西门子S7 200在轨道交通直流牵引监控系统中的应用

摘要：本文简要的介绍了轨道交通变电所综合自动化系统及其直流牵引系统的整体结构，并根据实际需求，给出了S7-200 PLC在北京轨道交通五号线直流牵引监控系统的具体解决方案。
关键词：S7-200 PLC 、轨道交通、直流牵引、变电所综合自动化系统、PROFIBUS-DP规范
The Application of S7-200 PLC in the DC Traction SCADA
of Urban Rail Transit
Abstract: This paper briefly introduces us Urban Rail Transit’s PSCADA and its DC Traction total Framework，and，on the basis of factual requirements，an specific application scheme is provided to verify the implementation of S7-200 PLC in the Beijing Urban Rail Transit Line 5`s DC Traction SCADA .
Keywords:  S7-200 PLC 、Urban Rail Transit、DC Traction、PSCADA（Power SCADA）、PROFIBUS-DP Specifications
      近年来随着城市轨道交通自动化系统的快速发展，很多大型设备的监视和控制都选用微型PLC进行改造。对某些控制点少而控制逻辑又较复杂的小型设备来说，微型可编过程控制器紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格、强大的指令以及较高的可靠性和简便的维护近乎完美的满足了小规模的控制要求。如750V直流开关柜的测控单元开关整流器的监视单元和400V开关柜的测控单元等均采用了PLC可编程程控制器，给安装、运行、维护带来诸多的便利。以下给出的就是S7-200 PLC在北京轨道交通五号线直流牵引监控系统中的一个典型应用实例。

1 需求分析
      城市轨道交通供电系统是自成体系的配电系统，包含有传统的交流供电系统和直流牵引供电系统两部分。为了实现整体系统的安全可靠运行，必须实现电力系统的调度、运营和管理的自动化。
变电站综合自动化系统是轨道交通供电自动化的基本组成，是实现电力监控系统功能的基本单元。轨道交通变电站内各层之间的信息可充分共享，并通过通信接口与外系统交换信息。设计一个快速、稳定、可靠的控制网络是轨道交通变电站自动化系统的基本要求之一，是实现轨道交通供电系统运行管理功能的前提。
整个上来讲，轨道交通变电站综合自动化系统划分为站级管理层，网络通信层，间隔层：
1) 站级管理层为设置在控制信号盘内的冗余热备的通信控制器、通用测控装置和一体化监视计算机。
2) 间隔层包括分散安装于供电一次设备中的各种微机保护测控单元、信息采集设备、智能测控单元以及采用硬接点接入的现场设备。设备包括400V及10kV交流保护测控单元、750V直流保护测控单元、变压器温控器、轨电位限制装置、制动能量吸收装置、杂散电流监控单元、UPS直流屏、电度表、上网隔离开关、跟随所负荷开关等；
3) 网络通信层即为所内通信网络和接口设备，间隔单元通过所内通信网络层与站级管  理层进行数据交换。
      整个系统面向变电所通盘考虑，通过间隔单元与一次开关设备、CT/PT等设备接口，实现对变电所设备的控制、监视、测量、继电保护及数据管理、远程通信等综合自动化管理，以保证供电系统的安全可靠运行。
      一般来讲，轨道交通供电系统分为高压电源系统，直流牵引供电系统，动力、照明、信号电源三个系统。在轨道交通五号线供电系统中，作为轨道交通变电所自动化系统间隔层非常重要的组成部分，直流牵引供电系统直接给列车提供动力，其好坏直接影响整个地铁供电系统质量的高低。如果牵引供电系统出现问题，小则影响某个变电站、几个供电区间的输送电，大则引起整个牵引供电系统崩溃，给地铁列车的安全、运营造成影响。
      轨道交通牵引供电系统是直接为地铁列车提供动力的系统，可以保证地铁列车高速、安全、可靠、经济节电地运行。目前北京轨道交通五号线牵引供电的运行采用双机组双边供电方式，即每个牵引变电站2台牵引机组带2台总闸，并列向直流母线供电运行，直流母线下设4台分闸，即馈线开关(加上备用共5台),分别向上行、下行车辆进行主备供电，两个相邻的牵引变电站同时向站内同一馈电区间供电，如图1所示：
 

