牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方案

作者：韋中利,羅榮婭,王磊

為了減少制動(dòng)能量在列車(chē)制動(dòng)電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內(nèi)溫度的升高和減少車(chē)載設(shè)備，國(guó)外一般在牽引變電所的直流母線上設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置。設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置的供電系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的二極管不控整流供電系統(tǒng)，又被稱(chēng)為城市軌道交通新型供電系統(tǒng)。

新型牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由若干整流器單元多重化并聯(lián)組成。采用這種結(jié)構(gòu)方式，可以提高系統(tǒng)的供電質(zhì)量，同時(shí)供電裝置擴(kuò)容容易，并可以提供一定的冗余性。另外其直流側(cè)的制動(dòng)能量可以回饋到交流電網(wǎng)，交流側(cè)功率因數(shù)可調(diào)，并且直流側(cè)的輸出特性完全可控。

為了保障供電系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行的正常，要求對(duì)供電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中的各電氣參量、溫度值及開(kāi)關(guān)量等進(jìn)行測(cè)量、傳輸、顯示、存儲(chǔ)及故障診斷，方便用戶觀察數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。而目前測(cè)量電參數(shù)主要依靠示波器、電壓表、電流表以及萬(wàn)用表等儀表裝置，這些儀表會(huì)影響PWM整流器的正常運(yùn)行、威脅技術(shù)人員人身安全、使調(diào)試過(guò)程復(fù)雜化等，急需開(kāi)發(fā)一種新的技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量?jī)x器。此外，為方便設(shè)計(jì)人員調(diào)試修改供電系統(tǒng)底層程序，需要設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與主控板的數(shù)據(jù)通訊。

為了解決以上問(wèn)題，本文研究了新型供電系統(tǒng)的監(jiān)控要求，以PWM整流器子系統(tǒng)為監(jiān)控對(duì)象，設(shè)計(jì)了包含監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的監(jiān)控試驗(yàn)平臺(tái)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、考慮到設(shè)計(jì)人員和使用人員的應(yīng)用層次不同，本文設(shè)計(jì)的新型能饋式牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分，即監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，如圖1所示。

由圖1可知，本監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的主要由監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)構(gòu)成，其中監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)又包括下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)主要通過(guò)設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)。新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1．1 監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)研究

新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的示意圖如圖3所示，監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)由下位機(jī)系統(tǒng)和上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成。

1．1．1 監(jiān)控子系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)研究

監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的下位機(jī)系統(tǒng)主要由多路傳感器、信號(hào)調(diào)理板、監(jiān)測(cè)板以及網(wǎng)絡(luò)通信傳輸單元構(gòu)成。監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)由基于LabVIEW的監(jiān)測(cè)軟件組成。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下位機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先傳感器采集模擬量送給模擬信號(hào)調(diào)理板，PWM整流器單元給出相關(guān)數(shù)字量給數(shù)字量調(diào)理板。調(diào)理板將調(diào)理后的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)送給監(jiān)測(cè)板，監(jiān)測(cè)板可以將得到的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1．1. 2 監(jiān)控子系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)系統(tǒng)主要指上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件。本文應(yīng)用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件為平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新型能饋式牽引供電系統(tǒng)調(diào)試需要的上層監(jiān)測(cè)軟件。監(jiān)測(cè)軟件主界面大致分為6個(gè)部分，分別是供電系統(tǒng)狀態(tài)、PWM1狀態(tài)、PWM2狀態(tài)、PWM3狀態(tài)、PWM4狀態(tài)以及故障狀態(tài)。

其中，供電系統(tǒng)狀態(tài)主要用來(lái)顯示供電系統(tǒng)的整體狀態(tài)，如變壓器、機(jī)組、接觸網(wǎng)信號(hào)等等；此外，在主界面右側(cè)顯示了供電系統(tǒng)的數(shù)字量信號(hào)，如開(kāi)機(jī)信號(hào)、關(guān)機(jī)信號(hào)、整流狀態(tài)信號(hào)、逆變狀態(tài)信號(hào)、交流側(cè)接觸器狀態(tài)、直流側(cè)接觸器狀態(tài)等，如圖5所示。

PWM1、P WM2、PWM3及PWM4狀態(tài)：主要用來(lái)顯示每個(gè)PWM的運(yùn)行狀態(tài)，如圖6所示。

此外，還設(shè)計(jì)了故障顯示界面，用于顯示系統(tǒng)故障信號(hào)及故障診斷結(jié)果。

1．1．3 以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)

