應用光通訊技術解決大型架空索道PLC系統(tǒng)通信單元防雷的問題

栗 詠 趙忠強

(泰安市泰山索道運營中心 泰安 271000)

應用光通訊技術解決大型架空索道PLC系統(tǒng)通信單元防雷的問題

栗 詠 趙忠強

(泰安市泰山索道運營中心 泰安 271000)

針對“泰山中天門索道PLC控制系統(tǒng)常被雷擊”的問題，泰山索道運營中心采用光通訊技術改造升級原有通訊系統(tǒng)的技術方案。從 2014年5月竣工到2016年10月，在這兩年半的實際運行期間泰山中天門索道多次遭遇落雷，而PLC控制系統(tǒng)通信單元沒有因雷擊發(fā)生過任何故障，實現(xiàn)了技術進步并取得了良好的經濟和社會效益。驗證了：“在索道技術領域應用光通訊技術構建新型通信與控制系統(tǒng)的可行性和必要性”。

客運索道 PLC系統(tǒng)防雷 感應雷侵入 RS485通訊 光通訊

“索道”顧名思義就是在纜索之上建立的道路，索道的歷史可以追溯到古代名為“撞”的溜索；古往今來索道都是一種獨特的運輸工具，今天的現(xiàn)代化索道已經是當之無愧的高技術含量的大型現(xiàn)代化特種設備，具有高度自動化的控制系統(tǒng)和龐大而復雜的機械結構，廣泛應用于地形復雜的山岳、海峽、礦山等場所，按照用途可以分為貨物運輸、交通擺渡、休閑娛樂、游覽觀光、體育賽事等，目前在我國80%以上的大型索道都是應用于山岳（河流、海峽）地帶旅游觀光的載人運輸；這些索道都具有以下的共同特點：

1）索道的站間距離長達數(shù)百米至數(shù)十千米不等；

2）兩站之間鋪設架空的運載索(即：鋼絲繩）和信號電纜；

3）索道的架設位置通常會突兀的聳立在野外，上部沒有遮蔽物，整條索道都暴露在室外環(huán)境下；

4）現(xiàn)代大型索道的控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用PLC（可編程序控制器）對索道各站點的設備實現(xiàn)自動化管理和控制。

毫無疑問在這種運行環(huán)境中PLC控制系統(tǒng)必定容易受到雷擊，所以“避雷”一直是各大型索道的重要技術攻堅工作。以泰山中天門索道為例，索道自1983建成時運至今已經安全運行33年；2000年10月改建為當時世界領先的8人吊廂脫掛抱索器單線循環(huán)式索道，驅動站與迂回站相距2089.16m、高差597m、每小時運力是3260人次；主控系統(tǒng)采用世界一流安全PLC制造商皮爾茲公司的PSS300型產品，時至今日仍然是經典的高可靠性索道控制系統(tǒng)；但是該系統(tǒng)也無法避免感應雷通過RS485通訊電纜中的雙絞線入侵索道控制系統(tǒng)。單單中天門索道2000年至2013年由于雷擊導致的控制系統(tǒng)維修開支直接經濟損失累計超過200萬元，導致的營運減產以及品牌美譽度折損更是損失巨大；2013年泰山索道運營中心成立專項課題小組提出“應用光通訊技術改造升級原有通信系統(tǒng)的技術方案”，自2014年5月份項目竣工，截止到2016年的10月份兩年半的時間里泰山中天門索道的PLC控制系統(tǒng)通訊單元沒有因雷擊發(fā)生過任何故障，驗證了：“在索道技術領域應用光通訊技術構建新型通信與控制系統(tǒng)的先進性和必要性”。

1 改造前的狀況和改造的必要性

中天門索道自2000年建成之初，便存在控制系統(tǒng)觸摸屏易遭感應雷雷擊的問題；每逢索道沿線發(fā)生強雷電都會有觸摸屏被雷電擊毀，導致索道故障停運。觸摸屏是索道控制PLC的人際交互界面，觸摸屏工作失常操控人員就無法獲取PLC提供的關鍵運行數(shù)據(jù)，無法掌握索道的技術狀況，因此索道運維人員擬定索道運行與檢修方案缺乏關鍵技術數(shù)據(jù)的支撐；可見觸摸屏是索道控制系統(tǒng)的關鍵度部件，它的重要性不言而喻。

