新型地铁杂散电流腐蚀监测与防护系统设计

2012-08-02胡爱国许少毅王彭鹏

上海电气技术 2012年2期

胡爱国，许少毅，王彭鹏

（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116）

目前，我国正在掀起建设地铁的高潮，在地铁的设计、建设和正常运营过程中，杂散电流的防护和监测问题是必须考虑的，并且政府在这方面投入了巨额的资金。地铁金属结构杂散电流的腐蚀及防护在国内外一直受到广泛的重视，当前应用于地铁杂散电流腐蚀监测的系统一般都是现场总线进行数据通信的集中式或者分布式系统[1]，为了实现实现杂散电流的远程监测，系统将杂散电流监控中心和地铁现有网络联系起来，实现数据共享和远程监控的功能，人机界面友好，有利于工作人员操作使用。

1 系统方案设计

针对地铁杂散电流腐蚀监测与防护方面存在的问题以及应用于实际的杂散电流腐蚀监测系统存在的不足，本文利用现有的地铁通讯网络，结合浏览器／服务器（Browser／Server，B／S）与客户机／服务器（Client／Server，C／S）混合模式结构，提出如图1所示的基于Web的新型腐蚀监测与防护综合系统[2]。

整个系统主要由客户端、Web服务器、数据库服务器、微机管理系统、智能监测装置、智能排流装置、单向导通装置、智能传感器组成。

微机管理系统、Web服务器、数据库服务器与公司内部计算机以及Internet远端客户端构成一个网络信息共享层，此层采用B／S（浏览器／服务器）模式，在网络上的任意一台计算机可以通过浏览器访问监控中心的Web服务器，Web服务器把客户端需要的数据信息以网页的形式发送给客户端，实现信息共享。

智能监测装置、智能排流装置以及单向导通装置通过地铁中的SCADA系统或地铁局域网组成系统监测控制层，此层采用C／S（客户机／服务器）模式，该层实现整个地铁线路中的智能监测装置、智能排流柜、单向导通装置与监控中心之间的通信连接，整个地铁线路中监测的腐蚀数据、防护装置的状态信息都集中在监控中心的计算上。微机管理系统是整个系统的大脑，处理各种数据，并把数据存入数据库服务器。由每个变电所内的智能监测装置与分布在变电所附近、地铁线路沿线的智能传感器组成变电所监测子层。该层能够实时监测变电所附近杂散电流腐蚀参数，并通过现场总线传输给变电所的智能监测装置，智能监测装置实时显示腐蚀数据，接收微机管理系统的命令，把数据传送给微机管理中心。

Web服务器与数据库服务器集成在一台计算机上，且与微机管理系统布置在总监控室内。智能监测装置与智能排流装置每个变电所各配置一台，单向导通装置根据地铁实际情况在需要的特殊地段进行配置，智能传感器根据实际情况沿地铁线布置。

图1 系统总体构成图

微机管理系统的计算机为工控机，配置有网络接口和打印机。微机管理系统与智能监测装置的通讯网络，可以选择地铁中的数据系集与监视控制（Supervisory Control／And Data Acquisition，SCADA）系统，也可以选择地铁办公局域网络，只需每个变电所为智能监测装置和智能排流装置提供RJ 45网络接口并分配固定IP地址即可[3－5]。

2 智能监测装置设计

在地铁杂散电流监测系统中，智能监测装置起到重要作用。它负责收集各个变电所或者车站附近的杂散电流腐蚀信息和轨道电位数据，经过相应的数据处理显示相关信息，更重要的是实现和监控系统的通讯功能，把所有传感器采集到的数据上传至监控中心的微机管理系统。智能监测装置通过现场总线与智能传感器通信采集杂散电流腐蚀数据，通过以太网完成向微机管理系统上传智能传感器采集的杂散电流相关数据，通过现场总线完成智能传感器与综合自动化系统间信号传输转换。根据整个监测与防护系统需要，设计了基于LM 3 S 8962的杂散电流监测装置，监测装置的硬件结构如图2所示。

图2 监测装置原理框图

LM 3 S 8962是一款用于工业控制的32位高速嵌入式微处理器；内部集成了以太网和UART控制器，所以只需要增加相应的电平转换器件、总线收发器、网络隔离变压器以及若干外围器件即可以实现上述通讯功能。RS 485总线收发器分别选用Sipex公司的SP 3485型号的总线收发器，工作电压为3.3 V，芯片IC 1为SP 3485总线收发器，芯片IC 2，IC 3，IC 4均为 TLP 521－1光耦，为了使 RS 485通讯更为可靠，确保总线上各个节点之间电气完全隔离，LM 3 S 8962和SP 3485之间通过TLP 521光耦相连。RS 485通讯接口电路如图3所示。

图3 RS 485通讯接口电路

网络变压器选用汉仁公司的HR 601680芯片，以太网通讯接口电路如图4所示。

网络变压器选用汉仁公司的HR 601680芯片，选用RJ 45以太网传输网口进行信号传输，以太网通讯接口电路如图4所示。芯片IC 5为网络变压器HR 601680，JP 1为RJ 45网口，将两这之间的TX＋，TX－，RX＋，RX－，分别连接起来，同时RJ 45接口10，11的保护地跟信号地没有采用直接连接，而是之间连接了一个104陶瓷电容，这样减少了电磁干扰并提高了电路的抗静电能力。

图4 以太网通讯接口电路

3 监控软件功能分析与设计

监控软件编程采用C＃软件实现。C＃是微软为NET Framework量身订做的程序语言，C＃拥有C／C＋＋的强大功能以及Visual Basic简易使用的特性，是第一个组件导向的程序语言，与C＋＋、Java一样为对象导向程序语言。C＃功能丰富强大，而且界面友好，使用起来很方便，尤其适合人机交互界面的开发。另外，C＃具有强大的数据库开发功能和网络通讯功能，提供了各种ActiveX对象和网络通讯组件使得开发程序变得更为方便[6]。

监控软件具备杂散电流监测、轨道电位监测、防护设备监控3大块。杂散电流和轨道电位监测部分具有数据处理、显示、存储、查询、参数设定功能；防护设备监控部分具备排流柜的运行状态显示功能、故障状态以及控制命令的发送功能。

微机管理计算机监控软件主要对地铁沿线所有监测点杂散电流腐蚀数据以及防护装置的状态数据进行集中处理，实现数据存储、曲线显示、数据查询、数据打印、防护装置状态显示，排流量计算、故障报警、远程通讯控制等功能。

3.1 杂散电流监测界面

杂散电流腐蚀的指标是埋地金属结构极化电位，软件实现对其监测，把各个传感器采集到的极化电位大小显示出来，根据大小做出相应的判断。如图5所示。界面中设有300 m V安全线、500 m V警戒线和1 000 m V腐蚀危险线，每个传感器监测到的极化电位大小通过立柱图的形式显示出来，使得用户对整体腐蚀状态有一个直观的总体认识。由于一条线路上的传感器众多无法在一页显示完全，可以通过滚动条拖动查看更多信息，每个立柱代表一个传感器，可以单击了解每个传感器的编号、位置、所处供电区间以及极化电位具体大小等信息。当极化电位超标时会有报警信息提醒操作人员，连续超过500 m V一段时间报警，时间可以在系统参数中进行人为设定，超过1 000 m V则立即报警。界面中的校正命令主要实现系统对监测装置的时间校正；启动设定可以人为设定下次软件启动时的界面，可选主界面、杂散电流监测界面、轨道电位监测界面或者防护设备界面；系统参数主要完成对报警时间设定，各个传感器具体参数的修改。