李壯

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，遼寧錦州 121000）

基于PLC鐵路遠動控制系統(tǒng)的研究

李壯

（遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，遼寧錦州 121000）

隨著我國高速鐵路快速建設(shè)，電氣化技術(shù)的要求不斷提高，鐵路遠動控制的廣泛應(yīng)用，使得電氣化鐵路供電系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度和可靠性也隨之不斷提升.本文針對現(xiàn)場情況研究開發(fā)一整套基于PLC的鐵路遠動系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對鐵路沿線各牽引變電所、分區(qū)所、開閉所等牽引供電系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控，實現(xiàn)調(diào)度管理、事故分析及處理等功能.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括模擬牽引變電所、模擬牽引供電設(shè)施、模擬沙盤等.

PLC；鐵路遠動系統(tǒng)；通信網(wǎng)絡(luò)；牽引供電系統(tǒng)

前言

“充分利用電氣化手段，把幾個非連接的通道相互連接，完成設(shè)備的集中監(jiān)測和控制，實現(xiàn)遠方處于分散狀態(tài)的集中管理的生產(chǎn)過程”這就是所謂遠動控制系統(tǒng)的一般定義.在電氣化鐵道技術(shù)方面，牽引供電遠動系統(tǒng)就是遠動系統(tǒng)的—個最典型應(yīng)用.隨著控制理論與控制工程、微機原理、通信理論與通信工程等學(xué)科的不斷發(fā)展，牽引供電遠動技術(shù)逐漸成為了一個獨立學(xué)科，與此同時伴隨著這些技術(shù)的進步而飛速發(fā)展.以微機為基礎(chǔ)，PLC為核心的遠動遠動控制系統(tǒng)能夠?qū)ιa(chǎn)過程進行控制，并實現(xiàn)調(diào)度自動化.它能夠監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制過程、測量及調(diào)節(jié)參數(shù)、通信、報警等作用.由于各個應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展不同，使得不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ο到y(tǒng)的要求也不完全相同，遠動系統(tǒng)主要應(yīng)用在鐵路牽引供電系統(tǒng)中[1].

1 總體設(shè)計

根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的應(yīng)用要求和功能標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)系統(tǒng)的總體方案，首先進行選型.一般來說，由于針對中小型系統(tǒng)，所以遠動系統(tǒng)應(yīng)該滿足功能和復(fù)雜性的要求，同時考慮到目前常用的聯(lián)網(wǎng)問題以及以后擴展功能的實現(xiàn)，整體規(guī)劃希望實現(xiàn)難易程度、成本、操作適應(yīng)性等要素，本系統(tǒng)采用PLC加上位計算機的控制總體方案.

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

上下位機結(jié)構(gòu)控制組成的鐵路遠動控制系統(tǒng)，三臺工作站計算機構(gòu)成調(diào)度員上位機，各搭配一臺數(shù)據(jù)打印機.下位機由六臺德國西門子公司的PLC構(gòu)成.由于考慮到有效和可靠的PLC，所以作為下位機能實現(xiàn)分散控制.考慮到具有良好的人機界面，所以采用計算機作為上位機對全系統(tǒng)進行管理與監(jiān)控.通過通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)上位與下位機、計算機與PLC、PLC之間的信息傳輸與交換.在遠動控制系統(tǒng)中，一般使用上位計算機進行程序編譯、建立數(shù)據(jù)庫、設(shè)置與更改參數(shù)、在線顯示波形圖形，但是沒有參與現(xiàn)場控制，PLC才是現(xiàn)場的執(zhí)行者，所以，如果上位機出現(xiàn)了故障，并不能把影響擴大化，當(dāng)時工作過程仍然能夠正常運行.所以在功能上為了保證了牽引變電所的遠動控制的實時性和可靠性，上下位機之間要求實現(xiàn)互補.同時為了能夠?qū)崟r顯示各工作站狀況，模擬顯示盤被使用到該控制系統(tǒng)中.硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分構(gòu)成了一整套控制系統(tǒng).