图1 轨道交通变电站直流牵引供电系统典型主接线图
2 S7-200 PLC具体实现功能
图1中，R1、R2为整流器装置，60、70为直流进线隔离开关，10、20、30、40和50为馈线断路器，61和71为进线断路器，65和75为负极断路器，14、24、34和44为旁路隔离开关，而16、26、36和46为上网隔离开关，813和824为越区隔离开关，除了旁路隔离开关和上网隔离开关之外，所有的保护和测控工作一般均由直流保护装置（如DPU 96）进行监视和控制，而对于旁路隔离开关和上网隔离开关的监视和控制工作将是由S7-200 PLC来完成，对于每一个馈线开关来讲，均配置一个型号为“6ES7 277-0AA2-0XA0”的S7-200 PLC，该PLC主要有8个字节的输出和8个字节的输入，其完成的监控功能如下表1所示：
点描述 点类型 上位机 DP地址
　－ 　－ 　－ 字节 位
旁路隔离开关分 DI 采集 2 0
旁路隔离开关合 DI 采集 2 1
旁路隔离开关 故障 DI 采集 2 2
上网电隔操作就地方式 DI 采集 3 0
上网电隔操作遥控方式 DI 采集 3 1
上网隔离开关分 DI 采集 3 2
上网隔离开关合 DI 采集 3 3
上网隔离开关 故障 DI 采集 3 4
三轨有压 DI 采集 3 5
上网隔离开关MCB跳闸 DI 采集 4 0
三轨有压检测设备故障 DI 采集 4 1
旁路隔离开关分闸命令 DO 控制 1 0
旁路隔离开关合闸命令 DO 控制 1 1
上网隔离开关分闸命令 DO 控制 1 2
上网隔离开关合闸命令 DO 控制 1 3
表1 S7-200在轨道交通直流牵引具体完成的监控功能实例

3 S7-200 PLC与上位机通信过程
       以北京轨道交通五号线为例，变电所自动化系统采用的是南瑞的RT21-SAS系统，而750V直流开关柜测控单元S7-200 PLC与上位机RT21-SAS系统的通信接口采用就是PROFIBUS-DP规约与南瑞的C101通信控制器PROFIBUS主站进行连接， C101通信控制器除了S7-200 PLC进行主从连接外，还提供另一路PROFIBUS-DP接口与750V直流开关柜直流保护测控单元DPU96，每个站设置2套协议及光电转换模块，实现PROFIBUS－DP信息的接入。此外，10KV的整流器监控单元与RT21-SAS系统的通信接口方案也是经过PROFIBUS-DP规约与C101通信控制器实现互联。具体连接方案如图2所示。
 

图2 S7-200 PLC与轨道交通变电所自动化系统上位机连接图
      S7-200 PLC作为DP从站，与C101通信控制器实现互联通信。C101通信控制器为南瑞自主研发的遵循EN50170标准的PROFIBUS-DP主站，它主要完成PROFIBUS协议转换成与总控通信的CAN2.0B协议。S7-200 PLC作为C101的从站，主要用于750V直流馈线柜的旁路隔离开关和上网隔离开关的监控、数据采集等功能。
      从通信流程上来讲，S7-200 PLC主要是通过EM 277将S7-200 PLC CPU作为DP从站连接到PROFIBUS-DP现场总线网络中，此外，S7-200 PLC的EM 277还用来作为西门子STEP7 V5.3对S7-200 PLC进行组态，主要是通过S7-200 PLC的MPI通讯口与装有西门子STEP7 V5.3的计算机来对STEP S7软件进行组态。为了使S7-200 PLC的EM 277 PROFIBUS-DP模块可以与主站通讯，S7-200 PLC与主站必须工作在相同的波特率下。当EM 277 PROFIBUS-DP模块用作MPI通讯时，其MPI主站必须使用DP模块的站址向S7-200发送组态信息，发送到EM 277 DP模块的MPI组态信息，将会被传送到S7-200 PLC上，从而达到对S7-200 PLC组态的目标。以下为S7-200 PLC作为DP从站与C101主站的组态参数配置如表2所示：
参数 数值 备注
主站站址 2 处于通信效率考虑，一般要求主站站址小于子站站址
子站地址 11、12, 13, 14 子站地址连续可以取得更高的通信效率
波特率 187,5 kbit/s 通信速率须适中，过高将会带来通信误码率过高
HSA 31 最高站地址，所有子站地址均要小于该地址
Tslot_Init 600 主站扫描S7-200 PLC全部子站的最大扫描时间
Max.Tsdr 80 主站扫描一个S7-200 PLC子站的最大等待时间
Min.Tsdr 11 主站扫描一个S7-200 PLC子站的最小等待时间
Retry-Limit 1 主站与一个S7-200 PLC子站通信出错的尝试次数
数据出入 8 命令控制方向，单位为字节，参见表1中的DP地址列定义
数据输出 8 数据采集方向，单位为字节，参见表1中的DP地址列定义
表2 S7-200 PLC在轨道交通直流牵