PLC在电气化铁道牵引变电所远程监控系统中的应用

摘要：介绍了基于PLC的RTU的远程分布多变电所的SCADA/RTU方案，并据此设计和建成了一个完整的远动监控实验系统。系统组网简洁，软件层次清晰并满足可靠性和可扩展性。 1 引言 电气化铁道是由沿线分布的牵引变电所分段供电的，多个牵引变电所由远端的调度中心实现远动监控。每个变电所设置RTU在线采集运行数据和确定运行状态，并将它们传输至调度中心;RTU接收调度中心指令对变电所的设备实施控制，构成完整的SCADA/RTU系统。为适应教学和科研的需要，2000年经教育部立项，西南交通大学在峨眉校区建成了“变电所远动监控（SCADA/RTU）实验系统”，该系统的设计目标是实施对铁路牵引变电所等多种供电设备进行远程监视、控制、测量，实现无人值守，对各种瞬间发生的电气事故进行分析判断，对现场众多电气数据进行记录和统计处理。 2 系统设计 变电所远动监控（SCADA/RTU）实验系统由三个部分组成：1、设置在调度端的控制站设备2、分布在某铁路沿线的五个牵引变电所（模拟），配置在五个变电所内的RTU和被控设备采集信号变送装置3、数据传输通道。系统结构图如图1。 由图1看出：系统包括上位机和下位机两部分。上位机是指调度端（调度员站），包括HMI（Human Machine Interface）系统和数据库管理系统，功能是遥控操作，遥信、遥测显示及数据报表统计，记录事故分析等。而下位机是指数据采集系统及各种智能控制设备，在这里指的是五个RTU。 2.1 由PLC模块构成RTU 下位机的关键设备是采用法国施耐德（Schneider）电气公司的Momentum PLC系列构成的五个RTU。该方案采用模块式结构，可根据应用需求进行灵活配置和可以扩展。采用PLC的RTU基于几点考虑：（1）系统为开环监控工作方式，对于控制过程的快速性要求不高;（2）PLC具有高可靠性和极强的抗干扰能力;（3）模块化配置实现多功能扩展。 各变电所监控的信号量统计如下表： 各变电所的RTU的PLC功能模块配置如下表： 2.2 PLC 编程软件 PLC编程用基于Microfost Windows环境的编程软件Concept开发。以实现现场数据的采集、计算、统计、数据通信、系统故障诊断等功能。Concept符合IEC-1131-3 编程语言标准，有梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本、指令表。Concept提供了实用简单友好的用户界面，有丰富的编译工具、强劲的搜索功能、自由格式的图形编辑器、完善的在线帮助，使得对Modicon TSX Momentum(模块式Momentum PLC组板)构成的自动化控制系统的程序编写、软件调试、系统维护十分简单。 2.3系统软件设计 系统上位机采用以Windows 2000/NT的操作平台、美国Intellution公司的iFIX2.5工业监控组态软件。它采用开放的全分布式网络结构，其结构简单、扩展方便，因而所构成系统的规模视具体应用需要可大可小。iFIX2.5为用户提供标准的网络接口、硬件接口和软件接口，以满足系统的功能扩展、规模扩展、硬件更新。 iFIX组态软件能较好地满足电力系统对数据采集的实时性和控制的可靠性的要求如：数据采集和监视、遥控操作、数据处理及统计、自动职责划分、报警处理、自动操作记载、曲线、报表制作及打印功能、系统仿真等。 2.4 系统网络结构 系统采用标准的开环总线以太网配置。这样不仅降低了成本，方便布线，易于扩展；而且网络结构上保证了信息传输的安全性，能对数据进行有效的分流，从而减轻网络负荷，增强了系统的可靠性。其网络标准为IEEE802.3；传输速率为10Mbps。整个系统采用10/100M以太网交换机形成自适应以太网通信。100M作为调度端内部的数据传输速率，而调度端与RTU之间的数据传输速率为10M，这是因为在RTU中采用的是通用的10Base-T集线器。 由于调度端与五个变电所之间都有数十公里的远距离，故它们之间用光纤连接成骨干网，这样不仅可以解决远距离通信问题，而且可以大大提高骨干网的抗干扰能力和可靠性。通过光纤连接的骨干网具有较大的带宽，为将来网络的扩充、速度的提升预留了空间。各控制域的交换机到现场设备之间采用屏蔽双绞线，交换机的安装位置选择在靠近现场设备的地方。 上位机与下位机的通信是监控系统的一个关键。我们选用通用的工业标准Modbus协议，并与以太网TCP/IP结合，在TCP帧中嵌入Modbus信息帧，成为基于以太网的Modbus TCP/IP协议，如图2所示。 Modbus采用主从方式定时收发数据。在本系统，上位机定义为主设备，下位机五个RTU所有智能监控装置定义为从设备，只有主设备能初始化或对从设备查询。