一種基于TCP／IP遠程通信協(xié)議的新型遠程智能電源監控切換系統

摘要：為了更好地保障鐵路運輸的安全和效率，確保采用雙路供電的鐵路系統的不間斷工作，提出了一種基于TCP／IP遠程通信協(xié)議的智能電源切換系統。系統由電源屏雙路輸入遠程切換單元、控制中心的TCP／IP通信鏈路、用戶(hù)軟件控制系統組成。電源屏雙路輸入遠程切換單元由電源信號監控、切換單元組成。TCP／IP通信鏈路采用嵌入式操作平臺，功能包括TCP／IP鏈路控制；用戶(hù)軟件控制系統采用C++編寫(xiě)完成，包括界面操作，授權控制等功能，能滿(mǎn)足站點(diǎn)現場(chǎng)電源切換要求的功能。
關(guān)鍵詞：TCP／IP；電源切換系統；電源信號采集；報警

0 引言
在鐵路現場(chǎng)控制系統中，信號設備是保障鐵路運輸的安全和效率的基礎設施，而信號設備的供電系統則是保證信號設備正常工作的關(guān)鍵設備。故所有鐵路系統電源屏均采用雙路供電來(lái)保證電源系統的不問(wèn)斷工作，保證信號設備的安全穩定工作，保證列車(chē)的安全運行。
提供雙路供電的I路電和Ⅱ路電來(lái)源于不同的電力網(wǎng)絡(luò )，而且，一般來(lái)說(shuō)，I路電的電源品質(zhì)要好于Ⅱ路電，當然，電源品質(zhì)的好壞對信號設備的穩定可靠工作有重要影響，所以一般情況下希望電源在I路電供電下工作。在I路電由于某種原因斷電后，電源自動(dòng)切換到Ⅱ路電供電，若I路電恢復后，就需要人工到現場(chǎng)手動(dòng)進(jìn)行切換操作，以將Ⅱ路電切換到I路電，保證信號設備工作在穩定可靠狀態(tài)。同時(shí)，在供電過(guò)程中，為保證系統運行可靠，提高異常狀態(tài)的分析能力，站場(chǎng)需要實(shí)時(shí)對供電系統(I路和Ⅱ路)進(jìn)行電源監控。
在我國鐵路車(chē)站信號設備供電系統中，由于歷史和其他各方面的原因，有很大一部分還沒(méi)有升級為智能電源屏，采用的是簡(jiǎn)單的雙路電源切換，當I路電源發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換到Ⅱ路電源供電，但是當I路電源恢復正常時(shí)，卻不會(huì )自動(dòng)從Ⅱ路電切換到電源質(zhì)量更高的I路電，只有通過(guò)人工按壓現場(chǎng)切換按鈕的辦法切換回I路去。由于車(chē)站之間相距較遠，短則十幾千米，遠則幾十千米，這種方法增加了現場(chǎng)工作人員的工作時(shí)間和勞動(dòng)強度，雖然進(jìn)行的是簡(jiǎn)單的操作，卻要在來(lái)回路途上花費大量時(shí)間。
目前已有的技術(shù)，如施耐德電氣、華通機電、上海工控集團等的解決方案，基本采用機電聯(lián)鎖的方式實(shí)現切換，且價(jià)格昂貴，維護不便。在現場(chǎng)信號沒(méi)備和其他設備的工作狀態(tài)基本實(shí)現遠程監測的情況下，作為關(guān)鍵設備的電源屏處于這種落后的技術(shù)條件下，不符合鐵路設備實(shí)現遠程監控的發(fā)展趨勢。本文旨在研究設計一種能夠自動(dòng)完成切換工作的設備，該設備可以減少工人干預，提高鐵路供電系統的自動(dòng)化程度、整體供電系統的工作效率。

