中低速磁浮列車地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王連春 龍志強(qiáng) 竇峰山 張永燾

(國(guó)防科技大學(xué)磁懸浮技術(shù)工程研究中心,410073,長(zhǎng)沙∥第一作者,碩士研究生)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)是磁浮列車運(yùn)營(yíng)安全的重要環(huán)節(jié)[1]。磁浮列車作為一種交通工具,自然對(duì)列車安全可靠性有著更高的要求。能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)列車各系統(tǒng)的運(yùn)行情況并做出分析、判斷、處理,是保證快速旅客列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。然而磁浮列車是一個(gè)機(jī)電一體化的綜合性復(fù)雜控制系統(tǒng),其各個(gè)子系統(tǒng)之間存在非線性的耦合關(guān)系;它又是由多種設(shè)備、多種硬軟件設(shè)施組成的復(fù)雜系統(tǒng),各子系統(tǒng)的組成及實(shí)現(xiàn)功能不相同(即各子系統(tǒng)并非完全獨(dú)立,在某種程度上相互之間有一定的關(guān)聯(lián))。一個(gè)子系統(tǒng)的某些功能任務(wù)的實(shí)現(xiàn),往往需要來自其它子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是采集各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息,將各子系統(tǒng)的信息綜合顯示,并通過狀態(tài)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給各個(gè)子系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)綜合信息的調(diào)度。由于磁浮列車系統(tǒng)的各子系統(tǒng)的檢測(cè)手段不一,不利于列車狀態(tài)監(jiān)控的系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn),因此迫切需要一種綜合的監(jiān)控手段來完成對(duì)列車各子系統(tǒng)狀態(tài)的綜合檢測(cè)。

1 系統(tǒng)需求分析

針對(duì)車輛系統(tǒng)而言,磁浮列車是一個(gè)與地面監(jiān)控中心無直接接觸的高速運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。為了能實(shí)時(shí)掌握與列車安全運(yùn)行相關(guān)車載設(shè)備狀態(tài)以及運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵數(shù)據(jù),此時(shí)基于有線網(wǎng)絡(luò)的通信方式[2-3]就會(huì)有心無力,無法滿足要求,只能考慮采用遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)來完成此項(xiàng)任務(wù)。

地面變電站是列車車載供電系統(tǒng)與列車地面配套設(shè)施的電力來源。可靠的電力保障是磁浮列車安全運(yùn)行的最基本最重要的條件之一,因此必須建立地面變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依靠一系列網(wǎng)絡(luò)綜合電力測(cè)控儀表和采集變送裝置作為測(cè)控單元,分布安裝在各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元中;它利用總線技術(shù)將各單元回路的綜合電量及狀態(tài)遠(yuǎn)傳至配電監(jiān)測(cè)中心,并執(zhí)行來自配電監(jiān)測(cè)中心的控制及調(diào)整指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)地面變電站的監(jiān)測(cè)[1]。

道岔是軌道的重要組成部分,是使列車從一條軌道轉(zhuǎn)入另一條軌道的線路連接設(shè)備。有了道岔,可以充分發(fā)揮線路的通過能力。即使是單線軌道,通過鋪設(shè)道岔,再設(shè)置一段大于列車長(zhǎng)度的叉線,就可以對(duì)開列車。然而道岔具有數(shù)量多、構(gòu)造復(fù)雜、使用壽命短、限制列車速度、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維護(hù)投入大等特點(diǎn),往往是軌道中最薄弱的環(huán)節(jié)。因此,有必要建立一套道岔監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)道岔進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制,以確保磁浮列車行駛道路的安全通暢。