所有设备都有规定的IP地址，主设备按地址发布消息，从设备根据主设备查询或提供的数据决定要产生何种行动，实现了系统的监控功能;同时当系统故障，比如五个RTU中有某一模块从网络中断开，在主设备端马上诊断出来，而当故障修复后，网络又可自动接通，这样有利于操作员进行系统功能诊断。 3 系统工作过程 下位机从现场设备采集遥信及遥测信号，经过一定的处理（16个遥信开关量信号合成一个16位的字,每个遥测模拟量信号转换成一个16位的字）后存储到PLC的寄存器中供上位机读取；同时接收上位机发送的遥控命令经过处理后传给现场设备。而上位机则是负责从下位机读取遥信量和遥测量，经过处理后进行显示或生成报表等；同时根据操作员的需要发出遥控命令。下面分别介绍系统的具体工作过程。 3.1 系统通信 整个系统的通信都是基于IP地址的。 （1）上位机和下位机的通信，是通过为iFIX组态软件的各个通信通道，设置与其建立通信的PLC的IP地址来实现的。iFIX对每个变电所分配一个通信通道，五个变电所占用五个通信通道。 （2）下位机Momentum M1处理器和通信适配器间的通信：在下位机编程软件Concept-PLC/ Configuration-Config /Extensions-Ethernet/I/O scannner对话框中的Slave IP Address一栏中输入通信适配器的IP地址，再在该对话框的其它栏中输入要读写M1 处理器（主站）和通信适配器（从站）的寄存器地址，即可实现Momentum M1处理器和通信适配器的通信。 （3）Web网页的浏览。通过在浏览器中输入Momentum M1处理器的IP地址并建立连接，即可浏览到Momentum M1处理器中中Web网页。 3.2 下位机接受遥控（YK）命令 上位机往下位机写的遥控（YK）命令，是以一个字（word）为单位的，一个字包括16位（bit），每一位（bit）代表一个遥控信号。由于各变电所的遥控对象小于8个，每个遥控对象又有两种操作状态（如断路器的分闸和合闸），因此每个变电所的遥控操作对象小于16个，因此五个变电所均只用一个字就可包括所有的遥控信号。 从上位机来的16位的遥控字（word）存到Momentum的M1处理器通信适配器的寄存器的某个区（如400011）中，当操作员发出一个遥控命令时，相应的遥控位由0变为1，离散量基板上对应的输出端被置为高电平，被控制的断路器受电动作。通过设置让输出端的高电平维持5秒钟，以确保断路器操作机构动作使断路器跳闸或合闸。 由于PLC模拟块是低电压低电流输入，而控制回路电压电流比较大，因此需要用继电器来进行电气隔离放大。 3.3下位机遥信（YX）信号处理 遥信（YX）信号包括位置信号和非位置信号，位置信号包括断路器和隔离开关的分、合状态；非位置信号包括保护信号和故障信号的状态。遥信信号是由Momentum的离散量基板进行采集的，离散量基板把从现场设备送上来的16位离散的输入数据以一个字（word）的方式传送给M1处理器通信适配器。再由M1处理器与上位机建立通信，传送数据。 3.4 下位机遥测（YC）信号处理 遥测信号是用TSX Momentum 170AAI的 8通道输入差分基板采集的，我们采用的是平均值变送器，把变电所一次回路中的交流电压和电流以直流平均值表示，再输入到模拟量基板中。基板的8输入通道是为8个模拟量输入提供的，每个模拟量占用一个通道，每个输入通道对应一个输入字(word)；由于模拟量AAI基板上扣有Momentum的M1处理器适配器，因此由基板传上来的模拟量信号直接存到M1处理器的寄存器中供上位机读取；而每个通道的输入参数则通过Concept中硬件配置中的I/O Map进行设定。 3.5上位机功能实现 上位机用的iFIX组态软件带有Modbus Ethernet I/O驱动程序，并为每个模拟变电所分配一个通信信道，通过以太网交换机和10Base-T以太网电缆直接与RTU中的PLC通信，采用的网络协议是TCP/IP协议。 上位机运用iFIX组态软件主要实现以下的功能模块：欢迎画面、主画面、系统运行记录、设备配置图、变电所实况图、电压电流显示图、变电所控制屏、事件记录、报警记录、模拟屏显示、曲线、重载数据库、程控操作、报警画面、数据备份与恢复、模拟变电所接线图、系统帮助画面。 采用C++Builder开发的数据库的报表管理系统对整个控制系统产生的数据进行查询、打印、转出、计算、分析。该系统主要有以下功能：日报管理、月报管理、电度日报管理、电度月报管理、操作事件管理、异常事件管理、报警信息管理、图形分析。 报表管理系统还具有丰富强大的电子制表功能。通过动态数据交换（DDE）和ODBC标准，可方便地将系统的实时数据、历史数据库、应用数据库与报表系统链接，可生成柱形图、条形图、面积图等二维或三维的彩色图型，形成图文并茂、直观清晰的图文报表，并可召唤、定时和条件驱动打印报表。 3.6 Web功能实现