??? 摘? 要: 介紹了一種基于上、下位機(jī)的無軌電車整流站自動化監(jiān)控系統(tǒng)。敘述了該系統(tǒng)的組成、工作過程和功能,并著重?cái)⑹隽硕搪窓z測系統(tǒng)的基本原理、組成和工作過程。?

??? 關(guān)鍵詞: PLC? 工控機(jī)? 監(jiān)控系統(tǒng)? 短路檢測

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??? 隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的飛速發(fā)展,空氣污染日趨嚴(yán)重。無軌電車以其無污染、節(jié)省燃料等優(yōu)勢在該行業(yè)中占據(jù)著不可替代的位置。為無軌電車提供電能的整流站承擔(dān)著變壓、整流和輸送電的任務(wù)。隨著公共交通事業(yè)的發(fā)展,對無軌電車供電的可靠性提出了更高的要求。過去那種靠人工監(jiān)視、手動操作的整流站控制方式已保證不了電能饋出系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài),不能正確判斷某些意外事故,人為故障較多,效率較低。在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時,需要防止事故擴(kuò)大、壓縮停電時間、盡快恢復(fù)電車運(yùn)行。因此,建立現(xiàn)代化的無軌電車供電調(diào)度數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制系統(tǒng)是十分必要的。近幾年,PLC以其系統(tǒng)構(gòu)成靈活、編程設(shè)計(jì)簡單、可靠性高及抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。我們將工控機(jī)和PLC應(yīng)用于無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)的改造,取得了良好效果。?

1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成?

??? 該監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1所示。?

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??? 圖1中,控制室屬于上位機(jī)監(jiān)控部分。主機(jī)選用臺灣研華公司生產(chǎn)的IPC-586工控機(jī)。采用WINDOWS95NT、VC++5.0畫面開發(fā)軟件。通過上位機(jī)畫面可以對站內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)站內(nèi)運(yùn)行情況發(fā)生異常時,可進(jìn)行越限或故障的聲音報(bào)警及文字提示,同時自動彈出有關(guān)畫面,便于監(jiān)護(hù)人員迅速分析、處理,以最短的時間恢復(fù)供電。其報(bào)警內(nèi)容包括:母排失壓或超低限的報(bào)警;送出回路失壓、故障跳閘、短路或末端短路的報(bào)警;油開關(guān)跳閘的報(bào)警;在早6:30～晚21:00之間,對饋出回路電流I<30A、時間T≥15min的超低限報(bào)警;某饋出回路I≥1500A、時間T持續(xù)達(dá)5秒時的超大電流報(bào)警;火災(zāi)、防盜門訊的報(bào)警等。此外,該系統(tǒng)還可對各控制開關(guān)執(zhí)行合、跳閘命令時不到位故障進(jìn)行報(bào)警提示。各類報(bào)警按其緊急程度分別以四種聲音來提示。?

??? 控制柜里的PLC屬于下位機(jī)部分,也是該系統(tǒng)的核心部分,選用OMRON公司生產(chǎn)的C200。它一方面將通過開關(guān)量輸入單元和模擬量輸入單元檢測回來的各種信號傳給上位機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的顯示或報(bào)警,另一方面根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的運(yùn)行狀態(tài),按照其內(nèi)部邏輯程序輸出命令,控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)的上、下位機(jī)比例為1:8。上位機(jī)可以接收八個站端PLC的信息,并按八個站的聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)管理結(jié)構(gòu)程序。?

2 監(jiān)控系統(tǒng)工作過程?

??? 改造后的整流站監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)下位機(jī)全自動狀態(tài)的監(jiān)控、上位機(jī)手動狀態(tài)的監(jiān)控和保留原來現(xiàn)場控制臺手動狀態(tài)的監(jiān)控三種運(yùn)行狀態(tài)的自由切換。在該控制系統(tǒng)投入運(yùn)行前,應(yīng)檢查確認(rèn)各受控開關(guān)及刀閘正常工作條件均已滿足,操作人員可從上位機(jī)或控制柜選擇下面任意一種工作狀態(tài)。?

??? (1)現(xiàn)場手動操作狀態(tài):PIC系統(tǒng)將上、下位機(jī)的輸出命令全部封鎖。由現(xiàn)場操作臺來控制各受控開關(guān)。通過上位機(jī)畫面可對各開關(guān)量的“合”、“斷”狀態(tài)及各模擬量的變化進(jìn)行監(jiān)視,并自動記錄各類事件,以便事后查閱、分析。?

??? (2)上位機(jī)手動操作狀態(tài):可從上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)視運(yùn)行,也可以利用鼠標(biāo)和鍵盤以口令形式對各受控開關(guān)發(fā)出“合”、“斷”命令,并人為發(fā)出短路檢測系統(tǒng)投入或撤出命令以及屏蔽封鎖某路受控開關(guān),以便于維護(hù)人員進(jìn)行檢修。不同操作人員可以設(shè)置不同操作口令,并對其操作過程自動記錄,以便一旦發(fā)生事故后可迅速查閱,為查清事故責(zé)任人和對變電運(yùn)行人員進(jìn)行經(jīng)濟(jì)考核提供了客觀準(zhǔn)確的依據(jù)。?

