基于PLC 單向導通裝置智能監(jiān)控系統(tǒng)的技術研究

趙 芳，鄭慧麗，王天博

（中車永濟電機有限公司，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系統(tǒng)中，使用單向導通裝置是重要的手段。通過增加單向導通裝置可以減少地鐵鋼軌電流，也就減少了結構鋼筋以及金屬管線的電腐蝕，檢修人員的人身安全也有了保障。

1 智能監(jiān)控方案

單向導通裝置的智能監(jiān)控系統(tǒng)是通過可編程控制器PLC 對整個回路狀態(tài)的進行采集及控制，系統(tǒng)的架構圖如圖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，單向導通裝置都并聯(lián)在鋼軌絕緣節(jié)處，單向導通裝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方向，在相反方向截止[1]。單向導通裝置主要由5 個二極管支路、2 支晶閘管消弧回路、1 臺電動隔離開關及PLC 組成。每個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

單向導通裝置智能監(jiān)控通過對熔斷器、電流傳感器、消弧裝置的進行檢測，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的短路保護、斷路保護，過電壓保護、自動消弧等功能。

在單向導通裝置中，采用PLC 控制器來采集快熔、二極管的故障信號，同時采集消弧裝置的觸發(fā)電壓，單向導通裝置具備遠程操作本裝置內隔離開關的功能，通過PLC 控制通訊功能使工作人員在調度中心或變電所內即可完成隔離開關的分合工作，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得到了實現(xiàn)，在遠程了解設備的運行情況，再可以根據(jù)需要，對隔離開關進行合閘或者分閘。

3 軟件設計

3.1 硬件配置

在控制系統(tǒng)中選西門子Smart 200 CPU SR40 和8 通道的模擬量擴展模塊EM AE08 組成[2]，進行信號采集和邏輯運算。單向導通裝置的絕緣節(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，熔斷器的斷開或接通狀態(tài)信號是由CPU 控制器模塊進行采集判定[3]。電流傳感器將電流的模擬量信號通過模擬量擴展模塊進行采集并通過控制器運算判斷。PLC 控制系統(tǒng)能夠接受和處理電流模擬量和熔斷器的開關量，并把檢測和處理結果信號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，常使用開放的標準規(guī)約Modbus-TCP，或MODBUS-RTU 協(xié)議[5]。通過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。該單向導通裝置的智能監(jiān)控系統(tǒng)這兩種協(xié)議均具有。

由于在車輛段單向導通裝置的設備距離變電所自動化SCADA 距離超過1 000 m，所以現(xiàn)場采用通信協(xié)議MODBUS-TCP 通信協(xié)議，在單向導通裝置內裝置光纖以太網(wǎng)的轉換設備，與變電所綜合自動化系統(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。

變電所自動化SCADA 做為主站，單向導通裝置做從站。主站周期性查詢從站，從站則按相應報文格式回答。主站可隨時插入各種類型報文，索取從站信息，或對從站進行控制操作。對某個站，無論因何種原因（超時、出錯），連續(xù)出現(xiàn)三次重發(fā)后仍不能正確接收時，則認定為通道故障或裝置故障。當報文發(fā)出1 s后，仍不能收到完整的應答報文，則認定為本次通信失敗。

3.4 控制優(yōu)化設計

控制程序在進行設計時，進行了一些優(yōu)化設計：遠程進行隔離開關的合閘和分閘動作時，考慮一定的延時、互鎖及故障優(yōu)先級判斷等。程序設計好后，可以使用串口助手軟件對程序進行調試。如模擬主站（變電所自動化SCADA）查詢從站（單向導通裝置，地址為01）狀態(tài)下發(fā)命令01 03 00 00 00 03 05 CB。

從站返回的報文為：01 03 06 00 00 00 00 00 00 21 75（裝置無故障，隔離開關就地位，隔離開關分閘）。

也可以模擬主站（變電所自動化SCADA）遠程操作從站（單向導通裝置，地址為：01），進行閉合或斷開隔離開關命令。如當遠程操作閉合隔離開關命令時，下發(fā)報文為：01 06 00 02 01 00 29 9A。從站根據(jù)主站下發(fā)的報文，進行響應，并返回相應的報文。

對返回的報文進行分析，完全符合程序設計要求。

4 結語

本研究介紹了一種基于西門子SMART PLC 的單向導通裝置智能監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有多種遠程通信功能，遠程實現(xiàn)自動控制隔離開關的開通和閉合等功能。通過試驗和現(xiàn)場的調試，此控制系統(tǒng)很穩(wěn)定，具有較好的安全性。具有智能監(jiān)控的單向導通裝置已應用于某市軌道交通3 號線工程車輛段，目前運營狀態(tài)良好，完全滿足系統(tǒng)的要求。