PLC在鐵道信號微機監測系統中的應用

1 引言
隨著國民經濟的快速發展，高速列車大大提高了交通運輸效率，同時也增加了對安全性的要求，如何在列車高速運行的情況下保證鐵路設備的安全問題也變得越發重要。以原有的人工維修保障體制保證設備的安全，不僅費時費力，而且難以適應發展后的鐵路系統的各種客觀需要。根據以往我們開發工業監控系統的經驗，結合鐵路系統的特點，開發了適合鐵路系統的微機監測系統，利用其采集大量信號，通過這些信號可以了解設備的運行狀況并分析故障產生原因，它在保證鐵路列車安全運行、及時發現故障、分析故障及保證鐵路維修體制改革實現狀態修方面發揮了不可缺少的作用。利用PLC作為微機監測系統的數據采集機可以保證其高可靠性要求。

2 需求分析
鐵路系統關系到人民生命財產的安全，所以鐵道信號微機監測系統必須具備以下特點:
(1) 高可靠性
監測系統在壽命期限內能在惡劣條件下平穩可靠運行，將故障率降至最低;
(2) 抗干擾性強
微機監測系統是暴露在鐵路沿線運行的，所處的環境相對惡劣，為了提高數據采集和數據傳輸的可靠性，避免發生錯誤報警，系統必須具有較強的抗干擾性;
(3) 可擴展性與可維護性
與鐵路系統的擴建相對應，監測系統應該易于擴展和維護;
(4) 高性價比
完成狀態檢修的微機監測系統作為列車的輔助設備，不應投入太多資金，應該在低成本下操作。
根據系統要求的高可靠性和強抗干擾性，選用PLC作為系統的采集機。系統實現要解決的關鍵問題就是PLC的資源較少，我們必須經過合理分配，有效利用有限的資源。

以廣深鐵路線某站為例，需要采集1024個開關量，128路軌道電壓，6路外供電壓，40路轉轍機電流，768路電纜絕緣值，50路電源屏電壓。設計鐵道信號微機監測系統時，必須根據鐵路系統運行特點和要求，采取一些特殊的技術和方法，建立適用的全面反映鐵路系統及設備的宏觀運行狀態的系統，更有效的管理整個鐵路系統的運行。

3 系統構成
3.1 系統總體結構
總體上看，本論文所要介紹的GSWJ型鐵道信號微機監測系統結構可分為三部分:即采集電路—前置部分;下位機—采集機;上位機—監測機三個部分。各部分的作用分析如下:
(1) 采集電路
·對所有被監測量實現保護、隔離，將隔離后的信號轉換為標準電壓或電流信號;
·下位機(采集機)的控制下，將所有代表被監測參數的標準電壓或電流信號，分類依次送至PLC相應的數據采集口。
(2) 下位機(采集機)
依照程序或上位機發出的檢測命令，向采集電路發出相應的控制信號，對采集電路送至采集口的信號進行采集，對采集的數據進行相應的綜合，并將所采集的數據整理后存入相應的數據緩沖區，完成與上位機數據通訊。根據本站需求，本系統采用OMRON CS1系列PLC作為數據采集機;
(3) 上位機(監測機)
·通訊管理:上、下位機之間各種類型數據通訊的管理;
·數據管理:對采集的各類數據建立數據庫，各種參數、圖表、曲線的繪制，以及顯示、查詢和打印各種報警信息。
本系統中，利用Dephi語言編寫上位機程序，實現通訊管理和數據管理。

3.2 系統實現的幾個關鍵問題
從系統的需求分析可以看出，鐵道信號微機監測系統需要采集的數據量大，對可靠性和安全性很高，而且需要系統在低成本方式下運作，如何合理配置，使資源得到有效利用是設計重點和難點，下面闡述幾個關鍵問題的解決方法。
(1) 系統采集方式的選擇
鐵路系統中，由于監測的信息點多，且各種被監測量要求的采集周期不同，如開關量要求的采集周期為250ms，軌道電壓的采集周期為2min，如果采用常規的點對點采集，會大大增加系統成本，所以系統采用分類集中的信號采集方式，將同類信號集中并作相應的保護，經過切換，利用一個A/D口輸入。另外，由于本系統是用于廣深鐵路線上，地處南方多雷擊地區，而且電氣化的高速鐵路本身會產生高達幾萬伏的沖擊電壓，因此監測系統必須保證有很強的抗干擾性。系統采用歐姆龍公司的CS1系列PLC作為采集機，同時，對所有被采集的信號都作了隔離和保護。