1 系統整體方案
針對現場(chǎng)對電源屏雙路電源遠程切換的需求和現有機電切換系統功能的不足，本系統提出了基于TCP／IP遠程通信協(xié)議和嵌入式系統的電源智能遠程切換系統方案，可有效解決鐵路現場(chǎng)對電源屏遠程操控需求的問(wèn)題。本系統利用鐵路車(chē)站現有的通信網(wǎng)絡(luò )，在微機監測系統上安裝一套控制軟件，在車(chē)站現場(chǎng)安裝一套切換控制系統，在微機監測的微機上通過(guò)操作控制軟件來(lái)實(shí)現對工區各車(chē)站現場(chǎng)電源屏的遠程切換功能，在不需要增加任何通信線(xiàn)路和微機設備的情況下，完成上述的記切換功能，實(shí)現了成本和施工工作量的最低化?？傮w上系統提供的功能如下：電源屏雙路輸入遠程切換功能；各車(chē)站電源屏遠程切換系統與控制中心(工區微機監測機)的通信鏈路檢測；控制軟件實(shí)現用戶(hù)權限和操作錄管理功能。

雙路電源切換系統的總體結構如圖1所示，其中帶有LED指示燈的模塊為切換系統車(chē)站控制部分，模塊中的所有器件都安裝到一個(gè)壁掛的控制盒中，面板上帶有電源狀態(tài)和通信狀態(tài)顯示，系統在車(chē)站端不需要任何人工干預。各車(chē)站的電源切換統一由一個(gè)上位機程序控制。通信接口選用TCP／IP通信協(xié)議，達到10 Mb／s的通信速率，完全滿(mǎn)足現場(chǎng)通信速率的要求。系統的通信采用透明的協(xié)議，可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器，達到遠程切換電源的設計要求。

2 系統硬件關(guān)鍵技術(shù)
2．1 系統架構
電源遠程切換系統采用嵌入式系統設計，其內部結構圖如圖2所示。遠程切換系統采用ARM7平臺設計，其核心是一塊工業(yè)級的MiniArm工控模塊，用來(lái)完成繼電器驅動(dòng)、繼電器切換狀態(tài)的檢測、遠程切換命令的接收和通信狀態(tài)字的發(fā)送等功能。系統的供電由切換系統的輸出220 VAC經(jīng)過(guò)高可靠性開(kāi)關(guān)電源輸出24 VDC提供?？刂坪械拿姘迳显O計有系統用電源的指示燈、系統工作狀態(tài)指示燈以及TCP／IP連接、通信狀態(tài)指示燈?？刂坪械南路皆O置了接線(xiàn)端子和RJ 45以太網(wǎng)通信接口，接線(xiàn)端子的作用有：控制JPXC-1000偏極繼電器的吸起、檢測JPXC-1000吸起狀態(tài)。

在硬件設計時(shí)，要求如果兩路電源都發(fā)生斷電故障，則系統也斷電，通信狀態(tài)中斷。本系統并不采集兩路電源供電狀態(tài)，因為現有的微機監測系統已經(jīng)完成了這部分工作。而且如果兩路電源都發(fā)生斷電故障，任何控制都是無(wú)效的。
2．2 雙路電源切換原理
為了滿(mǎn)足遠程雙路電源切換的要求，而又不影響原手動(dòng)切換的功能，本系統設計的切換電路是在原繼電系統電路上增加了兩個(gè)安全型繼電器JPXC-1000，通過(guò)對安全型繼電器JPXC-1000的遠程控制達到動(dòng)作交流接觸器，并由接觸器完成雙路電源切換的功能，其物理功能上類(lèi)似于人工手動(dòng)摁壓切換開(kāi)關(guān)。切換電路原理如圖3所示。