2 通信結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

圖1為地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集來自車輛系統(tǒng)、變電站和道岔系統(tǒng)等方面的狀態(tài)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)磁浮列車以及地面相應(yīng)配套設(shè)施的綜合監(jiān)測(cè)[4]。如圖1所示,到目前為止地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(車輛系統(tǒng))、變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)組成(但隨著磁浮列車技術(shù)的不斷發(fā)展,這方面的子系統(tǒng)也許會(huì)更多)。其中,車輛遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN-RS-232數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板,把列車上的CAN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)發(fā)送終端DTU能直接發(fā)送的RS-232數(shù)據(jù)格式,通過GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)采用GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))方式把數(shù)據(jù)發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng);地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用公共網(wǎng)絡(luò)來接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并解析,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛系統(tǒng)的遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)。對(duì)地面變電站系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè),則是通過RS-485總線結(jié)構(gòu),采用Modbus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,以此獲取PDM(綜合電力監(jiān)控)智能電力儀表狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)道岔系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測(cè),是采用CP-5611卡根據(jù)Profibus-DP總線協(xié)議接收PLC-S300邏輯控制器采集到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。

圖1 磁浮列車地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)通信技術(shù)分析

3.1 車輛遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)本文前述的需求分析,該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸只能采用無線通信方式。無線通信有無線局域網(wǎng)通信和無線移動(dòng)通信兩種情況。

無線局域網(wǎng)是一種專有網(wǎng)絡(luò),主要利用窄頻帶(或單一頻率)無線電進(jìn)行通信。這種方式類似于無線電臺(tái)的廣播,需要自己建設(shè)通信用的發(fā)射器和接收器,并將發(fā)射器和接收器都調(diào)節(jié)到一個(gè)“固定”的頻率。目前正在運(yùn)營(yíng)的上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線就采用這種通信方式實(shí)現(xiàn)磁浮列車與地面系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。其列車上安裝了車載無線電系統(tǒng),并在軌道旁多處都架設(shè)了無線電基站,選擇了38 GHz左右的高頻率進(jìn)行通信。雖然無限局域網(wǎng)具有很高的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性與安全性,但其系統(tǒng)覆蓋范圍小,存在通信死區(qū),且建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用比較高。

無線移動(dòng)通信則是利用運(yùn)營(yíng)商構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有CDMA(碼多分址)方式和GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))方式。

(1)CDMA是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種新的無線通信技術(shù)。CDMA網(wǎng)絡(luò)作為公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),能夠滿足市場(chǎng)對(duì)移動(dòng)通信容量和品質(zhì)的高要求,具有組網(wǎng)方便、維護(hù)費(fèi)用低、電磁輻射小等特點(diǎn);但是由于其目前已經(jīng)失去聯(lián)通運(yùn)營(yíng)商的支持,導(dǎo)致其覆蓋范圍可能受到牽制。

(2)GPRS是一項(xiàng)以分組交換為基礎(chǔ)的無線高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換系統(tǒng)。作為一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸網(wǎng)絡(luò),其與原有的GSM相比,具有諸多優(yōu)勢(shì)。在我國(guó),GSM公用數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)是覆蓋面最大、系統(tǒng)可靠性最高、話機(jī)保有量最大的數(shù)字移動(dòng)蜂窩通信系統(tǒng)。利用GSM 網(wǎng)絡(luò)傳輸監(jiān)控信息是一種最經(jīng)濟(jì)、合理、有效的通信方式。它的使用,可充分發(fā)揮各系統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)的特點(diǎn)和資源優(yōu)勢(shì),以最小投資和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用實(shí)現(xiàn)移動(dòng)目標(biāo)的定位、監(jiān)控與調(diào)度。

本系統(tǒng)的無線通信方式考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量、費(fèi)用成本、實(shí)時(shí)性、高可靠性以及GPRS的其他一些優(yōu)點(diǎn),故采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)作為系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)通信方式。

3.2 變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要依靠一系列網(wǎng)絡(luò)綜合電力測(cè)控儀表和采集變送裝置作為測(cè)控單元,分布安裝在各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元中。它利用總線技術(shù)將各單元回路的綜合電量及狀態(tài)遠(yuǎn)傳至配電監(jiān)測(cè)中心,并執(zhí)行來自配電監(jiān)測(cè)中心的控制及調(diào)整指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的監(jiān)測(cè)。

