電氣化鐵道牽引變電所微機集中監控系統研究

張剛毅

（西安鐵路職業技術學院，西安710014）

牽引變電所作為電氣化鐵道供電系統中的重要組成部分，其運行狀態將直接關系到電氣化鐵道的正常供電以及鐵路運營管理水平和運輸效率。近年來，由于計算機技術的飛速發展，其技術具有存貯記憶和運算速度快及數據處理能力強，性能價格比高，功能靈活可擴展等優勢。因此，計算機在電氣化鐵道供電系統中的應用越來越廣泛。

許多發達國家已普遍將微型計算機技術應用于規模較大的變電所的控制和管理工作中，正在向集保護和控制為一體的綜合自動化方向發展。目前，國內牽引變電所中普遍采用的集控裝置均已非智能化的機動邏輯電路系統已不能滿足電氣化鐵道的發展。集控系統，以它高可靠、高性能、處理數據能力強、人機聯系手段齊全、集中監控和管理等特點，在牽引變電所中得到了廣泛的重視。因此，研究利用STD工業控制機和MCS—51單片機構成的主從式多機牽引變電所監控系統是十分有意義的。

1 系統硬件

電氣化鐵道牽引變電所集中監控系統的硬件組成如圖1。

圖1 系統硬件配置框圖

1.1 由STD工控機構成的主機系統硬件結構

該系統由5塊模板（V40多功能板、顯示鍵盤板、系統支持板、串行通訊板、虛擬磁盤板）和外設（鍵盤、顯示器、打印機）組成，與IBM PC/XT兼容，而速度則是IBM PC/XT的1.8倍，配備MS-DOS 3.2操作系統，功能相當于Pro—Log System2。具有可靠性高，功耗低，小板結構，板級功能分散，易于擴展和維護等特點。

（1） V40多功能板：該板是一種具有多種功能的CPU板，它采用內部集成了多種外圍芯片的NEC V40作為CPU，存貯容量可達到256 kbit的ROM和512 kbit的RAM ，可直接尋址1 kbit空間，并具有7級可編程的優先。級中斷輸入以及定時/計數器和通訊、打印接口。

（2）顯示鍵盤板：該板可以控制多種圖形顯示設備，還帶有標準PC/XT鍵盤接口和蜂鳴器驅動電路，以及光筆接口。

（3）虛擬磁盤板：該板為系統提供虛擬磁盤支持，其虛盤映象到內存90000H—9FFFFH。采用虛擬磁盤技術取代不適合惡劣工作環境運行軟盤、硬盤驅動器，可大大提高主機的抗干擾性能，降低對運行環境的溫度、溫度及塵埃度的要求。

（4）系統支持板：該板為系統提供RC無源終端網絡、Watchdog電路以及系統的后備電源管理等必要的輔助電路，以保證系統長期可靠地運行。

（5） 串行通訊板：該板提供兩個獨立的全雙工的RS-232C串行通道，用來擴展系統的通訊接口，滿足其功能要求。

1.2 以單片機為核心的各功能結構

單片機是將中央處理單元、存貯器、輸入/輸出接口、定時/計數器以及時鐘電路等集成在一小塊硅片上而組成的微型計算機。由于它具有體積小、集成度高、功能強、應用靈活、指令豐富、適應環境廣泛和面向工業過程控制等特點。因此，廣泛地應用于工業控制領域，作為各種測、控子系統的控制核心。

（1） 模擬量輸入模板主要完成對牽引變電所中各種電流，電壓等連續變化的模擬信號的采集和計算、以及對主機控制命令的接收和執行等功能。其硬件由作為控制核心8031高檔8 bit單片機，A/D轉換器、存貯單元以及譯碼和邏輯控制單元組成。

（2）脈沖量輸入模板主要完成牽引變電所中電度脈沖的采集、計數和電度量的計算、以及電度量的預置和定時傳遞等功能。

由于脈沖量采集的實時性要求較高，而脈沖式電度表所發脈沖的頻率較低（一度發500個脈沖，電度表安裝在變送器次邊）。因此，采用單片機定時器0中斷的方式定時對16路脈沖量進行循環采集，由軟件計數。

（3） 在牽引變電所中，除了有模擬量和脈沖量信號外，還存在著大量的開關量，這些變量是以二進制數字變化為特征的。由于開關的開、閉狀態不僅直接反映了牽引變電所工作狀態的正常與否，而且在很大程度上決定了某些控制操作的執行和順序。

因此，對開關量信息的正確處理是變電所監測各種開關的狀態變化，作出正確判斷，并且根據開頭的實際狀態以及調動端或當地控制命令，對開關進行投切控制，以保證變電所各種設備的正常運行。

2 系統軟件設計及主要功能

任何一個計算機應用系統不僅依賴于硬件以及與它組合的外圍設備，而且更重要的是依賴于軟件。

（1）在牽引變電系統中，主機主要完成以下的功能：

a.接收和執行遠方調度端或當地的各種控制命令，同時組裝和發送遠方調度端應答信息。

b.向從機發布控制命令，并接收和處理從機上送的各種應答信息。

c.顯示變電所主接線圖以及各種操作的執行過程和結果。

d.繪制各種電流、電壓曲線及功率圖，啟示操作的執行情況，并打印制表。

主機系統實際上是一個多輸入多輸出的實時多任務處理系統。因此，其核心程序是一個多任務管理程序，每個任務的狀態由任務管理程序根據任務折控制塊內容、優先數以及啟動條件來決定。當任務啟動條件滿足后，各任務將按其優先數排入就緒隊列，等待運行（誰優先級高，誰就先運行）。主機系統的軟件模塊結構圖如圖2。