為了克服觸摸屏容易被雷電擊毀的問題，泰山索道運營中心的技術人員會同制造商多貝馬亞索道設備公司（設備供應商）及皮爾茲公司的技術人員研究決定：在通訊線路和供電線路中各增加一級電涌抑制器，用于泄放雷電涌流，防御雷擊。方案很快落實，但是收效甚微，每年還是會有多臺次觸摸屏被雷擊損壞甚至報廢。把遭受雷擊的觸摸屏拆檢后，發(fā)現(xiàn)雷電沿著RS485通訊線路侵入觸摸屏內部，擊毀了觸摸屏的部分電涌敏感器件，導致設備癱瘓或報廢。

又嘗試了通過臨時切斷RS485線路與PLC的連接的方式避雷，隨之而來的是通訊中斷、靜電損壞觸摸屏、切斷時機不對等等棘手的問題。進一步提升索道控制系統(tǒng)的抗雷擊能力和運行穩(wěn)定性，仍然是一件羈絆中天門索道運行安全和營運效益的大事；必須找到一個更有效的技術方案來解決這個問題。

2 改造方案的生成與核心器件的選型

2.1 方案思路的形成

中天門索道中天門站（驅動站）與南天門站（回轉站）的PLC的通訊原理如圖1所示：

330A2和730A2（兩個調制解調器）不僅連接著觸摸屏還分別連接著兩站的CPU，一直以來，330A2、730A2和兩站的CPU板卡都沒有被雷電毀壞過，可見330A2和730A2的RS232通訊線路的抗電涌性能出眾；為什么同一臺調制解調器的兩部分電氣結構會有如此大的技術差異。深入研究這個器件，它內含兩個主要功能部分：一是RS485的傳輸部分，二是RS232的傳輸部分。調制解調器330A2、730A2電氣原理圖如圖2所示。

圖1 中天門索道PLC通訊系統(tǒng)示意圖

圖2 調制解調器電氣原理圖

連接PLC的RS232部件與連接觸摸屏和雙絞線通信線路的RS485部件之間有一套隔離組件將他們在電氣連接上隔離，實際上也就起到了將雷電涌阻擋在RS232通訊回路之外的作用，阻斷了雷電涌攻擊PLC的路徑，有效保護了PLC主機，而RS485的兩條信號線路上只有壓敏泄放電路，只能被動的將雷電涌的幅值拉低，并不能從根本上起到阻斷雷電入侵的作用。

以此為論據(jù)筆者設計了一個初步的技術升級思路，即：從源頭上切斷雷電的入侵路徑。什么樣的技術手段能夠將RS485信號傳輸2300m而且性能穩(wěn)定，抗干擾能力強，不受雷電的影響。

RS-485的電氣特性：采用差分信號負邏輯，邏輯“0”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。由此可知RS485信號是一種低電平數(shù)字信號，可以很方便地將其裝換成其他波導的開關量信號。經過多次調研發(fā)現(xiàn)，只有光纖通訊可以滿足這些條件；使用光纖替代現(xiàn)有的雙絞線進行RS485通訊的構思浮出水面。使用光電轉換器將電信號和光信號互相轉換，通過光纖傳遞光信號，完成RS485信號的遠距離穩(wěn)定傳輸。

2.2 核心器件的選型

常用石英光纖分為多模光纖和單模光纖；單模光纜的特性是，與單模激光器配合使用只傳輸一個光斑（主模）信號，光線沿光纖的軸心傳輸完全避免了色散和光能量的浪費，單模光纖傳輸?shù)牟ㄩL一般為1310nm和1550nm更接近石英玻璃的最小衰減波長，所以較多模光纜配合多模激光器傳輸多個光斑，在無中繼的情況下G652單模光纖使用2.5G/S的傳輸速率傳輸距離可達100kM適合RS485信號的遠距離高穩(wěn)定性傳輸，相較多模光纖更適合于中天門索道的技改技術要求。2014年5月份中天門索道兩站間專門架設一根復合單模光纖光纜的新通訊電纜。

光電轉換器的選型是一個承上啟下的工作，新光電轉換器的技術性能要與既有設備的技術性能相匹配。既有的調制解調器是一款性能出眾的RS232—RS485信號轉換器，它的RS485信號傳輸距離遠遠突破了國際電工組織公認的1300m傳輸距離極限標準，在無中繼器的前提下達到了2300m（中天索道驅動站和迂回站間的信號電纜長度）的實際可靠傳輸距離，要為它選一個性能匹配的RS485信號光電轉換器，同時還要滿足使用單模光纖傳輸信號的要求。調制解調器的主要技術參數(shù)見表1。

表1 調制解調器技術數(shù)據(jù)概述

以此為依據(jù)筆者查閱了，西門子、三菱、歐姆龍、菲尼克斯等多個品牌的產品技術資料，最終邀請菲尼克斯的工程技術人員到現(xiàn)場進行了實地技術調研和產品說明；著重討論了光電轉換器和調制解調器的匹配、光電轉換器的應用穩(wěn)定性與可靠性，共同草擬了一份技術示意圖并論證了方案的可行性。如圖3所示，使用新增的RS485光通訊回路替代既有的雙絞線，從而消除感應雷的侵入途徑，達成保護站內設備的目標。