從圖3可以看出，當需要遠程控制從I路切換到Ⅱ路電源時(shí)，微機監測的計算機上操作切換動(dòng)作，發(fā)出切換命令，則車(chē)站的切換模塊收到切換命令后內部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)脈沖，在KM2-上產(chǎn)生24 VDC電壓，驅動(dòng)JPXC-1繼電器，在JPXC-2為落下的情況下JPXC-1繼電器得電吸起，這時(shí)交流接觸器1XLC線(xiàn)圈失電，交流接觸器1XLC落下，則交流接觸器2XLC線(xiàn)圈得電，交流接觸器2XLC吸起，電源由I路切換到Ⅱ路。動(dòng)作完成后，切換模塊停止產(chǎn)生動(dòng)態(tài)脈沖，JPXC-1繼電器落下，完成了一次切換操作。如果要從Ⅱ路切換到I路電源，原理相同。
從圖3還可看出，JPCX-1000型繼電器是串聯(lián)在交流接觸器的線(xiàn)圈電路上，JPCX-1000型繼電器節點(diǎn)上的電流即是交流接觸器的線(xiàn)圈電流，并不是電源負載電流。交流接觸器的線(xiàn)圈電流一般小于0．5 A，完全滿(mǎn)足設備維護規范要求。而且電源的切換時(shí)間與JPCX-1000型繼電器的動(dòng)作時(shí)間沒(méi)有任何關(guān)系，還是取決于交流接觸器的動(dòng)作時(shí)間，所以增加了JPCX-1000型繼電器后，對切換時(shí)間沒(méi)有影響。
2．3 系統供電
電源切換系統的下位機使用電源屏輸出的220 V／AC供電，當下位機控制電源屏進(jìn)行電源切換時(shí)，是否會(huì )導致下位機在控制電源屏切換未成功時(shí)，下位機掉電，導致下位機工作不正常。
根據系統參數，正常切換時(shí)，交流接觸器的切換時(shí)間要小于150 ms，而下位機在斷電200mS以下時(shí)，電源模塊中的儲能可維持系統正常工作，不會(huì )發(fā)生系統重新啟動(dòng)的情況。即使斷電時(shí)間超過(guò)200ms，系統重新啟動(dòng)，也不會(huì )影響原切換系統的工作。另外，其實(shí)在任何特殊故障情況下，由于重力影響，JPCX-1000型繼電器落下，絕不會(huì )影響原切換系統的正常工作，這也正是系統為什么選用JPCX-1000型繼電器的原因。除非原切換系統由于交流接觸器等關(guān)鍵部件發(fā)送切換故障，否則系統不會(huì )斷電。
2．4 數據采集和分析系統
電源質(zhì)量監測系統要求保證系統實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)采集電壓、電流量，以波形顯示的方式在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示當前電源情況，并判斷異常情況，實(shí)時(shí)監控完成報警；同時(shí)，監測的全部數據以數據壓縮的方式存儲到大容量存儲設備中。該設備主要組成部分有數據采集部分；數據存儲部分；數據傳輸部分；數據調閱部分；液晶顯示部分；報警電路部分。
實(shí)時(shí)監測采樣信號是通過(guò)計算信號諧波確定電源質(zhì)量的。諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。在電力系統中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負載所致。當電流流經(jīng)負載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導體晶閘管的開(kāi)關(guān)操作和二極管、半導體晶閘管的非線(xiàn)性特性，電力系統的某些設備如功率轉換器比較大的背離正弦曲線(xiàn)波形。

3 系統軟件設計
3．1 軟件流程設計
3．1．1 通信模塊
TCP／IP通信的任務(wù)分為服務(wù)器方式和客戶(hù)機方式兩種。服務(wù)器方式是需要監聽(tīng)連接，只有在與客戶(hù)機建立連接后才能進(jìn)行數據處理?？蛻?hù)機方式是主動(dòng)連接服務(wù)器，它也是在連接成功后才能進(jìn)行數據處理。TCP通信時(shí)服務(wù)器端和客戶(hù)機端通信的函數應用過(guò)程如圖4所示。

3．1．2 下位機主程序流程
下位機安裝在被控制電源屏的車(chē)站現場(chǎng)，通過(guò)TCP／IP協(xié)議接收上位機的控制命令，產(chǎn)牛動(dòng)態(tài)脈沖驅動(dòng)JPXC-1000繼電器，完成電源切換功能。下位機程序運行在μC／OSⅡ實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統下，由多個(gè)線(xiàn)程完成操作任務(wù)。其中，下位機主程序流程如圖5所示。從圖中可以看出，系統在設計時(shí)從安全角度出發(fā)，做了很多的條件判斷，以保證系統不會(huì )誤動(dòng)作，確保系統安全運行。