由于PDM系列電力儀表不僅提供了標(biāo)準(zhǔn)的RS-485通信接口,而且提供了專業(yè)的Modbus通信協(xié)議,所以系統(tǒng)選擇使用PDM系列電力儀表作為測(cè)控單元。Modbus總線是美國(guó)莫迪康公司在世界上首先推出的基于RS-485的總線。從Modbus協(xié)議與PDM儀表的兼容性,以及Modbus協(xié)議在電力工業(yè)中的廣泛適應(yīng)性考慮,選擇Modbus協(xié)議作為配電監(jiān)測(cè)中心與PDM儀表之間的通信協(xié)議。

根據(jù)Modbus通信協(xié)議,Modbus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī),所有通信都由主機(jī)發(fā)出請(qǐng)求,從機(jī)作出回應(yīng)。在一個(gè)請(qǐng)求回應(yīng)周期中,主機(jī)將含有地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼的請(qǐng)求幀發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,符合相應(yīng)地址碼的從機(jī)可以接收到此數(shù)據(jù)幀,并進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)。如果校驗(yàn)出錯(cuò),則不返回任何信息;如果校驗(yàn)無誤,則根據(jù)功能碼及相關(guān)要求處理數(shù)據(jù)幀,執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù),然后把執(zhí)行結(jié)果用數(shù)據(jù)幀返送給主機(jī)。返回的應(yīng)答幀中須包括地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)區(qū)和錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。主機(jī)接收到來自從機(jī)的應(yīng)答幀后,進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn),再根據(jù)監(jiān)測(cè)的需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)幀作相應(yīng)的處理。

3.3 道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于PLC(可編程邏輯控制器)在工業(yè)控制中的諸多優(yōu)點(diǎn),所以磁浮列車道岔監(jiān)控系統(tǒng)使用S7-300系列PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備。S7-300系列PLC支持MPI(多點(diǎn)接口)、Profibus-DP等多種通信方式。Profibus-DP總線用于分布式控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸,是一種經(jīng)過優(yōu)化的高速、經(jīng)濟(jì)的通信連接。同時(shí)它所具有的安裝和服務(wù)便捷、良好的診斷能力和無差錯(cuò)的傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn),完全可以承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)控制與監(jiān)控的通信任務(wù)[5-6]。

Profibus-DP總線系統(tǒng)為分布式結(jié)構(gòu),可以有多個(gè)主站與從站。各主站間用令牌傳遞方式通信,主站與從站之間使用主從方式通信;每段可達(dá)32個(gè)站,用連接器連接段,最多可達(dá)126個(gè)站[7]。磁浮列車道岔監(jiān)控系統(tǒng)的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以道岔監(jiān)控中心所在的工控機(jī)為主站,以S7-300系列PLC為從站。工控機(jī)通過CP 5611現(xiàn)場(chǎng)總線接口卡與Profibus-DP總線相連,查詢從站工作狀態(tài),并向從站發(fā)送控制命令。PLC是模塊式結(jié)構(gòu),可以通過自身專用模塊接入Profibus-DP網(wǎng)絡(luò),完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè),并按主從方式向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

通過OPC(OLE for Process Control,用于過程控制的OLE;OLE意為對(duì)象鏈接與嵌入)可以把現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與上位機(jī)監(jiān)控、人機(jī)界面軟件等方便地鏈接起來,還可以把它們與上位機(jī)的某些通用開發(fā)平臺(tái)鏈接起來。經(jīng)過探討分析比較,根據(jù)OPC標(biāo)準(zhǔn),道岔系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)與PLC采用如圖2的鏈接方式[8]。

圖2 道岔系統(tǒng)監(jiān)控軟件與PLC鏈接示意圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 車輛遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

車輛系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件的主要功能,是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分析與顯示。軟件的數(shù)據(jù)中心端通過網(wǎng)卡與DTU建立連接,首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行剝離,并按約定協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn),無效的數(shù)據(jù)丟棄,有效的數(shù)據(jù)提取后進(jìn)行數(shù)據(jù)變換,得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)在界面進(jìn)行顯示。整個(gè)車輛遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信程序流程圖如圖3所示。