圖3 技術升級后中天門索道PLC的通訊示意圖

該方案的傳輸效果，主要依托兩臺新增光電轉換器的技術性能是否滿足既有設備技術條件地要求。鑒于既有調制解調器的技術性能，筆者從多款備選器件里確定了一款性能最符合要求地光電轉換器，它的主要性能參數(shù)如下：

光電轉換器，內置光信號診斷功能，報警觸點，用于速率高達500kbps的RS-485 2線制總線系統(tǒng)（SUCONET K、MODBUS...），NRZ編 碼，帶1個FO接口（SC雙口）的終端設備，光波長1300nm，適用于石英光纖。

表2 菲尼克斯光電轉換器參數(shù)表

串口接口1 RS-485接口，2線制操作模式 半雙工連接方式 可插拔螺釘連接文件格式／編碼 UART（11/10bit可切換；NRZ非回零碼)，防滑數(shù)據(jù)方向切換 自動控制傳輸介質 銅傳輸長度/m ≤1200 (取決于數(shù)據(jù)速率，屏蔽絞合數(shù)據(jù)電纜)終端電阻/Ω 390 220 390（可連接）AWG/kcmil導線最小橫截面 24 AWG/kcmil導線最大橫截面 14串行傳輸率（kbps） 4.8/9.6/19.2/38.4/57.6/75/93.75/115.2/136/1 87.5/375/500光口FO波長/nm 1300傳輸長度，包括3 dB系統(tǒng)裕度/km 25（F-G 50/125 0.7dB/km，1300nm）22（1300nm時 F-G 62.5/125 0.8dB/km) 45（在1300nm時帶 F-E 9/125 0.4dB/km)傳輸介質多模石英光纖單模石英光纖傳輸協(xié)議 RS-485接口，協(xié)議透明連接方式 SC雙工故障警告輸出60 DC 42 AC限制連續(xù)電流/A 1最大切換電壓/V

電源電源電壓范圍 18V DC ... 32V DC典型電流耗量/mA 170（24V DC)連接方式 插拔式COMBICON螺釘接線端子位失真，輸入/% ±35（允許）位失真輸出/% ＜6.25電隔離 (VCC // RS-485)測試電壓數(shù)據(jù)接口／電源 1.5kVrms(50Hz，1min)

分析這些數(shù)據(jù)可以確定，這款光電轉換器符合安全性、電磁兼容性標準，信號的傳輸協(xié)議、傳輸距離、傳輸速率、傳輸介質均達到要求，MTBF(平均故障間隔時間)指標也相當好，電源等外圍配置技術指標完全符合選型要求。

3 方案實施與設備調試

光通訊技術替代RS485原有的雙絞線傳輸能否成功，關鍵是能否把理想的技術方案轉化成索道設備。首先，將光電轉換器與330A2(730A2)調制解調器安裝在同一個索道控制系統(tǒng)的金屬機柜中，其所有金屬配線均布設于該機柜內，由于機柜靠接地，對柜內的電氣設備起到良好了的電磁屏蔽作用，確保柜內的電氣設備不會受到感應雷雷擊。第二、從索道控制系統(tǒng)的直流電源線路中給光電轉換器配備24V直流電源，該電源具備電源適配器交流電源端避雷保護，電源適配器及其直流輸出配線均與光電轉換器安裝在同一金屬機柜內，確保光電轉換器的電源不會受到雷電侵入。第三、解除索道原有兩站間RS485傳輸用電纜線切斷感應雷入侵的途徑。

各種設備、線纜、附件敷設安裝完畢；設備的現(xiàn)場調試工作正式開始。上電試機，各部分電源正常，自檢指示燈正常，只有通訊指示燈閃爍的頻率有些異常，很明顯是參數(shù)沒有調試好。要通過設置圖4中光電轉換器上的10個DIP開關，把光電轉換器的通訊速率和數(shù)據(jù)位數(shù)設置成與PLC一致；進一步分析設備的狀況，認為19.2kbit/s、9.6kbit/t、4.8bit/s三種速率最有可能，數(shù)據(jù)位10bit；調試工作有條不紊地進行。

最終筆者把速率設為19.2kbit/s數(shù)據(jù)位設為10bit。當通訊指示燈正常閃爍，觸摸屏上內容顯示正常，兩站間信息傳輸響應迅速，至此中天門索道RS485通信光傳輸技術改造調試成功；時值2014年5月23日，恰逢泰山地域的春夏季節(jié)雷暴高發(fā)期即將到來。

