電氣化鐵道牽引變電所微機(jī)集中監(jiān)控系統(tǒng)研究

張剛毅

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安710014）

牽引變電所作為電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的重要組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)將直接關(guān)系到電氣化鐵道的正常供電以及鐵路運(yùn)營(yíng)管理水平和運(yùn)輸效率。近年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，其技術(shù)具有存貯記憶和運(yùn)算速度快及數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，性能價(jià)格比高，功能靈活可擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)。因此，計(jì)算機(jī)在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍將微型計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模較大的變電所的控制和管理工作中，正在向集保護(hù)和控制為一體的綜合自動(dòng)化方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)牽引變電所中普遍采用的集控裝置均已非智能化的機(jī)動(dòng)邏輯電路系統(tǒng)已不能滿足電氣化鐵道的發(fā)展。集控系統(tǒng)，以它高可靠、高性能、處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、人機(jī)聯(lián)系手段齊全、集中監(jiān)控和管理等特點(diǎn)，在牽引變電所中得到了廣泛的重視。因此，研究利用STD工業(yè)控制機(jī)和MCS—51單片機(jī)構(gòu)成的主從式多機(jī)牽引變電所監(jiān)控系統(tǒng)是十分有意義的。

1 系統(tǒng)硬件

電氣化鐵道牽引變電所集中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件配置框圖

1.1 由STD工控機(jī)構(gòu)成的主機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由5塊模板（V40多功能板、顯示鍵盤(pán)板、系統(tǒng)支持板、串行通訊板、虛擬磁盤(pán)板）和外設(shè)（鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)）組成，與IBM PC/XT兼容，而速度則是IBM PC/XT的1.8倍，配備MS-DOS 3.2操作系統(tǒng)，功能相當(dāng)于Pro—Log System2。具有可靠性高，功耗低，小板結(jié)構(gòu)，板級(jí)功能分散，易于擴(kuò)展和維護(hù)等特點(diǎn)。

（1） V40多功能板：該板是一種具有多種功能的CPU板，它采用內(nèi)部集成了多種外圍芯片的NEC V40作為CPU，存貯容量可達(dá)到256 kbit的ROM和512 kbit的RAM ，可直接尋址1 kbit空間，并具有7級(jí)可編程的優(yōu)先。級(jí)中斷輸入以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器和通訊、打印接口。

（2）顯示鍵盤(pán)板：該板可以控制多種圖形顯示設(shè)備，還帶有標(biāo)準(zhǔn)PC/XT鍵盤(pán)接口和蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，以及光筆接口。

（3）虛擬磁盤(pán)板：該板為系統(tǒng)提供虛擬磁盤(pán)支持，其虛盤(pán)映象到內(nèi)存90000H—9FFFFH。采用虛擬磁盤(pán)技術(shù)取代不適合惡劣工作環(huán)境運(yùn)行軟盤(pán)、硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，可大大提高主機(jī)的抗干擾性能，降低對(duì)運(yùn)行環(huán)境的溫度、溫度及塵埃度的要求。

（4）系統(tǒng)支持板：該板為系統(tǒng)提供RC無(wú)源終端網(wǎng)絡(luò)、Watchdog電路以及系統(tǒng)的后備電源管理等必要的輔助電路，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠地運(yùn)行。

（5） 串行通訊板：該板提供兩個(gè)獨(dú)立的全雙工的RS-232C串行通道，用來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)的通訊接口，滿足其功能要求。

1.2 以單片機(jī)為核心的各功能結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是將中央處理單元、存貯器、輸入/輸出接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及時(shí)鐘電路等集成在一小塊硅片上而組成的微型計(jì)算機(jī)。由于它具有體積小、集成度高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、指令豐富、適應(yīng)環(huán)境廣泛和面向工業(yè)過(guò)程控制等特點(diǎn)。因此，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，作為各種測(cè)、控子系統(tǒng)的控制核心。

（1） 模擬量輸入模板主要完成對(duì)牽引變電所中各種電流，電壓等連續(xù)變化的模擬信號(hào)的采集和計(jì)算、以及對(duì)主機(jī)控制命令的接收和執(zhí)行等功能。其硬件由作為控制核心8031高檔8 bit單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器、存貯單元以及譯碼和邏輯控制單元組成。