1.2 硬件設(shè)計與分析

ProgrammableController（稱PC）即可編程序控制器.但因為我們?nèi)菀装褌€人計算機和PC混淆，所以人們就把可編程序控制器區(qū)別成PLC的縮寫.為工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用而設(shè)計，作為電子系統(tǒng)裝置它主要用微處理器為核心的實現(xiàn)數(shù)字運算操作.數(shù)據(jù)的采集利用模擬式和數(shù)字式的輸入輸出接口.采用存儲器能對程序進行修改，存儲器內(nèi)部用來執(zhí)行順序控制、中斷程序、運算邏輯、數(shù)字運算和定時或計數(shù)等操作指令，完成各種機械制造或生產(chǎn)過程的自動控制.結(jié)合計算機技術(shù)與過去的接觸繼電控制技術(shù)的PLC，傳統(tǒng)接觸繼電控制系統(tǒng)的接觸器觸點的接線成本高、效率差、可靠性低、兼容性和靈活性差的缺點能夠克服了，既能夠適應(yīng)現(xiàn)場電氣操作維修人員的習(xí)慣與技能，又利用了微處理器的優(yōu)點，尤其是程序編制方面，PLC不使用專門的微機編程語言體系，而是以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)利用簡單指令語句，達到編制程序簡易、直觀、形象、簡明易改；故障查找與聯(lián)調(diào)聯(lián)試也都很方便.新用戶只需在購到所需的PLC后，依照說明書上的提示，用戶就可以編制簡易的用戶程序以及少量的接線，就可在生產(chǎn)實踐中靈活應(yīng)用PLC[2].

德國西門子公司是國際著名生產(chǎn)可編程控制器的廠家之一，S7系列大、中、小、微型機都各有特點，S7-300是小型機S7-200的升級產(chǎn)品，它外觀優(yōu)雅，功能齊全.S7-300是在S7-200的所有優(yōu)點基礎(chǔ)上拓展了S7-300的多種功能，S7-300屬于一種功能完善的緊湊型PLC和S7-200一樣，S7-300結(jié)構(gòu)采用無底版模塊，一般模塊之間相連用總線連接器.既能夠節(jié)省空間又可以靈活的進行系統(tǒng)配置. S7-300取代S7-200，主要是替代它的CPU單元，而S7-200的大部分單元都可繼續(xù)使用.S7-300CPU單元內(nèi)置32個輸入點，通過RS232C串行通信口實現(xiàn)其他單元的通信，同時實現(xiàn)S7-300與上位機連接、1:1無協(xié)議連接等.

S7-300擁有CPU單元、電源單元、存儲單元、輸入/輸出單元、內(nèi)裝無底板、特殊功能及通信單元等，主要結(jié)構(gòu)如下：(1)主機.中央處理器（CPU）、主機部分主要由系統(tǒng)程序存儲器和用戶數(shù)據(jù)程序存儲器兩部分.PLC的核心是CPU，它的作用是實時監(jiān)控輸入/輸出接口情況、用戶程序編譯運行、邏輯運算/判斷和數(shù)據(jù)處理，可歸納為輸入變量的讀取、根據(jù)要求操作各種指令規(guī)定，從輸出端將結(jié)果送出，最后外接設(shè)備（如開關(guān)、電機等）進行各種內(nèi)部判斷響應(yīng)請求等.可編程控制器的內(nèi)部存儲器有三類，一種是系統(tǒng)管理程序存放和程序監(jiān)視系統(tǒng)及輸入程序并編譯處理程序的系統(tǒng)程序存儲器；一種是數(shù)據(jù)和操作程序存儲器，主要存放好的用戶應(yīng)用程序及各種暫存結(jié)果和中間數(shù)據(jù)；最后一種是兼容暫時和永久結(jié)果存儲器.(2)輸出/輸入接口.這些接口是連接PLC與輸入/輸出設(shè)備的中間環(huán)節(jié).輸入接口主要采集輸入設(shè)備的控制信號，輸入設(shè)備包括傳感器、開關(guān)、光電耦合觸點、行程按鈕等.微機處理后的結(jié)果通過放大電路放大后通過輸出接口輸出，來驅(qū)動繼電器、電磁閥、電機、信號燈等輸出設(shè)備.為了提高I/O接口可靠性一般采用光電耦合電路以減少電磁干擾.通常衡量PLC的一項重要技術(shù)參數(shù)就是I/O點數(shù)（即輸出/輸入端子數(shù)），一般從十幾個到幾百個點不等，甚至大型機將超過千點.(3)編程.利用PLC外部設(shè)備根據(jù)需要編譯程序，用來輸入、更改、判斷、程序調(diào)試或監(jiān)視生產(chǎn)過程情況.PLC與電腦聯(lián)接是通過PC/MPI電纜線的，采用編程軟件進行程序編譯和監(jiān)控.(4)擴展傳輸單元.擴展I/O接口用于擴充外部點數(shù)，把擴展單元與主機連接在一起，用以完成相應(yīng)的操作[3].