圖2 主機系統的軟件模塊結構圖

（2）從機系統是由MCS-51系列單片機（8031）構成的多個單片機應用系統，每個單片機系統分別完成模擬量輸入（YC）、脈沖量輸入（電度量采集）、數字量輸入、輸出（YX/YK）及其處理等任務。因此，與主機系統相比，每個單片機所完成的功能相對比較單一。YC（YX/YK）系統模塊結構圖如圖3。

圖3 YC（YX/YK）系統的軟件模塊結構圖

對于各命令處理、各量的采集處理以及自檢任務模塊的調用，系統是采用循環方式來實現的。YC（YX/YK）系統的主程序框圖如圖4。

圖4 YC（YX/YK）系統的主程序框圖

3 主從機之間的通訊處理

由于牽引變電所監控系統既要與上級調度端進行通訊，又要與下級從機保持聯系。因此，主機要進行相應的轉換處理。

主機與各從機之間采用POLLING方式進行通訊。

主機能和任何一個指定的人機聯系，而從機不能主動與主機通訊，其通訊信息格式由從機號、信息類型、數據長度和信息內容組成（與遠傳通訊信息格式相比，沒有同步字和CRC校驗碼）。

由于單片機采用多機通訊方式，因此其通訊信息格式中的每一幀長度要求為11 bit，如圖5。

圖5 多機通訊的幀格式

由圖5可知，幀格式中的第九數據位在單片機的收發操作中為地址/數據標志位。其多機通訊控制過程如下：

（1）首先所有從機的SM2位置1，牌只接收地址幀的狀態。

（2） 由于各從機的接收中斷只有在同時滿足：中斷標志RI＝0； SM2＝0或接收到的數據第九位為1時才產生。因此，主機必須先發送一幀地址信息（其中包含8 bit地址，第九位置為數據/地址標志位，第九位置1表示發送的是地址）。

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（3）從機接收到的地址幀后，各自將接收的地址與本機地址相比較，對于地址相符的從機，使SM2清0，眩機隨后發來的所有信息。

對于地址不符的從機，仍保持其SM2＝1的狀態，對主機隨后發送來的數據不予以理睬，直到一個新的地址幀來臨。這樣就保證了單片機的通訊接口具有了識別能力，防止了通訊時對其它單片機的干擾。

（4）主機發送控制命令和數據信息給被尋址的從機（數據幀的第九位置0）。

（5）從機將執行結果返送主機。

在主機（以8088為CPU的工業控制機）的收發操作中，第9數據位則是作為奇偶校驗位。顯然在通訊時，由于主、從機硬件上的差別，第9數據位不同作用將嚴重影響數據交換的準確性。

在實用的基礎上，采用以下方式加以解決（以驗為例）：

b.主機發送的命令信息只占1 byte的低7 bit，而最高位則作為奇偶校驗調整位，在命令信息送入串行口發磅以前先進行奇偶校驗。若1的個數為偶數，則在最高位上補1；1的個數為奇數，則直接送往串行口發送。

這樣就保證了主機發送的命令信息中第九數據位為0，從而滿足了從機對數據的識別。而從機接應守命令信息后，先屏蔽信息的最高位，然后再進行命令分析。即：

JNBRI，$

CLRRI

MOVA,SUBF

CLRACC.7

c.從機先對回送信息進行奇偶校驗，將奇偶標志取反，送入TBB，然后進行發送，以滿足主機對接自制奇偶校驗要求。其實現如下：

MOVXA，@R1

MOVC，P

CPLC

MOVTB8，C

MOVSUBF，A

4 結束語

由于計算機技術的飛速發展，硬件設計已經普遍實現了系列化、標準化、通用化和模塊化，其性價比大為提高。因此，針對我國的實際情況，應用微機提高變電所控制管理的自動化水平，已成為必然趨勢。

本系統采用板級設計和片級設計原則，由STD工業控制機和8031單片機構成的系統硬件配置結構簡單、緊湊，使用靈活、方便，易于功能和容量的擴展，便于維護，可靠性較高。能完成牽引變電各種控制功能要求，具有一定的應用價值，對實現變電所的綜合自動化以及單片機的推廣使用有著積極的意義。

[1] 蔣嗣榮，洪振華. 計算機控制技術[M] ．3版. 西安：西安電子科技大學出版社，2003．

[2] 崔榮蘭，等．微機在現代化變電所電力監控中的應用[J] .工業儀表與自動化裝置，1995（3）：46-50．

[3] 李奇，吳福保. 分布式微機監控系統在變電所中的應用[J] . 自動化與儀表，1998（3）：31-33．

[4] 孟華.變電所多微機監控系統[J] . 自動化與儀表，1994（3）：23-25．

[5] 范暉，宋寶利. 變電所計算機監控系統探討[J] . 西北電力技術，2000（3）：34-36.

[6] 張少華. 500KV變電所計算機控制系統功能探討[J] .電網技術，1999（12）：32-35．

[7] 孫涵芳. MCS-51系列單片機原理及應用[M] . 4版. 北京：北京航空航天大學出版社，2004．

[8] 王旭東，蔣朝根. 基于BM642的視頻監視系統的研究與設計[J] . 鐵路計算機應用，2007，16（9）：29.

[9] 丁道祥. 鐵路給水集中監控系統的設計與實現[J] . 鐵路計算機應用，2008，17（2）：33.