PLC在鐵道信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1 引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速列車大大提高了交通運(yùn)輸效率，同時(shí)也增加了對(duì)安全性的要求，如何在列車高速運(yùn)行的情況下保證鐵路設(shè)備的安全問題也變得越發(fā)重要。以原有的人工維修保障體制保證設(shè)備的安全，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以適應(yīng)發(fā)展后的鐵路系統(tǒng)的各種客觀需要。根據(jù)以往我們開發(fā)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合鐵路系統(tǒng)的特點(diǎn)，開發(fā)了適合鐵路系統(tǒng)的微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用其采集大量信號(hào)，通過這些信號(hào)可以了解設(shè)備的運(yùn)行狀況并分析故障產(chǎn)生原因，它在保證鐵路列車安全運(yùn)行、及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、分析故障及保證鐵路維修體制改革實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修方面發(fā)揮了不可缺少的作用。利用PLC作為微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集機(jī)可以保證其高可靠性要求。

2 需求分析
鐵路系統(tǒng)關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，所以鐵道信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須具備以下特點(diǎn):
(1) 高可靠性
監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在壽命期限內(nèi)能在惡劣條件下平穩(wěn)可靠運(yùn)行，將故障率降至最低;
(2) 抗干擾性強(qiáng)
微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是暴露在鐵路沿線運(yùn)行的，所處的環(huán)境相對(duì)惡劣，為了提高數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕苊獍l(fā)生錯(cuò)誤報(bào)警，系統(tǒng)必須具有較強(qiáng)的抗干擾性;
(3) 可擴(kuò)展性與可維護(hù)性
與鐵路系統(tǒng)的擴(kuò)建相對(duì)應(yīng)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該易于擴(kuò)展和維護(hù);
(4) 高性價(jià)比
完成狀態(tài)檢修的微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為列車的輔助設(shè)備，不應(yīng)投入太多資金，應(yīng)該在低成本下操作。
根據(jù)系統(tǒng)要求的高可靠性和強(qiáng)抗干擾性，選用PLC作為系統(tǒng)的采集機(jī)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要解決的關(guān)鍵問題就是PLC的資源較少，我們必須經(jīng)過合理分配，有效利用有限的資源。

以廣深鐵路線某站為例，需要采集1024個(gè)開關(guān)量，128路軌道電壓，6路外供電壓，40路轉(zhuǎn)轍機(jī)電流，768路電纜絕緣值，50路電源屏電壓。設(shè)計(jì)鐵道信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，必須根據(jù)鐵路系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)和要求，采取一些特殊的技術(shù)和方法，建立適用的全面反映鐵路系統(tǒng)及設(shè)備的宏觀運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)，更有效的管理整個(gè)鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行。

3 系統(tǒng)構(gòu)成
3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
總體上看，本論文所要介紹的GSWJ型鐵道信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為三部分:即采集電路—前置部分;下位機(jī)—采集機(jī);上位機(jī)—監(jiān)測(cè)機(jī)三個(gè)部分。各部分的作用分析如下:
(1) 采集電路
·對(duì)所有被監(jiān)測(cè)量實(shí)現(xiàn)保護(hù)、隔離，將隔離后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào);
·下位機(jī)(采集機(jī))的控制下，將所有代表被監(jiān)測(cè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)，分類依次送至PLC相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集口。
(2) 下位機(jī)(采集機(jī))
依照程序或上位機(jī)發(fā)出的檢測(cè)命令，向采集電路發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，對(duì)采集電路送至采集口的信號(hào)進(jìn)行采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的綜合，并將所采集的數(shù)據(jù)整理后存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，完成與上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)本站需求，本系統(tǒng)采用OMRON CS1系列PLC作為數(shù)據(jù)采集機(jī);
(3) 上位機(jī)(監(jiān)測(cè)機(jī))
·通訊管理:上、下位機(jī)之間各種類型數(shù)據(jù)通訊的管理;
·數(shù)據(jù)管理:對(duì)采集的各類數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，各種參數(shù)、圖表、曲線的繪制，以及顯示、查詢和打印各種報(bào)警信息。
本系統(tǒng)中，利用Dephi語(yǔ)言編寫上位機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)通訊管理和數(shù)據(jù)管理。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)關(guān)鍵問題
從系統(tǒng)的需求分析可以看出，鐵道信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)量大，對(duì)可靠性和安全性很高，而且需要系統(tǒng)在低成本方式下運(yùn)作，如何合理配置，使資源得到有效利用是設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)，下面闡述幾個(gè)關(guān)鍵問題的解決方法。
(1) 系統(tǒng)采集方式的選擇
鐵路系統(tǒng)中，由于監(jiān)測(cè)的信息點(diǎn)多，且各種被監(jiān)測(cè)量要求的采集周期不同，如開關(guān)量要求的采集周期為250ms，軌道電壓的采集周期為2min，如果采用常規(guī)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采集，會(huì)大大增加系統(tǒng)成本，所以系統(tǒng)采用分類集中的信號(hào)采集方式，將同類信號(hào)集中并作相應(yīng)的保護(hù)，經(jīng)過切換，利用一個(gè)A/D口輸入。另外，由于本系統(tǒng)是用于廣深鐵路線上，地處南方多雷擊地區(qū)，而且電氣化的高速鐵路本身會(huì)產(chǎn)生高達(dá)幾萬伏的沖擊電壓，因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須保證有很強(qiáng)的抗干擾性。系統(tǒng)采用歐姆龍公司的CS1系列PLC作為采集機(jī)，同時(shí)，對(duì)所有被采集的信號(hào)都作了隔離和保護(hù)。

