新型地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡愛國(guó)， 許少毅， 王彭鵬

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

目前，我國(guó)正在掀起建設(shè)地鐵的高潮，在地鐵的設(shè)計(jì)、建設(shè)和正常運(yùn)營(yíng)過程中，雜散電流的防護(hù)和監(jiān)測(cè)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(jié)構(gòu)雜散電流的腐蝕及防護(hù)在國(guó)內(nèi)外一直受到廣泛的重視，當(dāng)前應(yīng)用于地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)一般都是現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的集中式或者分布式系統(tǒng)[1]，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)雜散電流的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)將雜散電流監(jiān)控中心和地鐵現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，人機(jī)界面友好，有利于工作人員操作使用。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)方面存在的問題以及應(yīng)用于實(shí)際的雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的不足，本文利用現(xiàn)有的地鐵通訊網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合瀏覽器／服務(wù)器（Browser／Server，B／S）與客戶機(jī)／服務(wù)器（Client／Server，C／S）混合模式結(jié)構(gòu)，提出如圖1所示的基于Web的新型腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)綜合系統(tǒng)[2]。

整個(gè)系統(tǒng)主要由客戶端、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、微機(jī)管理系統(tǒng)、智能監(jiān)測(cè)裝置、智能排流裝置、單向?qū)ㄑb置、智能傳感器組成。

微機(jī)管理系統(tǒng)、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器與公司內(nèi)部計(jì)算機(jī)以及Internet遠(yuǎn)端客戶端構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息共享層，此層采用B／S（瀏覽器／服務(wù)器）模式，在網(wǎng)絡(luò)上的任意一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過瀏覽器訪問監(jiān)控中心的Web服務(wù)器，Web服務(wù)器把客戶端需要的數(shù)據(jù)信息以網(wǎng)頁的形式發(fā)送給客戶端，實(shí)現(xiàn)信息共享。

智能監(jiān)測(cè)裝置、智能排流裝置以及單向?qū)ㄑb置通過地鐵中的SCADA系統(tǒng)或地鐵局域網(wǎng)組成系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制層，此層采用C／S（客戶機(jī)／服務(wù)器）模式，該層實(shí)現(xiàn)整個(gè)地鐵線路中的智能監(jiān)測(cè)裝置、智能排流柜、單向?qū)ㄑb置與監(jiān)控中心之間的通信連接，整個(gè)地鐵線路中監(jiān)測(cè)的腐蝕數(shù)據(jù)、防護(hù)裝置的狀態(tài)信息都集中在監(jiān)控中心的計(jì)算上。微機(jī)管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，處理各種數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。由每個(gè)變電所內(nèi)的智能監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)子層。該層能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)變電所附近雜散電流腐蝕參數(shù)，并通過現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸給變電所的智能監(jiān)測(cè)裝置，智能監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)顯示腐蝕數(shù)據(jù)，接收微機(jī)管理系統(tǒng)的命令，把數(shù)據(jù)傳送給微機(jī)管理中心。

Web服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，且與微機(jī)管理系統(tǒng)布置在總監(jiān)控室內(nèi)。智能監(jiān)測(cè)裝置與智能排流裝置每個(gè)變電所各配置一臺(tái)，單向?qū)ㄑb置根據(jù)地鐵實(shí)際情況在需要的特殊地段進(jìn)行配置，智能傳感器根據(jù)實(shí)際情況沿地鐵線布置。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)成圖

微機(jī)管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)為工控機(jī)，配置有網(wǎng)絡(luò)接口和打印機(jī)。微機(jī)管理系統(tǒng)與智能監(jiān)測(cè)裝置的通訊網(wǎng)絡(luò)，可以選擇地鐵中的數(shù)據(jù)系集與監(jiān)視控制（Supervisory Control／And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)，也可以選擇地鐵辦公局域網(wǎng)絡(luò)，只需每個(gè)變電所為智能監(jiān)測(cè)裝置和智能排流裝置提供RJ 45網(wǎng)絡(luò)接口并分配固定IP地址即可[3－5]。

2 智能監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

在地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，智能監(jiān)測(cè)裝置起到重要作用。它負(fù)責(zé)收集各個(gè)變電所或者車站附近的雜散電流腐蝕信息和軌道電位數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理顯示相關(guān)信息，更重要的是實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)的通訊功能，把所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心的微機(jī)管理系統(tǒng)。智能監(jiān)測(cè)裝置通過現(xiàn)場(chǎng)總線與智能傳感器通信采集雜散電流腐蝕數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)完成向微機(jī)管理系統(tǒng)上傳智能傳感器采集的雜散電流相關(guān)數(shù)據(jù)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線完成智能傳感器與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)間信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)換。根據(jù)整個(gè)監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)需要，設(shè)計(jì)了基于LM 3 S 8962的雜散電流監(jiān)測(cè)裝置，監(jiān)測(cè)裝置的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)裝置原理框圖

