牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控測試系統(tǒng)的設計及應用方案

為了減少制動能量在列車制動電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內溫度的升高和減少車載設備，國外一般在牽引變電所的直流母線上設置再生制動能量吸收裝置。設置再生制動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)的結構由若干整流器單元多重化并聯(lián)組成。采用這種結構方式，可以提高系統(tǒng)的供電質量，同時供電裝置擴容容易，并可以提供一定的冗余性。另外其直流側的制動能量可以回饋到交流電網，交流側功率因數(shù)可調，并且直流側的輸出特性完全可控。
為了保障供電系統(tǒng)調試及運行的正常，要求對供電系統(tǒng)動態(tài)過程中的各電氣參量、溫度值及開關量等進行測量、傳輸、顯示、存儲及故障診斷，方便用戶觀察數(shù)據、分析數(shù)據。而目前測量電參數(shù)主要依靠示波器、電壓表、電流表以及萬用表等儀表裝置，這些儀表會影響PWM整流器的正常運行、威脅技術人員人身安全、使調試過程復雜化等，急需開發(fā)一種新的技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量儀器。此外，為方便設計人員調試修改供電系統(tǒng)底層程序，需要設計控制系統(tǒng)，實現(xiàn)與主控板的數(shù)據通訊。
為了解決以上問題，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)控對象，設計了包含監(jiān)測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)的監(jiān)控試驗平臺。
1監(jiān)控系統(tǒng)方案
根據系統(tǒng)的設計要求、考慮到設計人員和使用人員的應用層次不同，本文設計的新型能饋式牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩個部分，即監(jiān)測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)，如圖1所示。
牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控測試系統(tǒng)的設計及應用方案
牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控測試系統(tǒng)的設計及應用方案
由圖1可知，本監(jiān)測控制系統(tǒng)的主要由監(jiān)測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)構成，其中監(jiān)測子系統(tǒng)又包括下位機系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)，控制子系統(tǒng)主要通過設計控制器實現(xiàn)。新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控結構圖如圖2所示。

1．1監(jiān)測子系統(tǒng)研究
新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)測子系統(tǒng)的示意圖如圖3所示，監(jiān)測子系統(tǒng)由下位機系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)構成。

1．1．1監(jiān)控子系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)研究
監(jiān)測子系統(tǒng)的下位機系統(tǒng)主要由多路傳感器、信號調理板、監(jiān)測板以及網絡通信傳輸單元構成。監(jiān)測子系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)由基于LabVIEW的監(jiān)測軟件組成。
監(jiān)測系統(tǒng)下位機系統(tǒng)的結構如圖4所示。首先傳感器采集模擬量送給模擬信號調理板，PWM整流器單元給出相關數(shù)字量給數(shù)字量調理板。調理板將調理后的模擬信號、數(shù)字信號送給監(jiān)測板，監(jiān)測板可以將得到的信號通過網絡傳輸單元進行數(shù)據傳輸。

1．1.2監(jiān)控子系統(tǒng)的上位機系統(tǒng)設計
監(jiān)測系統(tǒng)上位機系統(tǒng)主要指上位機監(jiān)測軟件。本文應用NI公司開發(fā)的LabVIEW軟件為平臺，在此基礎上開發(fā)新型能饋式牽引供電系統(tǒng)調試需要的上層監(jiān)測軟件。監(jiān)測軟件主界面大致分為6個部分，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)主要用來顯示供電系統(tǒng)的整體狀態(tài)，如變壓器、機組、接觸網信號等等；此外，在主界面右側顯示了供電系統(tǒng)的數(shù)字量信號，如開機信號、關機信號、整流狀態(tài)信號、逆變狀態(tài)信號、交流側接觸器狀態(tài)、直流側接觸器狀態(tài)等，如圖5所示。

PWM1、PWM2、PWM3及PWM4狀態(tài)：主要用來顯示每個PWM的運行狀態(tài)，如圖6所示。

此外，還設計了故障顯示界面，用于顯示系統(tǒng)故障信號及故障診斷結果。
1．1．3以太網通信實現(xiàn)
在監(jiān)測子系統(tǒng)中，下位機系統(tǒng)通過以太網將監(jiān)測數(shù)據打包發(fā)送給上層監(jiān)測軟件，因此，以太網通信的實現(xiàn)對于監(jiān)測系統(tǒng)來說至關重要。
以太網通信結構如圖7所示，硬件電路通過LAN91C111以太網芯片實現(xiàn)，在網絡層通過IP自動分配以及ARP請求實現(xiàn)握手協(xié)議，在傳輸層通過UDP實現(xiàn)數(shù)據通信，從而將數(shù)據從下位機傳給上位機。

1．2控制子系統(tǒng)設計
控制子系統(tǒng)即控制器，主功能分為4個部分：控制命令、參數(shù)查詢、故障信息、參數(shù)設置。有了這些功能，就能在一般環(huán)境中（無監(jiān)測儀器及PC機）對供電系統(tǒng)的運行情況、故障信息等進行顯示，同時能對重要參數(shù)進行修改。
1．2．1控制器的硬件設計
控制器系統(tǒng)硬件組成主要有：CPU控制單元、網絡傳輸單元、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構如圖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）、兩個串行通信接口（SCIs）、改進的局域網絡（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，同時可以很好地支持控制器所需要的：RS232、RS485外圍設備，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。
控制器的網絡通信單元主要包括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機之間的通訊及實現(xiàn)DSP程序的遠程燒寫。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。模塊內部采用了HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉換和信號隔離，模塊的輸出側裝設了的防過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（2．7Vto5．5V），其低功耗設計可滿足產品的省電要求。同時，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），可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形的同屏顯示，支持所有的主流液晶操作指令，預留多種控制線（復位／串并選擇／亮度調整）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，只需要時鐘線與數(shù)據線結合其他必要的信號即可，硬件上可以大大簡化。串行方式時，DSP并不需要向外提供數(shù)據／地址總線其他的讀／寫信號，這使得DSP的管腳數(shù)并不需要很多，進一步降低了硬件的復雜程度，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進行通訊，發(fā)送相關的控制指令和數(shù)據，控制液晶模塊執(zhí)行相應的操作，顯示相關的數(shù)據。液晶顯示單元的硬件電路如圖10所示。

1．2．2控制器的軟件設計
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CPU和液晶進行初始化，設置必要的寄存器，清空液晶的顯示數(shù)據，使其進入相應的工作方式。每隔10ms對按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下，則根據預先確定的工作時序控制液晶的顯示，實現(xiàn)頁面的翻轉、菜單項的移動、相關參數(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。這樣可以實現(xiàn)通訊上的冗余，增加通訊的可靠性。

2結束語
本文研究了新型能饋式牽引供電系統(tǒng)監(jiān)測控制試驗平臺，設計了監(jiān)控測試系統(tǒng)的監(jiān)測子系統(tǒng)（上位機系統(tǒng)、下位機系統(tǒng)）、控制子系統(tǒng)（控制器）。經過在實際裝置上的調試應用，牽引供電系統(tǒng)監(jiān)控平臺滿足了新型能饋式牽引供電系統(tǒng)實際調試和運行時的監(jiān)測要求，實現(xiàn)了預期功能。監(jiān)測平臺的數(shù)據和波形顯示實時性好，測量精度高，傳輸距離遠，數(shù)據可靠性強。本文提出的監(jiān)測平臺設計方案在牽引供電或者其他直流供電領域相關方面會有很好的應用前景。