2 PLC網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

通信單元采用直接或間接方式，可以把可編程序控制器與微機相連組成網(wǎng)絡(luò)，滿足信息交換的要求，再按功能把遠程輸入輸出模塊各自放置在鐵路現(xiàn)場進行分散控制，然后用通信技術(shù)連接起來網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成集中管理的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).最終實現(xiàn)“集中管理、分散控制”的模式.典型的遠動控制系統(tǒng)就是分布式控制系統(tǒng)，滿足鐵路電氣化遠動控制要求，一般是三級網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別是現(xiàn)場設(shè)備層、站段監(jiān)控層、電調(diào)管理層：(1)現(xiàn)場設(shè)備層.連接現(xiàn)場設(shè)備是這層主要功能，利用分布式傳感器、驅(qū)動器等執(zhí)行元件，完成現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)達到設(shè)備間互鎖控制.(2)站段監(jiān)控層.站段監(jiān)控層是用來完成供電臂或供電區(qū)間之間電氣設(shè)備的連接，實現(xiàn)站段級設(shè)備的監(jiān)控.可采用PROFIBUS-FMS或工業(yè)以太網(wǎng).(3)電調(diào)管理層.電調(diào)管理層作為鐵路遠動控制系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，有著最高的監(jiān)視級別和控制級別.所以管理層通常TCP/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn).

2.1 上位計算機與PLC之間的通信

網(wǎng)絡(luò)連接主要采用并行和串行兩種數(shù)據(jù)通信方式.并行特點是快速傳送數(shù)據(jù)，缺點是當(dāng)進行遠距離通信時，通信線粗且多導(dǎo)致成本較高；串行通信優(yōu)點是適合速度要求不是很高并且近距離傳輸?shù)膱龊?，所以目前串行通信發(fā)展很迅猛，Mbit/s數(shù)量級傳輸速率都可以實現(xiàn)，所以遠動分布式測控系統(tǒng)中普遍采用串行數(shù)據(jù)通信.

MPI是多點接口（MultiPointInterface）的簡稱，S7-300CPU就是集成了MPI通信協(xié)議，MPI的物理層是RS232C，最大傳輸速率為12Mbit/s.PLC通過MPI/PPI能同時連接運行編程軟件STEP7、微機、操作界面（HMI）等.通過分析整個鐵路遠動控制系統(tǒng)，了解其用途、功能和應(yīng)用對象，兼顧其經(jīng)濟性等各方面的，選用RS232C通信接口是很理想的.

