基于PLC 單向?qū)ㄑb置智能監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)研究

趙 芳，鄭慧麗，王天博

（中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西 西安 710016）

引言

城市軌道交通中，地鐵系統(tǒng)的雜散電流已經(jīng)引起了人們的高度重視。在地鐵雜散電流防護(hù)系統(tǒng)中，使用單向?qū)ㄑb置是重要的手段。通過(guò)增加單向?qū)ㄑb置可以減少地鐵鋼軌電流，也就減少了結(jié)構(gòu)鋼筋以及金屬管線(xiàn)的電腐蝕，檢修人員的人身安全也有了保障。

1 智能監(jiān)控方案

單向?qū)ㄑb置的智能監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)可編程控制器PLC 對(duì)整個(gè)回路狀態(tài)的進(jìn)行采集及控制，系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1 所示。

2 智能監(jiān)控的原理及功能

2.1 系統(tǒng)的原理

通常情況下，單向?qū)ㄑb置都并聯(lián)在鋼軌絕緣節(jié)處，單向?qū)ㄑb置的主要器件為整流二極管，作用是使鋼軌中電流只流向一個(gè)方向，在相反方向截止[1]。單向?qū)ㄑb置主要由5 個(gè)二極管支路、2 支晶閘管消弧回路、1 臺(tái)電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)及PLC 組成。每個(gè)二極管支路又由快速熔斷器、電流傳感器、二極管組成。主回路原理圖如圖2 所示。

2.2 系統(tǒng)功能

單向?qū)ㄑb置智能監(jiān)控通過(guò)對(duì)熔斷器、電流傳感器、消弧裝置的進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的短路保護(hù)、斷路保護(hù)，過(guò)電壓保護(hù)、自動(dòng)消弧等功能。

在單向?qū)ㄑb置中，采用PLC 控制器來(lái)采集快熔、二極管的故障信號(hào)，同時(shí)采集消弧裝置的觸發(fā)電壓，單向?qū)ㄑb置具備遠(yuǎn)程操作本裝置內(nèi)隔離開(kāi)關(guān)的功能，通過(guò)PLC 控制通訊功能使工作人員在調(diào)度中心或變電所內(nèi)即可完成隔離開(kāi)關(guān)的分合工作，為工作人員提供了更高的安全性與便利性。智能管理與人身安全同時(shí)得到了實(shí)現(xiàn)，在遠(yuǎn)程了解設(shè)備的運(yùn)行情況，再可以根據(jù)需要，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行合閘或者分閘。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件配置

在控制系統(tǒng)中選西門(mén)子Smart 200 CPU SR40 和8 通道的模擬量擴(kuò)展模塊EM AE08 組成[2]，進(jìn)行信號(hào)采集和邏輯運(yùn)算。單向?qū)ㄑb置的絕緣節(jié)兩端并聯(lián)有二極管和快速熔斷器，二極管和熔斷器的回路上串接有電流傳感器，熔斷器的斷開(kāi)或接通狀態(tài)信號(hào)是由CPU 控制器模塊進(jìn)行采集判定[3]。電流傳感器將電流的模擬量信號(hào)通過(guò)模擬量擴(kuò)展模塊進(jìn)行采集并通過(guò)控制器運(yùn)算判斷。PLC 控制系統(tǒng)能夠接受和處理電流模擬量和熔斷器的開(kāi)關(guān)量，并把檢測(cè)和處理結(jié)果信號(hào)輸出連接到電力智能監(jiān)控中。

3.2 軟件流程

PLC 數(shù)據(jù)采集控制及遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)邏輯圖，如圖3 所示。智能消弧控制邏輯圖[4]，如圖4 所示。

3.3 通訊協(xié)議及規(guī)約

通信支持多種協(xié)議，常使用開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約Modbus-TCP，或MODBUS-RTU 協(xié)議[5]。通過(guò)RS485端口，使用MODBUS-RTU 協(xié)議；如采用以太網(wǎng)接口就使用MODBUS-TCP 通信協(xié)議。該單向?qū)ㄑb置的智能監(jiān)控系統(tǒng)這兩種協(xié)議均具有。

由于在車(chē)輛段單向?qū)ㄑb置的設(shè)備距離變電所自動(dòng)化SCADA 距離超過(guò)1 000 m，所以現(xiàn)場(chǎng)采用通信協(xié)議MODBUS-TCP 通信協(xié)議，在單向?qū)ㄑb置內(nèi)裝置光纖以太網(wǎng)的轉(zhuǎn)換設(shè)備，與變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信接口按光纖以太網(wǎng)方式通訊。通信傳輸速率采用19.2 kbps。

變電所自動(dòng)化SCADA 做為主站，單向?qū)ㄑb置做從站。主站周期性查詢(xún)從站，從站則按相應(yīng)報(bào)文格式回答。主站可隨時(shí)插入各種類(lèi)型報(bào)文，索取從站信息，或?qū)恼具M(jìn)行控制操作。對(duì)某個(gè)站，無(wú)論因何種原因（超時(shí)、出錯(cuò)），連續(xù)出現(xiàn)三次重發(fā)后仍不能正確接收時(shí)，則認(rèn)定為通道故障或裝置故障。當(dāng)報(bào)文發(fā)出1 s后，仍不能收到完整的應(yīng)答報(bào)文，則認(rèn)定為本次通信失敗。

3.4 控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

控制程序在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行了一些優(yōu)化設(shè)計(jì)：遠(yuǎn)程進(jìn)行隔離開(kāi)關(guān)的合閘和分閘動(dòng)作時(shí)，考慮一定的延時(shí)、互鎖及故障優(yōu)先級(jí)判斷等。程序設(shè)計(jì)好后，可以使用串口助手軟件對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。如模擬主站（變電所自動(dòng)化SCADA）查詢(xún)從站（單向?qū)ㄑb置，地址為01）狀態(tài)下發(fā)命令01 03 00 00 00 03 05 CB。

從站返回的報(bào)文為：01 03 06 00 00 00 00 00 00 21 75（裝置無(wú)故障，隔離開(kāi)關(guān)就地位，隔離開(kāi)關(guān)分閘）。

也可以模擬主站（變電所自動(dòng)化SCADA）遠(yuǎn)程操作從站（單向?qū)ㄑb置，地址為：01），進(jìn)行閉合或斷開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)命令。如當(dāng)遠(yuǎn)程操作閉合隔離開(kāi)關(guān)命令時(shí)，下發(fā)報(bào)文為：01 06 00 02 01 00 29 9A。從站根據(jù)主站下發(fā)的報(bào)文，進(jìn)行響應(yīng)，并返回相應(yīng)的報(bào)文。

對(duì)返回的報(bào)文進(jìn)行分析，完全符合程序設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究介紹了一種基于西門(mén)子SMART PLC 的單向?qū)ㄑb置智能監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有多種遠(yuǎn)程通信功能，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制隔離開(kāi)關(guān)的開(kāi)通和閉合等功能。通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試，此控制系統(tǒng)很穩(wěn)定，具有較好的安全性。具有智能監(jiān)控的單向?qū)ㄑb置已應(yīng)用于某市軌道交通3 號(hào)線(xiàn)工程車(chē)輛段，目前運(yùn)營(yíng)狀態(tài)良好，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。