。此模塊開關量輸出端還接有一個蜂鳴器，可以進行報警設置。

對單片機模塊的數據采集與設備監控。軌道電位值屬于模擬量信號，在編寫程序時，單片機不但要采集軌道電位信號，還要將此電位值在顯示模塊上顯示出來。同時要將軌道電位信號按照MODBUS協議的格式，通過RS485通信模塊發送到上位機即工控機上，工控機上的組態軟件即可對單片機設備進行組態。這就是單片機編程要實現的功能。

對智能設備進行的數據采集與設備監控。溫度變送器1和溫度變送器2模塊屬于智能設備，它們遵從標準的MODBUS通信協議，可以直接將設備掛接在RS485通信總線上即可對數據進行采集。這里需要注意的是:一個是設備號，一個是數據存儲地址，這兩個數據量都要正確，否則讀不到想要的數據。

3.2 網絡通信層的教學內容

PLC模塊與站級管理層之間的通信使用的是以太網通信方式。硬件設備使用的是兩臺帶有光口的交換機，且交換機之間是使用光纖連接的。這里的實訓要點一個是PLC網絡功能的實現，這里使用的是無錫北辰的網絡通信模塊，此模塊通信使用硬件實現，無需軟件編程，實現起來較為簡單。光纖通信時要注意光纖接口的類型。交換機與PLC、工控機連接使用的是帶有RJ-45接口的網線。

單片機與站級管理層的通信使用的是RS485通信。兩塊RS485模塊由RS485通信線連接。RS485通信的特點是信號傳輸距離遠且抗干擾性強。RS485模塊可以將TTL信號轉換成RS485信號，所以RS485模塊1的一端直接與單片機和智能設備連接，RS485模塊2的一端通過一個TTL轉RS232模塊與工控機的USB端口連接，這樣就完成了RS485通信的硬件連接。需要注意的是，在進行RS485通信時，通信頻率必須設定一致。

3.3 站級管理層的教學內容

站級管理層的硬件主要設備是一臺工控機和顯示器。工控機里安裝有對單片機、PLC進行編程的編程軟件，單片機與PLC模塊的所有程序編寫都由這臺工控機完成。除此之外，工控機最主要的工作就是應用組態軟件對間隔層的單片機、PLC以及智能設備進行組態，并對變電所的一次設備進行有效的監視和調控。

組態軟件是數據采集與過程控制的專用軟件，能以靈活多樣的組態方式提供良好的用戶開發界面和簡潔的使用方法，其預設置的各種軟件模塊可以非常容易地實現和完成監控層的各項功能。使用組態軟件建立應用工程大致可分為四個步驟：設計圖形界面；構造數據庫界面；建立動畫連接；運行和調試。使用組態軟件對設備進行組態主要分為四種類型：實現設備模擬量輸入；實現設備模擬量輸出；實現設備開關量輸入；實現設備開關量輸出。

實訓臺上的教學內容只是現場變電所SCADA系統的一部分，學生在學習完實訓臺上的項目之后，再到學院的城市軌道交通供電實訓室學習或是操作現場的實際設備，就會有一種似曾相識的感覺。他們會主動探尋哪個數據采集來自哪個設備的哪個參數，并且去找尋數據的傳輸路徑。在此基礎上，教師只需稍稍點撥，學生很快就會進入新知識的學習情境之中。通過一個學期的教學實踐，使用該實訓臺確實起到了事半功倍的教學效果。