3．2 軟件操作界面
操作控制軟件由C++編寫(xiě)，上位機軟件安裝在微機監測機上，可以運行在Windows操作系統上，對計算機的系統配置沒(méi)有特殊要求，在能運行微機監測軟件的計算機上都能運行此程序。根據要完成的功能和系統本身特點(diǎn)，上位機軟件在設計時(shí)力求實(shí)用，界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單。下面通過(guò)界面來(lái)介紹軟件的基本功能和操作方法。
3．2．1 系統主操作界面
智能遠程電源切換控制系統主界面如圖6所示。界面上顯示了當前的車(chē)站名稱(chēng)，以及當前車(chē)站的網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)。紅色表示網(wǎng)絡(luò )中斷，綠色表示網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)良好。如果網(wǎng)絡(luò )中斷則界面右側的操作按鉗是灰色的，表示尢效。只有當網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)良好時(shí)，界面右側的操作按鈕才有效。這樣可以保證用戶(hù)不會(huì )發(fā)生誤操作。在進(jìn)行電源切換操作時(shí)，為了避免誤操作，設置了兩個(gè)步驟，首先要進(jìn)行準備切換操作，確認以后再進(jìn)行切換操作。每一步都有操作確認提示。

3．2．2 車(chē)站參數設置界面
車(chē)站參數設置的主要功能就是根據現場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )資源配置各車(chē)站的網(wǎng)絡(luò )參數。包括車(chē)站名稱(chēng)、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關(guān)?？梢栽诘玫綑嘞薜那闆r下，進(jìn)行刪除、修改、增加等操作。車(chē)站參數設置界面如圖7所示。

3．2．3 操作歷電數據界面
電源切換是有關(guān)安全的操作，在設置了用戶(hù)權限管理的基礎上，為了規范操作行為，系統還提供了歷史操作數據顯示界面，如圖8所示。顯示了操作的時(shí)間和對哪個(gè)車(chē)站進(jìn)行的具體操作。這樣，結合車(chē)站值班記錄就可以定位責任人。

另外，軟件系統包含授權控制部分。管理員密碼可以進(jìn)行任何操作，包括密碼的修改，網(wǎng)絡(luò )參數的修改，車(chē)站的增加和刪除等。而操作員密碼不能修改密碼，不能修改車(chē)站以及網(wǎng)絡(luò )參數，僅可以進(jìn)行電源切換操作，進(jìn)一步保證切換系統的整體安全性。
3．3 電源信號檢測系統軟件
本系統信號處理流程和界面設計，采用LabVIEW完成。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語(yǔ)言的顯著(zhù)區別是：其他計算機語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。圖9是上位機實(shí)時(shí)采集存儲的控制界面界面。圖(a)為正常數據采樣顯示圖；圖(b)為異常數據采樣顯示圖。第一張顯示是時(shí)域采樣信號；第二張是諧波分析顯示示意圖。

根據現場(chǎng)數據采集，經(jīng)過(guò)統計分析，正常數據和異常數據分析見(jiàn)表1，表2。從表中可以看出，當電流經(jīng)負載呈非線(xiàn)性特征時(shí)，即電路中出現非異常狀態(tài)，系統實(shí)時(shí)顯示并報警遠程控制端。

4 結語(yǔ)
本文討論了一種遠程電源切換系統，該系統能滿(mǎn)足鐵路現場(chǎng)對遠程操控電源切換的需求，有效提高了現場(chǎng)作業(yè)的工作效率，同時(shí)也實(shí)現了對各車(chē)站電源屏供電的集中控制。該系統的研制，不僅可滿(mǎn)足遠程電源切換的基本需要，而且為現場(chǎng)其他設備的遠程監控搭建了一個(gè)技術(shù)平臺，隨著(zhù)鐵路技術(shù)的進(jìn)步和新的需要的提出，可以在此平臺上實(shí)現對其他設備的臨控。另外，本系統在進(jìn)行“I路→Ⅱ路”切換的時(shí)候，并實(shí)時(shí)檢查Ⅱ路上電源狀態(tài)，若此時(shí)Ⅱ路上電源不正常，系統并不完成切換，而立即報警，進(jìn)一步提高了系統的穩定可靠性。