圖4 光電轉換器內部的DIP開關

4 改造后的實際應用價值

時至今日泰山中天門索道應用光纖傳輸RS485信號已經成功運行兩年半的時間，實際運行狀況穩(wěn)定可靠，在此期間雖然有數(shù)十次強雷電過境，最終沒有發(fā)生感應雷侵入索道PLC控制系統(tǒng)的RS485通信單元的情況，為泰山索道節(jié)約十余萬元維修經費，大幅度提高了索道的抗雷擊能力，確保了索道在惡劣天氣環(huán)境中的安全可靠性。

由于通信系統(tǒng)的抗雷擊能力提高，加強了索道在遭遇雷擊故障后的快速修復能力，索道在強雷暴災害天氣下可以使用索道的自檢功能快速檢測索道的技術狀態(tài)，以最快的速度恢復安全營運，不僅起到節(jié)約維修支出提高維修效率，抵御不利天氣的效果，還在乘客中樹立起良好的企業(yè)形象，為經營創(chuàng)收創(chuàng)造了更好的條件。

使用光通信技術替代“雙絞線”、“電纜+雙絞線”、“微波”、“WIFI”等信號傳輸方式在索道控制技術領域有著先天的優(yōu)勢；

1）光傳輸具有抗干擾能力強運行穩(wěn)定的特性；

2）采用玻璃等非金屬材質不會遭受感應雷雷擊；

3）由于其單位傳輸速率遠遠大于控制系統(tǒng)需求，相較電纜可以將光纜制作的界面直徑更小，減小了風阻有利于在索道線路上架空鋪設；

4）傳輸距離遠而且單位長度的重量輕適合大跨距架空布設；

5）材質不易老化使用壽命長，其帶寬潛力巨大，可以在更長的時期里適應控制系統(tǒng)的技術升級而不用更換新品。

6）光纖不僅可以傳輸數(shù)字信號、還可以傳輸模擬量和音視頻信號等可以依托光纜通信提高索道的綜合能力。

深入利用和開發(fā)光通信在索道技術領域的應用，將有利于索道行業(yè)的設備先進行性和可靠性，將為廣大索道企業(yè)增收節(jié)支打開新篇章?；诠馔ㄐ诺膽眠€可以解決索道企業(yè)售檢票系統(tǒng)、AO管理系統(tǒng)、電話通訊、視頻監(jiān)控、語音廣播、廣告投放等多種多樣的管理與應用系統(tǒng)集成化、智能化；總之泰山中天門索道在索道設備上成功運用光傳輸技術對電控信息系統(tǒng)進行升級改造，是一次有益的技術實踐創(chuàng)新。

[1] 于仲安，陳少衛(wèi)．基于PLC的架空索道監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]．金屬礦山，2009，(09)：146-149．

[2] 葉近茂．采用ABB DCS變流器和PILZ安全PLC的索道電氣系統(tǒng)的開發(fā)研究[D]．濟南：山東科技大學，2006．

5 技術應用與展望

雷電侵擾是困擾絕大多數(shù)客運架空索道的一大難題，至此中天門索道終于成功地解決了這一難題；還有很多大型架空客運索道也在尋求解決感應雷侵入PLC控制系統(tǒng)通訊單元這一難題的技術突破口。作為國內第一家應用光通信技術升級通信系統(tǒng)成功攻克這個技術難題的索道，取得了良好的成效；中天門索道的經驗是從不斷的摸索中獲得的，具有很強的實踐意義，從長時間的運行效果來看具有很高的分享的價值。

Application of Optical Communication Technology to Solve Lightning Protection Problem of Communication Unit in PLC System for Large Aerial Ropeway

Li Yong Zhao Zhongqiang
(Taishan ropeway operation center City of Taian Taian 271000)

Aiming at the problem that the "PLC control system of Taishan Zhongtian Men ropeway is often struck by lightning", the technical scheme of transforming and upgrading the original communication system by optical communication technology in Taishan ropeway operation center is implemented from May 2014 to October 2016. During the actual operation in this two and a half years, Taishan Zhongtian gate cableway repeatedly encountered lightning, and the control system of PLC communication unit did not get any fault caused by lightning, the technological progress and achieved good economic and social benefits, which verified the feasibility and necessity of applying optical communication technology to construct new communication and control system in ropeway.

Passenger ropeway PLC system lightning protection Induction lighting invasion RS485 communication Optical communication

X941

B

1673-257X(2017)04-0088-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.021

栗詠(1972～)，男，本科，站長，工程師，從事索道技術與設備管理工作。

2016-11-06）