??? (3)下位機(jī)自動操作狀態(tài):這一狀態(tài)是該系統(tǒng)的主要工作狀態(tài)。在這種工作狀態(tài)下,系統(tǒng)具有下列功能:?

??? ①在系統(tǒng)進(jìn)行正常監(jiān)控運(yùn)行時,當(dāng)某一路高速開關(guān)發(fā)生故障跳閘時,系統(tǒng)一方面通過上位機(jī)發(fā)出報(bào)警提示,并自動彈出故障回路相應(yīng)畫面;另一方面通過下位機(jī)命令短路檢測系統(tǒng)投入該回路進(jìn)行“短路故障檢測”。當(dāng)其檢測結(jié)果為“真”短路時,通過上位機(jī)發(fā)出告警提示,直至人為確認(rèn)。同時屏蔽該回路的高速開關(guān)的操作命令,使其“重合閘”命令送不出去。此時人為通知調(diào)度去檢修故障線路,經(jīng)確認(rèn)已排除后,再在上位機(jī)人為解除對該回路高速開關(guān)的屏蔽,而下位機(jī)則再自動進(jìn)行短路檢測,確認(rèn)無短路故障時,則延時28s后自動重合閘。?

??? ②如若檢測結(jié)果為“無”短路故障,同時該回路處在“備用自動并送”功能設(shè)置狀態(tài)時,該系統(tǒng)將自動檢測其跳閘瞬間前8點(diǎn)(每點(diǎn)間隔10ms)的電流平均值I_均,當(dāng)I_均≥1300A,則系統(tǒng)認(rèn)定其為“過載”,下位機(jī)自動將該路高速開關(guān)、備刀和備用回路的高速開關(guān)投上。當(dāng)系統(tǒng)檢定其電流I_均<1200A、T≥10min時,將自動切斷備用回路的高速開關(guān)及備刀。?

??? ③如若檢測結(jié)果為“無”短路故障,同時過載檢測也為“否”,則延遲28s后自動重合“高速開關(guān)”。?

??? ④在“下位機(jī)自動操作”狀態(tài)時,可人為“設(shè)置”或“屏蔽”任一送出回路過載時的主、備用自動并送及恢復(fù)正常功能。?

??? ⑤在“上位機(jī)手動操作”及“下位機(jī)自動操作”兩種狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)檢測到某一饋出回路的電流I為900A時,時間在0.5分鐘內(nèi),其電流上下波動范圍不超過±50A,即I_最大-I_最小≤100A時,PLC均可以自動切斷該路高速開關(guān),上位機(jī)發(fā)出“末端短路”(即穩(wěn)定負(fù)荷)報(bào)警。在“下位機(jī)自動操作”狀態(tài)時,下位機(jī)可自動投入短路檢測裝置,進(jìn)行相應(yīng)的操作。在“上位機(jī)手動操作”狀態(tài)時,以上工作均由操作員來完成。?

??? ⑥在“下位機(jī)自動運(yùn)行”狀態(tài)時,如若某一回路高速開關(guān)需要檢修維護(hù),可通過上位機(jī)發(fā)出“代送”命令,PLC自動遙控切斷該路高速開關(guān)。同時合上該回路備用刀閘及對應(yīng)備用回路高速開關(guān),檢修完畢,可發(fā)出“恢復(fù)”正常命令,PIC自動遙控?cái)嚅_備用回路高速開關(guān)及該路備刀,合上該路高速開關(guān)。?

3 短路檢測系統(tǒng)?

??? 本監(jiān)控系統(tǒng)具備先進(jìn)的自動短路判別功能。8個整流站負(fù)責(zé)饋出供電網(wǎng)路100多條。由于車輛多、道路窄、線路老化、行駛不當(dāng)?shù)纫蛩?經(jīng)常發(fā)生集電桿脫落現(xiàn)象,造成觸線打連、絞接等短路故障,導(dǎo)致無軌電車停運(yùn)、線網(wǎng)損壞、交通堵塞等嚴(yán)重問題。國內(nèi)電車系統(tǒng)整流站自動監(jiān)控領(lǐng)域?qū)Χ搪饭收系呐袆e技術(shù)尚不成熟,經(jīng)常出現(xiàn)誤判。怎樣自動識別過載、瞬時短路或永久短路,并采取相應(yīng)措施,保證安全供電及經(jīng)濟(jì)不受損失,成為電車行業(yè)供電系統(tǒng)的一個主要問題。我們根據(jù)用戶提出的功能要求,設(shè)計(jì)制作了饋線遠(yuǎn)區(qū)跳閘原因自動識別及報(bào)警系統(tǒng)。與利用人為重合閘進(jìn)行判斷的方法相比,該系統(tǒng)的可靠性及安全性等方面都有了很大的提高。?