LM 3 S 8962是一款用于工業(yè)控制的32位高速嵌入式微處理器；內(nèi)部集成了以太網(wǎng)和UART控制器，所以只需要增加相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換器件、總線收發(fā)器、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器以及若干外圍器件即可以實(shí)現(xiàn)上述通訊功能。RS 485總線收發(fā)器分別選用Sipex公司的SP 3485型號(hào)的總線收發(fā)器，工作電壓為3.3 V，芯片IC 1為SP 3485總線收發(fā)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?？偩€上各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)變壓器選用漢仁公司的HR 601680芯片，以太網(wǎng)通訊接口電路如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)變壓器選用漢仁公司的HR 601680芯片，選用RJ 45以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)口進(jìn)行信號(hào)傳輸，以太網(wǎng)通訊接口電路如圖4所示。芯片IC 5為網(wǎng)絡(luò)變壓器HR 601680，JP 1為RJ 45網(wǎng)口，將兩這之間的TX＋，TX－，RX＋，RX－，分別連接起來，同時(shí)RJ 45接口10，11的保護(hù)地跟信號(hào)地沒有采用直接連接，而是之間連接了一個(gè)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(wǎng)通訊接口電路

3 監(jiān)控軟件功能分析與設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件編程采用C＃軟件實(shí)現(xiàn)。C＃是微軟為NET Framework量身訂做的程序語言，C＃擁有C／C＋＋的強(qiáng)大功能以及Visual Basic簡(jiǎn)易使用的特性，是第一個(gè)組件導(dǎo)向的程序語言，與C＋＋、Java一樣為對(duì)象導(dǎo)向程序語言。C＃功能豐富強(qiáng)大，而且界面友好，使用起來很方便，尤其適合人機(jī)交互界面的開發(fā)。另外，C＃具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫開發(fā)功能和網(wǎng)絡(luò)通訊功能，提供了各種ActiveX對(duì)象和網(wǎng)絡(luò)通訊組件使得開發(fā)程序變得更為方便[6]。

監(jiān)控軟件具備雜散電流監(jiān)測(cè)、軌道電位監(jiān)測(cè)、防護(hù)設(shè)備監(jiān)控3大塊。雜散電流和軌道電位監(jiān)測(cè)部分具有數(shù)據(jù)處理、顯示、存儲(chǔ)、查詢、參數(shù)設(shè)定功能；防護(hù)設(shè)備監(jiān)控部分具備排流柜的運(yùn)行狀態(tài)顯示功能、故障狀態(tài)以及控制命令的發(fā)送功能。

微機(jī)管理計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件主要對(duì)地鐵沿線所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)雜散電流腐蝕數(shù)據(jù)以及防護(hù)裝置的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、曲線顯示、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)打印、防護(hù)裝置狀態(tài)顯示，排流量計(jì)算、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程通訊控制等功能。

3.1 雜散電流監(jiān)測(cè)界面

雜散電流腐蝕的指標(biāo)是埋地金屬結(jié)構(gòu)極化電位，軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)其監(jiān)測(cè)，把各個(gè)傳感器采集到的極化電位大小顯示出來，根據(jù)大小做出相應(yīng)的判斷。如圖5所示。界面中設(shè)有300 m V安全線、500 m V警戒線和1 000 m V腐蝕危險(xiǎn)線，每個(gè)傳感器監(jiān)測(cè)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(duì)整體腐蝕狀態(tài)有一個(gè)直觀的總體認(rèn)識(shí)。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(dòng)條拖動(dòng)查看更多信息，每個(gè)立柱代表一個(gè)傳感器，可以單擊了解每個(gè)傳感器的編號(hào)、位置、所處供電區(qū)間以及極化電位具體大小等信息。當(dāng)極化電位超標(biāo)時(shí)會(huì)有報(bào)警信息提醒操作人員，連續(xù)超過500 m V一段時(shí)間報(bào)警，時(shí)間可以在系統(tǒng)參數(shù)中進(jìn)行人為設(shè)定，超過1 000 m V則立即報(bào)警。界面中的校正命令主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)裝置的時(shí)間校正；啟動(dòng)設(shè)定可以人為設(shè)定下次軟件啟動(dòng)時(shí)的界面，可選主界面、雜散電流監(jiān)測(cè)界面、軌道電位監(jiān)測(cè)界面或者防護(hù)設(shè)備界面；系統(tǒng)參數(shù)主要完成對(duì)報(bào)警時(shí)間設(shè)定，各個(gè)傳感器具體參數(shù)的修改。

圖5 雜散電流監(jiān)測(cè)界面

3.2 數(shù)據(jù)查詢界面

數(shù)據(jù)查詢界面實(shí)現(xiàn)對(duì)雜散電流極化電位和軌道電位大小的查詢。查詢項(xiàng)目有：測(cè)點(diǎn)一天測(cè)量值、一天各測(cè)點(diǎn)極值、測(cè)點(diǎn)一月每日極值、一月各測(cè)點(diǎn)極值、系統(tǒng)參數(shù)、系統(tǒng)故障。查詢結(jié)果可以表格顯示和曲線顯示，可以打印查詢結(jié)果。

3.3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器接入點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以監(jiān)測(cè)每一個(gè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了新型地鐵雜散電流腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雜散電流的監(jiān)測(cè)與防護(hù)以及數(shù)據(jù)的共享，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)軟件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，并介紹了軟件實(shí)現(xiàn)方法。本系統(tǒng)將雜散電流監(jiān)控中心和地鐵現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，人機(jī)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(jiān)測(cè)及防護(hù)技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2004：65－102.

[2] 王禹橋，李 威，王愛兵.基于嵌入式TCP／IP協(xié)議單片機(jī)的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（5）：18－19.

[3] 徐 慧，周 泓.基于Web的分公司電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2004，25（1）：142－144.

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[5] 王禹橋，李 威，楊雪鋒，等.新型智能軌道電位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究 [J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，22（12）：24－26.

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