圖1 各種被監測量的并聯式結構采集方框圖

如圖1所示，系統采用并聯式結構，這樣的結構方式將被采集的物理量按類集中，分為開關量和模擬量兩大類，采集回路結構清晰，易于發現故障。
(2) 開關量采集方法
開關量采集回路如圖2所示。

圖2 開關量采集方框圖

開關量采集原理: 4位開關量輸出信號經過譯碼得到16位地址，根據地址將1024個開關量分成16組采集，每次采集64位，利用兩塊32口的開關量輸入模塊。

(3) 模擬量采集方法
根據鐵道部有關規程，外供電壓、軌道電壓、轉轍機電流等模擬量要求不同的采集方式，例如外供電壓和軌道電壓采用巡測采集方式，即巡回檢測采集;轉轍機電流采用中斷式采集方式，即當轉轍機發生動作時才采集相應的數據;絕緣檢測的采集方式是命令式，這是因為絕緣檢測是帶電檢測，在保證列車安全運行的情況下，必須由工作人員通過上位機發出指令采集相應的絕緣值。根據這些不同要求，系統中利用不同的模擬量采集回路實現。圖3示出128路軌道電壓采集回路框圖。由前置電路通過隔離、濾波、保護等前置電路處理采集的模擬信號，變成1～5V標準電壓信號，經過兩級切換，在PLC中經A/D轉換后，用0-4000的數字量線性表示。

圖3 128路軌道電壓采集回路框圖

(4) PLC與上位機通信流程
上位機與PLC的通信流程大致如下:
系統監測的信息點多，采集方式不同，因此系統實現的另一個的難點就是對不同數據的通訊管理。系統需要采集的數據有1024個開關量，128路軌道電壓信號，64路外供電信號，16路轉轍機電流等，由于采用串口與上位機通訊，通訊資源有限[1]，按照鐵道部有關規定，將數據的優先級規定為:開關量信號，外供電壓信號，轉轍機電流信號，軌道電壓信號，對優先級高的數據優先處理，程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程框圖

采用這種通訊方式的特點是程序結構簡單清晰，通信簡單，可擴展性強，能保證重要數據的優先傳送。缺點是通訊速度較慢，在調試中發現，128路軌道電壓全部傳到PLC中需要大約3s，但在鐵路系統中，這樣的通訊速度已能滿足要求。

4 程序流程分析
(1) 程序說明
主程序給每一類被采集數據分配一個緩沖區[2]，根據優先級處理數據，將需要通訊的數據寫入通訊緩沖區中，然后與上位機通訊。

系統要求將變化的開關量傳送到上位機進行顯示，PLC程序中，給開關量分配兩個存儲單元D1和D2，將第一次采集的開關量存入D1，下一次采集到的數據存入D2，另外為開關量分配了一個環形數據緩沖區H1～H50，緩沖區中每個存儲單元的存儲容量為67個字，其中1024個開關量占64個字，一個標志字表示發生變化的開關量組，另外2個字用來表示開關量發生變化的時間(年，月，日，小時，分鐘，秒，毫秒)。環形數據緩沖區的結構如圖5所示。緩沖區作用是:將需要存儲的開關量按順序存入緩沖區，50個存儲單元存滿后，第51個數據再存入第1個存儲單元，這樣就將這個緩沖區循環利用，有效使用了PLC的有限資源。

圖5 環形數據緩沖區的結構圖

(2) 開關量采集程序流程
將第一次采集的開關量存入D1，下一次采集到的數據存入D2，比較D1和D2，看數據是否相等，如果相等，直接進行下一次巡視;如果不等，說明開關量發生變化，系統要求將變化的開關量送入上位機，此時將D2種的數據送入緩沖區Hi中，并設立標志，增加地址指針，同時用D2覆蓋D1的數據，程序流程如圖6所示:

圖6 開關量采集流程框圖

5 結束語
采用OMRON CS1系列PLC作為數據采集機的GSWJ微機監測系統已經在該站投入運行，5年來，系統運行正常，保證了鐵路列車安全運行，并準確采集各項數據，及時發現故障和分析故障產生原因，另外，系統的報表輸出功能減輕了值班人員人工抄表的勞動強度。總之，微機監測系統部分實現了鐵路系統自動控制，從整體上提高了企業的管理水平，且各項技術指標均達到設計要求。