基于PCM的磁懸浮列車(chē)信號監測系統研究

摘要：以磁懸浮列車(chē)為對象，采用SIEMENS公司的PLC，研究了列車(chē)信號監測系統，提出了智能式和非智能式兩種方案，并對兩種分布式網(wǎng)絡(luò )、MPI網(wǎng)絡(luò )和CP340與上位機的通信進(jìn)行了研究，給出了具體的實(shí)現方法。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 監測系統 分布式網(wǎng)絡(luò )

磁懸浮列車(chē)突破了普通鐵路交通系統中使用車(chē)輪和軌道的傳統技術(shù)界限，是沒(méi)有車(chē)輪的、無(wú)接觸的新型軌道交通工具，被譽(yù)為二十一世紀理想的交通工具。對于交通運輸系統，安全是第一因素。因此，本文以磁懸浮列車(chē)為對象，主要研究基于PLC的列車(chē)信號監測系統（Maglev Train Monitoring System，簡(jiǎn)稱(chēng)MTMS）。

PLC現已成功運用在國內外大量的輕軌車(chē)系統中，如德國SIEMENS公司DUEWAG AG （Krefeld-Verdingen）制造動(dòng)力分散型輕軌車(chē)RegioSprinter，實(shí)現了多功能的分散控制，操作方便、容易監視。本文采用SIEMENS公司的S7-300系列小型PLC來(lái)實(shí)現車(chē)載監測系統。

1 MTMS的分析和設計

1.1 系統分析

MTMS主要實(shí)現對計算機聯(lián)鎖系統和車(chē)體信號設備進(jìn)行監視和故障診斷，主要完成對車(chē)載3×16臺懸浮控制器、3×2臺推進(jìn)用逆變器、3×1臺DC-DC變換器及備用電池、3×1臺空調逆變器以及其它輔助電源（以三輸車(chē)為例）的工作狀態(tài)、故障信息的檢測和記錄，并將獲得的信息傳給上位機去處理并顯示。由于列車(chē)速度快、信號量較多、環(huán)境復雜，因此MTMS系統必須有較強的實(shí)時(shí)性、可靠性，并且可以采集大量的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號。經(jīng)比較，本文選擇了SIEMENS公司的S7-300型PLC組成PLC網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現。

1.2 方案設計

本文以三輛車(chē)為例，分別稱(chēng)首車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)。各節車(chē)廂通過(guò)各種傳感器獨立完成各自的信號檢測，通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)將信息匯總于首、尾兩車(chē)，進(jìn)行顯示。各節車(chē)廂的PLC組成遠程分布式I/O系統，各個(gè)站之間采用DP協(xié)議進(jìn)行通信。該系統分為智能的和非智能的兩種。MTMS的系統組成如圖1所示。

各站采用S7-300的十個(gè)槽的導軌、PS307（5A）的電源，用SM321（DI）、SM331（AI）實(shí)現A/D轉換。主站均采用CPU315-2，智能的從站也用CPU315-2，但非智能的從站則用ET200（IM153-1）。首尾兩車(chē)各加一個(gè)CP340模塊，用于與上位機進(jìn)行通信。主站的多點(diǎn)通信接口（MPI口）與駕駛系統進(jìn)行通信。在選模塊的時(shí)候，應注意選擇的模塊要滿(mǎn)足列車(chē)所在地的溫度要求，保證各個(gè)模塊能夠正常工作。

2 分布式網(wǎng)絡(luò )實(shí)現

智能和非智能主要指從站是否具有獨立的數據處理能力，用SIEMENS公司的STEP7 5.0進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )設計時(shí)，二者有很大的區別。

2.1 智能分布式I/O系統

對于智能分布式I/O系統而言，各站相對獨立。將首車(chē)配置成主站，中間車(chē)和尾車(chē)設成從站，用PROFIBUS總線(xiàn)進(jìn)行連接。

2.1.1 具體步驟

（1）創(chuàng )建項目，獨立配置各站。其中模擬模塊要進(jìn)行參數設置，根據要接收的信號種類(lèi)，選擇信號類(lèi)型以及測量范圍。

(2)加入PROFIBUS子網(wǎng)，配置網(wǎng)絡(luò )，界面如圖2所示。然后插入Dp Master，連接從站（將各CPU取到PROFIBUS之后，點(diǎn)擊DP MASTER，從組件中拖進(jìn)CONFIGURATION STATIONS，在彈出的界面中選擇要連接的站，單擊CONNCT）。