圖1 各種被監(jiān)測(cè)量的并聯(lián)式結(jié)構(gòu)采集方框圖

如圖1所示，系統(tǒng)采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)方式將被采集的物理量按類集中，分為開關(guān)量和模擬量?jī)纱箢悾杉芈方Y(jié)構(gòu)清晰，易于發(fā)現(xiàn)故障。
(2) 開關(guān)量采集方法
開關(guān)量采集回路如圖2所示。

圖2 開關(guān)量采集方框圖

開關(guān)量采集原理: 4位開關(guān)量輸出信號(hào)經(jīng)過譯碼得到16位地址，根據(jù)地址將1024個(gè)開關(guān)量分成16組采集，每次采集64位，利用兩塊32口的開關(guān)量輸入模塊。

(3) 模擬量采集方法
根據(jù)鐵道部有關(guān)規(guī)程，外供電壓、軌道電壓、轉(zhuǎn)轍機(jī)電流等模擬量要求不同的采集方式，例如外供電壓和軌道電壓采用巡測(cè)采集方式，即巡回檢測(cè)采集;轉(zhuǎn)轍機(jī)電流采用中斷式采集方式，即當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生動(dòng)作時(shí)才采集相應(yīng)的數(shù)據(jù);絕緣檢測(cè)的采集方式是命令式，這是因?yàn)榻^緣檢測(cè)是帶電檢測(cè)，在保證列車安全運(yùn)行的情況下，必須由工作人員通過上位機(jī)發(fā)出指令采集相應(yīng)的絕緣值。根據(jù)這些不同要求，系統(tǒng)中利用不同的模擬量采集回路實(shí)現(xiàn)。圖3示出128路軌道電壓采集回路框圖。由前置電路通過隔離、濾波、保護(hù)等前置電路處理采集的模擬信號(hào)，變成1～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，經(jīng)過兩級(jí)切換，在PLC中經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，用0-4000的數(shù)字量線性表示。

圖3 128路軌道電壓采集回路框圖

(4) PLC與上位機(jī)通信流程
上位機(jī)與PLC的通信流程大致如下:
系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的信息點(diǎn)多，采集方式不同，因此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)的難點(diǎn)就是對(duì)不同數(shù)據(jù)的通訊管理。系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有1024個(gè)開關(guān)量，128路軌道電壓信號(hào)，64路外供電信號(hào)，16路轉(zhuǎn)轍機(jī)電流等，由于采用串口與上位機(jī)通訊，通訊資源有限[1]，按照鐵道部有關(guān)規(guī)定，將數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)規(guī)定為:開關(guān)量信號(hào)，外供電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)轍機(jī)電流信號(hào)，軌道電壓信號(hào)，對(duì)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)優(yōu)先處理，程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程框圖

采用這種通訊方式的特點(diǎn)是程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單清晰，通信簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，能保證重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳送。缺點(diǎn)是通訊速度較慢，在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，128路軌道電壓全部傳到PLC中需要大約3s，但在鐵路系統(tǒng)中，這樣的通訊速度已能滿足要求。

4 程序流程分析
(1) 程序說明
主程序給每一類被采集數(shù)據(jù)分配一個(gè)緩沖區(qū)[2]，根據(jù)優(yōu)先級(jí)處理數(shù)據(jù)，將需要通訊的數(shù)據(jù)寫入通訊緩沖區(qū)中，然后與上位機(jī)通訊。

系統(tǒng)要求將變化的開關(guān)量傳送到上位機(jī)進(jìn)行顯示，PLC程序中，給開關(guān)量分配兩個(gè)存儲(chǔ)單元D1和D2，將第一次采集的開關(guān)量存入D1，下一次采集到的數(shù)據(jù)存入D2，另外為開關(guān)量分配了一個(gè)環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)H1～H50，緩沖區(qū)中每個(gè)存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)容量為67個(gè)字，其中1024個(gè)開關(guān)量占64個(gè)字，一個(gè)標(biāo)志字表示發(fā)生變化的開關(guān)量組，另外2個(gè)字用來表示開關(guān)量發(fā)生變化的時(shí)間(年，月，日，小時(shí)，分鐘，秒，毫秒)。環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。緩沖區(qū)作用是:將需要存儲(chǔ)的開關(guān)量按順序存入緩沖區(qū)，50個(gè)存儲(chǔ)單元存滿后，第51個(gè)數(shù)據(jù)再存入第1個(gè)存儲(chǔ)單元，這樣就將這個(gè)緩沖區(qū)循環(huán)利用，有效使用了PLC的有限資源。

圖5 環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)圖

(2) 開關(guān)量采集程序流程
將第一次采集的開關(guān)量存入D1，下一次采集到的數(shù)據(jù)存入D2，比較D1和D2，看數(shù)據(jù)是否相等，如果相等，直接進(jìn)行下一次巡視;如果不等，說明開關(guān)量發(fā)生變化，系統(tǒng)要求將變化的開關(guān)量送入上位機(jī)，此時(shí)將D2種的數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)Hi中，并設(shè)立標(biāo)志，增加地址指針，同時(shí)用D2覆蓋D1的數(shù)據(jù)，程序流程如圖6所示:

圖6 開關(guān)量采集流程框圖

5 結(jié)束語(yǔ)
采用OMRON CS1系列PLC作為數(shù)據(jù)采集機(jī)的GSWJ微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在該站投入運(yùn)行，5年來，系統(tǒng)運(yùn)行正常，保證了鐵路列車安全運(yùn)行，并準(zhǔn)確采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障和分析故障產(chǎn)生原因，另外，系統(tǒng)的報(bào)表輸出功能減輕了值班人員人工抄表的勞動(dòng)強(qiáng)度。總之，微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分實(shí)現(xiàn)了鐵路系統(tǒng)自動(dòng)控制，從整體上提高了企業(yè)的管理水平，且各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。