??? 其基本原理是:將一定幅值和頻率的正弦信號送入需要檢測的饋線回路,測量反饋回來的正弦電壓U和電流I,根據(jù)U和I的相位差判斷是否短路。?

??? 該系統(tǒng)主要由自動投切裝置、信號發(fā)生裝置、采樣比較控制電路、軟件識別系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等五部分組成。其基本原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。?

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??? 當(dāng)供電系統(tǒng)某一饋出回路故障時,發(fā)生高速開關(guān)跳閘?？赡艿脑蛴腥N:過載、瞬時短路或永久短路。在自動操作狀態(tài)時,該系統(tǒng)可以通過以下方法來判斷識別跳閘原因。?

??? (1)過載的識別:可取跳閘瞬間前8點(diǎn)(每點(diǎn)間隔10ms)的電流值,與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較。若采樣值小于等于預(yù)置參數(shù),則判為過載;若采樣值大于預(yù)置參數(shù),則判為短路。?

??? (2)瞬時短路和永久短路的判別:當(dāng)高速開關(guān)發(fā)生跳閘時,其信號回饋到PLC系統(tǒng)。經(jīng)CPU確認(rèn)后,根據(jù)其內(nèi)部判斷邏輯輸出相應(yīng)的控制信號,將短路判別系統(tǒng)的信號源投入跳閘饋線回路,進(jìn)行第一次判斷。采樣電路進(jìn)行檢測,根據(jù)故障回路短路點(diǎn)的遠(yuǎn)近及在線車輛的多少,由傳感器檢測出電壓和電流的變化分量,經(jīng)采樣比較控制電路的轉(zhuǎn)換,與預(yù)先設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行分析比較,則可以判定是否短路。如果為“真”短路,經(jīng)60s延時后再進(jìn)行第二次判斷,若仍與第一次結(jié)果相同,則認(rèn)為是永久短路;若與第一次結(jié)果相反,則認(rèn)為是瞬時短路。判別結(jié)果送入PLC,經(jīng)CPU內(nèi)部邏輯判斷發(fā)出相應(yīng)的指令,驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu),若瞬時短路則可令高速開關(guān)重新合閘;永久短路則將高速開關(guān)封鎖,同時通過上位機(jī)發(fā)出報(bào)警,并自動彈出故障回路相應(yīng)畫面,使監(jiān)護(hù)人員快速、準(zhǔn)確地分析、確認(rèn)跳閘原因,以便及時處理事故,盡快恢復(fù)供電?？紤]到實(shí)際路中各種因素的影響,該系統(tǒng)判別的準(zhǔn)確率為95%以上。?

??? 本文設(shè)計(jì)的無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有下列功能:?

??? (1)早間3時50分、晚間23時的送電、停電定時鬧鐘提示;?

??? (2)可記錄、存儲各類隨機(jī)信息和事件內(nèi)容,方便查閱和打印輸出;?

??? (3)可進(jìn)行運(yùn)行日報(bào)表、電量日報(bào)表、供電日報(bào)表的自動填寫及定時打印;?

??? (4)可實(shí)現(xiàn)對各模擬量24小時變化曲線趨勢圖的存儲及隨時調(diào)閱和打印;?

??? (5)人機(jī)對話靈活方便,操作簡單,鍵盤和鼠標(biāo)器在線控制和操作,既能屏蔽受控開關(guān),又能刷新更改,便于檢修;?

??? (6)在線式UPS不間斷電源配置,可以防止系統(tǒng)突然掉電及瞬時失壓造成的數(shù)據(jù)丟失或上、下位機(jī)通訊狀態(tài)的改變;?

??? (7)具有自診斷系統(tǒng),可檢查工控機(jī)硬件及上、下位機(jī)通訊是否正常;?

??? (8)系統(tǒng)還增設(shè)了必要的防雷措施,如:監(jiān)控系統(tǒng)供電電源的隔離靜化;模擬量變換的隔離。系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)后還將增設(shè)通訊線路的浪涌吸收裝置等。?

??? 一段時間的試運(yùn)行表明,基于上、下位機(jī)的無軌電車整流站自動化集中監(jiān)控系統(tǒng)的投入代替了人工監(jiān)控操作,實(shí)現(xiàn)了整流站無人監(jiān)控的自動化過程,提高了供電系統(tǒng)的可靠性,降低了人為事故率。該系統(tǒng)效果良好,其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期效果,滿足了用戶的要求。?

參考文獻(xiàn)?

1 鄭 晟.現(xiàn)代可編程序控制器原理與應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社,1999?

2 PLC手冊. OMRON公司，1999