（3）在DP SLAVE中定義數據交換的類(lèi)型、緩沖區和長(cháng)度。類(lèi)型選擇MS方式，長(cháng)度不能超過(guò)32個(gè)字節。如果傳輸的數據大于32個(gè)字節，可以組態(tài)多行，但最多不能超過(guò)242個(gè)字節，如圖3所示。而主站的這些內容是不能定義。

（4）在BLOCK中添加OB82診斷模塊。系統運行之前，OB82模塊要對系統進(jìn)行診斷，并將結果報告給CPU。如果沒(méi)有錯誤，系統將正常地工作，否則不能進(jìn)行工作。

（5）保存并編譯。這樣，就完成了智能型分布式I/O的組態(tài)。

2.1.2 通信程序

在OB塊中調用系統功能塊SFC14（OPRD-DAT）和SFC15（DPWDDAT）進(jìn)行通信。

CALL “DPWR_DAT” CALL “DPRD_DAT”

LADDR：= LADDR：=

RET_VAL：= RECORD：=

RECORD：= RET+VAL：=

二者的參數“LADDR”表示發(fā)送和接收緩沖區起始地址，“RET-VAL”表示返回狀態(tài)值，“RECORD”表示存放數據和讀取數據的起始地址，詳細編程略。

2.2 非智能分布式I/O網(wǎng)絡(luò )

非智能分布式I/O系統必須以主站為依靠，利用PROFIBUS連接各站，具體如圖4所示。主站可以直接從從站的A/D端口讀取所需要的信息。

具體步驟為：

（1）創(chuàng )建項目，組態(tài)主站。

（2）加入PROFIBUS子網(wǎng)，連入ET200。

（3）在主站的硬件組態(tài)中，對ET200進(jìn)行組態(tài)。

（4）編程，在主站的OB塊中可以直接對從站的各個(gè)端口進(jìn)行操作，無(wú)需額外調用功能塊。

（5）保存并編譯，將程序下載到CPU中。

2.3 MPI網(wǎng)絡(luò )通信

列車(chē)的MTMS系統是一個(gè)完整的系統，它與列車(chē)駕駛系統的PLC采用MPI網(wǎng)絡(luò )連接，進(jìn)行全局數據通信。將主站和駕駛系統的PLC組成MPI網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行少量的全局數據通信。

具體步驟為：

（1）在分布式網(wǎng)絡(luò )組態(tài)中加入MPI子網(wǎng)，并將與駕駛系統通信的PLC連入MPI網(wǎng)絡(luò )中。

（2）組態(tài)全局數據包。右鍵單擊MPI，進(jìn)入CPNFIGURE GLOBAL DATA。加入要進(jìn)行通信的CPU，并填入要交換的數據，注意一個(gè)GD包不能大于24個(gè)字節。將GD包編譯兩次（以可組多個(gè)GD包，但是需要多個(gè)循環(huán)才能執行完畢）。編譯之后如圖5所示。

在CPU的每次循環(huán)中，兩個(gè)PLC之間都進(jìn)行了一次數據交換，在循環(huán)的結束時(shí)處理發(fā)送，開(kāi)始時(shí)處理接收。這樣就實(shí)現了與駕駛系統之間的通信。

3 PLC與上位機的通信

主站最終要把獲取的信息傳給上位機進(jìn)行顯示，由CP340來(lái)完成這項工作。CP340是具有RS232和RS485兩種接口的智能通信模塊，它可以使PLC與計算機進(jìn)行對點(diǎn)通信。它的RS485接口采用差動(dòng)輸出，具有遠距離通信的能力（1100m），能夠滿(mǎn)足需要。它對上位機的串口進(jìn)行操作，使用ASCII協(xié)議。在組態(tài)的時(shí)候要對它進(jìn)行參數設置，包括通信的波物率、幀的長(cháng)度、有無(wú)奇偶校驗以及校驗類(lèi)型。程序中對CP340的操作主要由CP軟件包提供的FB2（P-RCV）和FB3（P-SEND）完成，它發(fā)送和接收的數據必須要放在數據塊中。這樣上位機可以在串口發(fā)送或接收數據，通信數據的數量則沒(méi)有限制。

對于兩種網(wǎng)絡(luò )，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。智能的組態(tài)和編程都很方便，便于擴展，速度比較快，但是造價(jià)較高；而非智能的擴展時(shí)的變動(dòng)很大，要牽扯到整個(gè)系統，速度相對慢一睦，但是它比較便宜。