（2）脈沖量輸入模板主要完成牽引變電所中電度脈沖的采集、計(jì)數(shù)和電度量的計(jì)算、以及電度量的預(yù)置和定時(shí)傳遞等功能。

由于脈沖量采集的實(shí)時(shí)性要求較高，而脈沖式電度表所發(fā)脈沖的頻率較低（一度發(fā)500個(gè)脈沖，電度表安裝在變送器次邊）。因此，采用單片機(jī)定時(shí)器0中斷的方式定時(shí)對(duì)16路脈沖量進(jìn)行循環(huán)采集，由軟件計(jì)數(shù)。

（3） 在牽引變電所中，除了有模擬量和脈沖量信號(hào)外，還存在著大量的開(kāi)關(guān)量，這些變量是以二進(jìn)制數(shù)字變化為特征的。由于開(kāi)關(guān)的開(kāi)、閉狀態(tài)不僅直接反映了牽引變電所工作狀態(tài)的正常與否，而且在很大程度上決定了某些控制操作的執(zhí)行和順序。

因此，對(duì)開(kāi)關(guān)量信息的正確處理是變電所監(jiān)測(cè)各種開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化，作出正確判斷，并且根據(jù)開(kāi)頭的實(shí)際狀態(tài)以及調(diào)動(dòng)端或當(dāng)?shù)乜刂泼?，?duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行投切控制，以保證變電所各種設(shè)備的正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及主要功能

任何一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)不僅依賴于硬件以及與它組合的外圍設(shè)備，而且更重要的是依賴于軟件。

（1）在牽引變電系統(tǒng)中，主機(jī)主要完成以下的功能：

a.接收和執(zhí)行遠(yuǎn)方調(diào)度端或當(dāng)?shù)氐母鞣N控制命令，同時(shí)組裝和發(fā)送遠(yuǎn)方調(diào)度端應(yīng)答信息。

b.向從機(jī)發(fā)布控制命令，并接收和處理從機(jī)上送的各種應(yīng)答信息。

c.顯示變電所主接線圖以及各種操作的執(zhí)行過(guò)程和結(jié)果。

d.繪制各種電流、電壓曲線及功率圖，啟示操作的執(zhí)行情況，并打印制表。

主機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)多輸入多輸出的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理系統(tǒng)。因此，其核心程序是一個(gè)多任務(wù)管理程序，每個(gè)任務(wù)的狀態(tài)由任務(wù)管理程序根據(jù)任務(wù)折控制塊內(nèi)容、優(yōu)先數(shù)以及啟動(dòng)條件來(lái)決定。當(dāng)任務(wù)啟動(dòng)條件滿足后，各任務(wù)將按其優(yōu)先數(shù)排入就緒隊(duì)列，等待運(yùn)行（誰(shuí)優(yōu)先級(jí)高，誰(shuí)就先運(yùn)行）。主機(jī)系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 主機(jī)系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

（2）從機(jī)系統(tǒng)是由MCS-51系列單片機(jī)（8031）構(gòu)成的多個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)分別完成模擬量輸入（YC）、脈沖量輸入（電度量采集）、數(shù)字量輸入、輸出（YX/YK）及其處理等任務(wù)。因此，與主機(jī)系統(tǒng)相比，每個(gè)單片機(jī)所完成的功能相對(duì)比較單一。YC（YX/YK）系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 YC（YX/YK）系統(tǒng)的軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于各命令處理、各量的采集處理以及自檢任務(wù)模塊的調(diào)用，系統(tǒng)是采用循環(huán)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。YC（YX/YK）系統(tǒng)的主程序框圖如圖4。

圖4 YC（YX/YK）系統(tǒng)的主程序框圖

3 主從機(jī)之間的通訊處理

由于牽引變電所監(jiān)控系統(tǒng)既要與上級(jí)調(diào)度端進(jìn)行通訊，又要與下級(jí)從機(jī)保持聯(lián)系。因此，主機(jī)要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換處理。

主機(jī)與各從機(jī)之間采用POLLING方式進(jìn)行通訊。

主機(jī)能和任何一個(gè)指定的人機(jī)聯(lián)系，而從機(jī)不能主動(dòng)與主機(jī)通訊，其通訊信息格式由從機(jī)號(hào)、信息類型、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和信息內(nèi)容組成（與遠(yuǎn)傳通訊信息格式相比，沒(méi)有同步字和CRC校驗(yàn)碼）。