在監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)中，下位機(jī)系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上層監(jiān)測(cè)軟件，因此，以太網(wǎng)通信的實(shí)現(xiàn)對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

以太網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)如圖7所示，硬件電路通過(guò)LAN91C11 1以太網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)IP自動(dòng)分配以及ARP請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)握手協(xié)議，在傳輸層通過(guò)UDP實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而將數(shù)據(jù)從下位機(jī)傳給上位機(jī)。

1．2 控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制子系統(tǒng)即控制器，主功能分為4個(gè)部分：控制命令、參數(shù)查詢(xún)、故障信息、參數(shù)設(shè)置。有了這些功能，就能在一般環(huán)境中（無(wú)監(jiān)測(cè)儀器及PC機(jī)）對(duì)供電系統(tǒng)的運(yùn)行情況、故障信息等進(jìn)行顯示，同時(shí)能對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行修改。

1．2．1 控制器的硬件設(shè)計(jì)

控制器系統(tǒng)硬件組成主要有：CPU控制單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、液晶顯示單元、按鍵操作單元以及DA輸出單元?？刂破鞯挠布Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

控制器的CPU單元采用TMS320C28X系列中的DSP2812，它具有串行外圍接口（SPI）、兩個(gè)串行通信接口（SCIs）、改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)（eCAN）、多通道緩沖串行接口（McBSP）。DSP2812主頻高，能夠滿足控制器的通訊速率，同時(shí)可以很好地支持控制器所需要的：RS232、RS485外圍設(shè)備，降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度。

控制器的網(wǎng)絡(luò)通信單元主要包括RS232模塊、RS485模塊。RS232通訊模塊使用MAX232作為總線的接口芯片，與DSP的SCI接口相連。RS232主要用于控制器與PC機(jī)之間的通訊及實(shí)現(xiàn)DSP程序的遠(yuǎn)程燒寫(xiě)。RS485通訊模塊使用MAX485作為總線的接口芯片，與DSP的SCI接口相連。模塊內(nèi)部采用了HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉(zhuǎn)換和信號(hào)隔離，模塊的輸出側(cè)裝設(shè)了的防過(guò)壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性。RS4．85通信模塊電路如圖9所示。

控制器中的液晶顯示單元采用LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊。該模塊電源操作范圍寬（2．7V to5．5V），其低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求。同時(shí)，模塊與微控器的接口界面靈活（三種模式：并行8位／4位，串行3線／2線），可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，支持所有的主流液晶操作指令，預(yù)留多種控制線（復(fù)位／串并選擇／亮度調(diào)整）供用戶靈活使用。

LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊使用串行總線方式時(shí)，只需要時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線結(jié)合其他必要的信號(hào)即可，硬件上可以大大簡(jiǎn)化。串行方式時(shí)，DSP并不需要向外提供數(shù)據(jù)／地址總線其他的讀／寫(xiě)信號(hào)，這使得DSP的管腳數(shù)并不需要很多，進(jìn)一步降低了硬件的復(fù)雜程度，提高了系統(tǒng)總體的工作可靠性。

因此，本文中LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊工作于串行總線方式。DSP使用SPI通訊接口與LCM128645ZK進(jìn)行通訊，發(fā)送相關(guān)的控制指令和數(shù)據(jù)，控制液晶模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作，顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)。液晶顯示單元的硬件電路如圖10所示。

1．2．2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件流程如圖11所示，控制器上電初始化后，系統(tǒng)先對(duì)CPU和液晶進(jìn)行初始化，設(shè)置必要的寄存器，清空液晶的顯示數(shù)據(jù)，使其進(jìn)入相應(yīng)的工作方式。每隔10ms對(duì)按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下，則根據(jù)預(yù)先確定的工作時(shí)序控制液晶的顯示，實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的翻轉(zhuǎn)、菜單項(xiàng)的移動(dòng)、相關(guān)參數(shù)的修改和顯示等功能。每隔3s重新發(fā)送一次485通訊數(shù)據(jù)。這樣可以實(shí)現(xiàn)通訊上的冗余，增加通訊的可靠性。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)（上位機(jī)系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)）、控制子系統(tǒng)（控制器）。經(jīng)過(guò)在實(shí)際裝置上的調(diào)試應(yīng)用，牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)滿足了新型能饋式牽引供電系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試和運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)和波形顯示實(shí)時(shí)性好，測(cè)量精度高，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)可靠性強(qiáng)。本文提出的監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案在牽引供電或者其他直流供電領(lǐng)域相關(guān)方面會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

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