圖4為車輛系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)界面。該界面中小黑色方塊表示懸浮點(diǎn)的浮落信息,使用的表格控件顯示監(jiān)測(cè)各個(gè)懸浮控制器狀態(tài)信息。另外,該監(jiān)測(cè)界面中表盤顯示出列車的實(shí)時(shí)速度,同時(shí)也包括里程信息。表格中最后一列表示列車狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)效性。如果系統(tǒng)在2 s內(nèi)沒有數(shù)據(jù)更新,最后一列就顯示無效。這主要考慮到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性以及不穩(wěn)定性可能影響到數(shù)據(jù)的可信度。

圖3 遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信程序流程圖

該系統(tǒng)已經(jīng)在唐山1.5 km磁浮試驗(yàn)線正常運(yùn)行半年時(shí)間。根據(jù)該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況分析,采用GPRS無線移動(dòng)通信方式,數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定、可靠,網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)大概在1 s左右,基本能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖4 遠(yuǎn)程無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面圖

4.2 變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

由于配電監(jiān)測(cè)中心所在的工控機(jī)(主機(jī))是通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器接入RS-485總線上,并與各PDM儀表(從機(jī))進(jìn)行通信的,所以變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的通信軟件首先必須實(shí)現(xiàn)對(duì)工控機(jī)串口的讀寫。

整個(gè)地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件都是在Visual Studio.Net環(huán)境下開發(fā)的。本套子系統(tǒng)使用在NET Framework 2.0中提供了SerialPort類來實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信。變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信軟件的流程圖如圖5所示。最后針對(duì)相應(yīng)的技術(shù)要求,依照Modbus協(xié)議,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了地面變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。具體監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

圖5 基于M ODBUS的通信程序流程圖

通過該界面實(shí)現(xiàn)可以監(jiān)測(cè)到地面變電站的部分主要的遙測(cè)和遙信信號(hào),其中包括每車運(yùn)行過程中的功耗以及每車每公里的單位功耗;另外還能監(jiān)測(cè)到1#和2#饋線各個(gè)遙測(cè)信號(hào),同時(shí)也監(jiān)測(cè)了整流變壓器、所用變壓器、整流器、直流屏等故障的遙信信號(hào)。此外,隨著變電站設(shè)施的逐步改進(jìn),為了進(jìn)一步的調(diào)試方便,在界面上還設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的接收發(fā)送測(cè)試區(qū)。

圖6 地面變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面圖

4.3 道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在建立OPC服務(wù)器之后,還需要編寫OPC客戶端程序,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換,完成監(jiān)控軟件的開發(fā)。通過OPC客戶端,一方面,可以將PLC傳入OPC服務(wù)器中的狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取出來,實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè);另一方面,可以將控制信號(hào)發(fā)送到OPC服務(wù)器中,通過對(duì)PLC的寫操作,實(shí)現(xiàn)對(duì)道岔系統(tǒng)的控制[9]。本文采用VC來開發(fā)OPC客戶端的接口讀寫程序。其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示[10]。

圖7 OPC通信程序設(shè)計(jì)流程圖

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的界面圖如圖8所示。界面中包括道岔整體結(jié)構(gòu)示意圖,以此展現(xiàn)道岔動(dòng)作情況;同時(shí)還監(jiān)測(cè)道岔系統(tǒng)的故障情況,以及道岔狀態(tài)和動(dòng)作命令。

圖8 道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面圖

5 結(jié)語

整個(gè)中低速磁浮列車地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)較為龐大的系統(tǒng)性工程,它將隨著監(jiān)測(cè)對(duì)象的增加而擴(kuò)展到更多的技術(shù)領(lǐng)域。本文只為目前列車系統(tǒng)中幾個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)開發(fā)了相應(yīng)的軟件。地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過各種通信網(wǎng)絡(luò),采集了道岔系統(tǒng)、變電站等地面設(shè)施的數(shù)據(jù),同時(shí)還匯集了由車載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的供電、懸浮、牽引、制動(dòng)、車廂電氣等車載設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)磁浮列車系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè),為磁浮列車的故障診斷評(píng)估、故障預(yù)報(bào)等工作奠定了基礎(chǔ)。這套系統(tǒng)已經(jīng)在唐山1.5 km磁浮試驗(yàn)線投入運(yùn)行,至目前運(yùn)行情況良好,基本能滿足實(shí)際要求。

廣州地鐵5號(hào)線

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