2.2 PLC與PLC之間的通信

本系統(tǒng)下位機由四臺德國西門子公司的PLC組成，各由一臺PLC控制顯示屏、變電所等，一般采用通過FA網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)每臺PLC之間的通信與數(shù)據(jù)交換.電調(diào)工作站的PLC與其他各分所的PLC構(gòu)成“主從式”網(wǎng)絡(luò).遠動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)自動化FA是微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、管理信息化等技術(shù)相互結(jié)合和滲透的產(chǎn)物.計算機組網(wǎng)技術(shù)是自動化的核心，它是實現(xiàn)高度自動化模式的關(guān)鍵.工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)一體化的通信方式有：

a.現(xiàn)場總線PROFIBUS,它是用于車間級和現(xiàn)場級的國際標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率為20Mbps，響應(yīng)時間的設(shè)定值為5ms，使用銅屏蔽的雙股絞線光纜，實現(xiàn)137個子站連接.PROFIBUS由4個系列組成，特別適用于PLC與鐵路現(xiàn)場分散的遠程控制設(shè)備之間的快速數(shù)據(jù)交換通信.使用編程軟件STEP7，可對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)或參數(shù)進行設(shè)置.西門子的S7系列可編程序控制器一般都裝有集成的PROFIBUS-DP接口，也可以擴展接口模塊或連接通信處理器到PROFIBUS-DP.通過I/O接口或接口模塊多條PROFIBUS-DP線路就可以與可編程序控制器建立通信.

b.工業(yè)以太網(wǎng)

為了實現(xiàn)管理-控制網(wǎng)絡(luò)的一體化，工業(yè)以太網(wǎng)采用“集中-分散”的控制方式.它能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)，國際聯(lián)網(wǎng)為其提供了條件，屬于開放式網(wǎng)絡(luò).以太網(wǎng)已經(jīng)建成1124站的規(guī)模，可以傳送達220km或550km.其網(wǎng)絡(luò)使用TCP/IP協(xié)議的計算機傳輸數(shù)據(jù)將信息技術(shù)集成到控制網(wǎng)絡(luò)中，可使用E-mail和Web技術(shù)，用戶可在工業(yè)以太網(wǎng)的Socket接口上編制自己的協(xié)議，就可以根據(jù)實際需要對網(wǎng)絡(luò)中的任何一點進行故障處理和操作監(jiān)控，這就構(gòu)成冗余系統(tǒng).S7-300具有通信處理器可以連接到以太網(wǎng)通信模塊，連接兩個以上以太網(wǎng)可以采用遠程訪問路由器實現(xiàn)遠程通信.

3 結(jié)束語

伴隨著我國鐵路電氣化的高速發(fā)展，廣泛應(yīng)用的鐵路遠動控制系統(tǒng)是保障鐵路高速、安全和可靠運行的有效手段.因而鐵路遠動控制系統(tǒng)需要日益完善和加強投入，本系統(tǒng)研究開發(fā)功能較為完善、成本較低、能滿足鐵路遠動控制現(xiàn)場需要，具有一定的現(xiàn)實意義.

[1]錢清泉.電氣化鐵道遠動監(jiān)控技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[2]唐濤.電力系統(tǒng)廠站自動技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電力系統(tǒng)自動化，2004（Z）.

[3]李炎.德國鐵路電力技術(shù)的成熟經(jīng)驗[J].中國鐵路，2006,（1）:56-57.

Onthe Railway Remote Control System Basedon PLC

LI Zhuang
(Liaoning Railway Vocational And Technical College, Jinzhou Liaoning 121000)

With the rapid development of high-speed railway in China, the demand of electrical technology is increasing. The extensive application of the railway remote control improves the modernization degree of and the reliability of power supply of electrified railway system. According to the situation at the scene, this paper develops a set of the railway remote control system based on PLC. The system can realize the close monitoring of traction power supply system running state, such as traction substation, partition, sub section post along the railway, realize functions such as accomplishing dispatching management, accident analysis and processing. The structure mainly includes the simulation of traction substation, simulation of traction power supply facilities, sand table simulation etc.

PLC; Railway Remote Control System; Communications Network; Traction Power Supply System

TM921

A

1672-2094(2013)05-0155-03

責(zé)任編輯：張隆輝

2013-08-09

李壯(1984-)，男，遼寧錦州人，遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系助教，碩士.