由于單片機(jī)采用多機(jī)通訊方式，因此其通訊信息格式中的每一幀長(zhǎng)度要求為11 bit，如圖5。

圖5 多機(jī)通訊的幀格式

由圖5可知，幀格式中的第九數(shù)據(jù)位在單片機(jī)的收發(fā)操作中為地址/數(shù)據(jù)標(biāo)志位。其多機(jī)通訊控制過(guò)程如下：

（1）首先所有從機(jī)的SM2位置1，牌只接收地址幀的狀態(tài)。

（2） 由于各從機(jī)的接收中斷只有在同時(shí)滿足：中斷標(biāo)志RI＝0； SM2＝0或接收到的數(shù)據(jù)第九位為1時(shí)才產(chǎn)生。因此，主機(jī)必須先發(fā)送一幀地址信息（其中包含8 bit地址，第九位置為數(shù)據(jù)/地址標(biāo)志位，第九位置1表示發(fā)送的是地址）。

將藥物化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)要求(即畢業(yè)要求的分解指標(biāo)點(diǎn))與實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)，明晰實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與畢業(yè)要求之間的關(guān)系，避免不同學(xué)校不同教師在講授同一門(mén)課程時(shí)產(chǎn)生教學(xué)效果的偏離，同時(shí)也為后續(xù)考試以及課程質(zhì)量評(píng)價(jià)奠定實(shí)質(zhì)性基礎(chǔ)[8]。

（3）從機(jī)接收到的地址幀后，各自將接收的地址與本機(jī)地址相比較，對(duì)于地址相符的從機(jī)，使SM2清0，眩機(jī)隨后發(fā)來(lái)的所有信息。

對(duì)于地址不符的從機(jī)，仍保持其SM2＝1的狀態(tài)，對(duì)主機(jī)隨后發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)不予以理睬，直到一個(gè)新的地址幀來(lái)臨。這樣就保證了單片機(jī)的通訊接口具有了識(shí)別能力，防止了通訊時(shí)對(duì)其它單片機(jī)的干擾。

（4）主機(jī)發(fā)送控制命令和數(shù)據(jù)信息給被尋址的從機(jī)（數(shù)據(jù)幀的第九位置0）。

（5）從機(jī)將執(zhí)行結(jié)果返送主機(jī)。

在主機(jī)（以8088為CPU的工業(yè)控制機(jī)）的收發(fā)操作中，第9數(shù)據(jù)位則是作為奇偶校驗(yàn)位。顯然在通訊時(shí)，由于主、從機(jī)硬件上的差別，第9數(shù)據(jù)位不同作用將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性。

在實(shí)用的基礎(chǔ)上，采用以下方式加以解決（以驗(yàn)為例）：

b.主機(jī)發(fā)送的命令信息只占1 byte的低7 bit，而最高位則作為奇偶校驗(yàn)調(diào)整位，在命令信息送入串行口發(fā)磅以前先進(jìn)行奇偶校驗(yàn)。若1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)，則在最高位上補(bǔ)1；1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，則直接送往串行口發(fā)送。

這樣就保證了主機(jī)發(fā)送的命令信息中第九數(shù)據(jù)位為0，從而滿足了從機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的識(shí)別。而從機(jī)接應(yīng)守命令信息后，先屏蔽信息的最高位，然后再進(jìn)行命令分析。即：

JNBRI，$

CLRRI

MOVA,SUBF

CLRACC.7

c.從機(jī)先對(duì)回送信息進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，將奇偶標(biāo)志取反，送入TBB，然后進(jìn)行發(fā)送，以滿足主機(jī)對(duì)接自制奇偶校驗(yàn)要求。其實(shí)現(xiàn)如下：

MOVXA，@R1

MOVC，P

CPLC

MOVTB8，C

MOVSUBF，A

4 結(jié)束語(yǔ)

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)普遍實(shí)現(xiàn)了系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和模塊化，其性價(jià)比大為提高。因此，針對(duì)我國(guó)的實(shí)際情況，應(yīng)用微機(jī)提高變電所控制管理的自動(dòng)化水平，已成為必然趨勢(shì)。

本系統(tǒng)采用板級(jí)設(shè)計(jì)和片級(jí)設(shè)計(jì)原則，由STD工業(yè)控制機(jī)和8031單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)硬件配置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，使用靈活、方便，易于功能和容量的擴(kuò)展，便于維護(hù)，可靠性較高。能完成牽引變電各種控制功能要求，具有一定的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)變電所的綜合自動(dòng)化以及單片機(jī)的推廣使用有著積極的意義。

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