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

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

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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(wú)軌電車以其無(wú)污染、節(jié)省燃料等優(yōu)勢(shì)在該行業(yè)中占據(jù)著不可替代的位置。為無(wú)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(duì)無(wú)軌電車供電的可靠性提出了更高的要求。過(guò)去那種靠人工監(jiān)視、手動(dòng)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(shí),需要防止事故擴(kuò)大、壓縮停電時(shí)間、盡快恢復(fù)電車運(yùn)行。因此,建立現(xiàn)代化的無(wú)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(jiǎn)單、可靠性高及抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)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(wú)軌電車整流站自動(dòng)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(tái)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(guò)上位機(jī)畫面可以對(duì)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(shí),可進(jìn)行越限或故障的聲音報(bào)警及文字提示,同時(shí)自動(dòng)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(shí)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(duì)饋出回路電流I<30A、時(shí)間T≥15min的超低限報(bào)警;某饋出回路I≥1500A、時(shí)間T持續(xù)達(dá)5秒時(shí)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(duì)各控制開關(guān)執(zhí)行合、跳閘命令時(shí)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(lái)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(guò)開關(guān)量輸入單元和模擬量輸入單元檢測(cè)回來(lái)的各種信號(hào)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(gè)站端PLC的信息,并按八個(gè)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(guò)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(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控、上位機(jī)手動(dòng)狀態(tài)的監(jiān)控和保留原來(lái)現(xiàn)場(chǎng)控制臺(tái)手動(dòng)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(chǎng)手動(dòng)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(chǎng)操作臺(tái)來(lái)控制各受控開關(guān)。通過(guò)上位機(jī)畫面可對(duì)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(dòng)記錄各類事件,以便事后查閱、分析。?

??? (2)上位機(jī)手動(dòng)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(duì)各受控開關(guān)發(fā)出“合”、“斷”命令,并人為發(fā)出短路檢測(cè)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(duì)其操作過(guò)程自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(shí),當(dāng)某一路高速開關(guān)發(fā)生故障跳閘時(shí),系統(tǒng)一方面通過(guò)上位機(jī)發(fā)出報(bào)警提示,并自動(dòng)彈出故障回路相應(yīng)畫面;另一方面通過(guò)下位機(jī)命令短路檢測(cè)系統(tǒng)投入該回路進(jìn)行“短路故障檢測(cè)”。當(dāng)其檢測(cè)結(jié)果為“真”短路時(shí),通過(guò)上位機(jī)發(fā)出告警提示,直至人為確認(rèn)。同時(shí)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(shí)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(duì)該回路高速開關(guān)的屏蔽,而下位機(jī)則再自動(dòng)進(jìn)行短路檢測(cè),確認(rèn)無(wú)短路故障時(shí),則延時(shí)28s后自動(dòng)重合閘。?

??? ②如若檢測(cè)結(jié)果為“無(wú)”短路故障,同時(shí)該回路處在“備用自動(dòng)并送”功能設(shè)置狀態(tài)時(shí),該系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)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(guò)載”,下位機(jī)自動(dòng)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(shí),將自動(dòng)切斷備用回路的高速開關(guān)及備刀。?

??? ③如若檢測(cè)結(jié)果為“無(wú)”短路故障,同時(shí)過(guò)載檢測(cè)也為“否”,則延遲28s后自動(dòng)重合“高速開關(guān)”。?

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

??? ⑤在“上位機(jī)手動(dòng)操作”及“下位機(jī)自動(dòng)操作”兩種狀態(tài),當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到某一饋出回路的電流I為900A時(shí),時(shí)間在0.5分鐘內(nèi),其電流上下波動(dòng)范圍不超過(guò)±50A,即I_最大-I_最小≤100A時(shí),PLC均可以自動(dòng)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(dòng)操作”狀態(tài)時(shí),下位機(jī)可自動(dòng)投入短路檢測(cè)裝置,進(jìn)行相應(yīng)的操作。在“上位機(jī)手動(dòng)操作”狀態(tài)時(shí),以上工作均由操作員來(lái)完成。?

??? ⑥在“下位機(jī)自動(dòng)運(yùn)行”狀態(tài)時(shí),如若某一回路高速開關(guān)需要檢修維護(hù),可通過(guò)上位機(jī)發(fā)出“代送”命令,PLC自動(dòng)遙控切斷該路高速開關(guān)。同時(shí)合上該回路備用刀閘及對(duì)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)?

??? 本監(jiān)控系統(tǒng)具備先進(jìn)的自動(dòng)短路判別功能。8個(gè)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(wú)軌電車停運(yùn)、線網(wǎng)損壞、交通堵塞等嚴(yán)重問(wèn)題。國(guó)內(nèi)電車系統(tǒng)整流站自動(dòng)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(dòng)識(shí)別過(guò)載、瞬時(shí)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(gè)主要問(wèn)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(dòng)識(shí)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(hào)送入需要檢測(cè)的饋線回路,測(cè)量反饋回來(lái)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(dòng)投切裝置、信號(hào)發(fā)生裝置、采樣比較控制電路、軟件識(shí)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(shí),發(fā)生高速開關(guān)跳閘?？赡艿脑蛴腥N:過(guò)載、瞬時(shí)短路或永久短路。在自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí),該系統(tǒng)可以通過(guò)以下方法來(lái)判斷識(shí)別跳閘原因。?

??? (1)過(guò)載的識(shí)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(guò)載;若采樣值大于預(yù)置參數(shù),則判為短路。?

??? (2)瞬時(shí)短路和永久短路的判別:當(dāng)高速開關(guān)發(fā)生跳閘時(shí),其信號(hào)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(hào),將短路判別系統(tǒng)的信號(hào)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(cè),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(cè)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(shí)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(shí)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),若瞬時(shí)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(shí)通過(guò)上位機(jī)發(fā)出報(bào)警,并自動(dòng)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(shí)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(wú)軌電車整流站自動(dòng)化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有下列功能:?

??? (1)早間3時(shí)50分、晚間23時(shí)的送電、停電定時(shí)鬧鐘提示;?

??? (2)可記錄、存儲(chǔ)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?qǐng)?bào)表、電量日?qǐng)?bào)表、供電日?qǐng)?bào)表的自動(dòng)填寫及定時(shí)打印;?

??? (4)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各模擬量24小時(shí)變化曲線趨勢(shì)圖的存儲(chǔ)及隨時(shí)調(diào)閱和打印;?

??? (5)人機(jī)對(duì)話靈活方便,操作簡(jiǎn)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(shí)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(shí)間的試運(yùn)行表明,基于上、下位機(jī)的無(wú)軌電車整流站自動(dòng)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(wú)人監(jiān)控的自動(dòng)化過(guò)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(cè). OMRON公司，1999