基于PLC铁路远动控制系统的研究

李壮

（辽宁铁道职业技术学院电气工程系，辽宁锦州 121000）

基于PLC铁路远动控制系统的研究

李壮

（辽宁铁道职业技术学院电气工程系，辽宁锦州 121000）

随着我国高速铁路快速建设，电气化技术的要求不断提高，铁路远动控制的广泛应用，使得电气化铁路供电系统的现代化程度和可靠性也随之不断提升.本文针对现场情况研究开发一整套基于PLC的铁路远动系统.该系统能够实现对铁路沿线各牵引变电所、分区所、开闭所等牵引供电系统运行状态的监控，实现调度管理、事故分析及处理等功能.系统结构主要包括模拟牵引变电所、模拟牵引供电设施、模拟沙盘等.

PLC；铁路远动系统；通信网络；牵引供电系统

前言

“充分利用电气化手段，把几个非连接的通道相互连接，完成设备的集中监测和控制，实现远方处于分散状态的集中管理的生产过程”这就是所谓远动控制系统的一般定义.在电气化铁道技术方面，牵引供电远动系统就是远动系统的—个最典型应用.随着控制理论与控制工程、微机原理、通信理论与通信工程等学科的不断发展，牵引供电远动技术逐渐成为了一个独立学科，与此同时伴随着这些技术的进步而飞速发展.以微机为基础，PLC为核心的远动远动控制系统能够对生产过程进行控制，并实现调度自动化.它能够监控现场设备的运行，实现数据采集、控制过程、测量及调节参数、通信、报警等作用.由于各个应用领域的发展不同，使得不同应用领域对系统的要求也不完全相同，远动系统主要应用在铁路牵引供电系统中[1].

1 总体设计

根据牵引供电系统的应用要求和功能标准，依据系统的总体方案，首先进行选型.一般来说，由于针对中小型系统，所以远动系统应该满足功能和复杂性的要求，同时考虑到目前常用的联网问题以及以后扩展功能的实现，整体规划希望实现难易程度、成本、操作适应性等要素，本系统采用PLC加上位计算机的控制总体方案.

1.1 系统总体结构

上下位机结构控制组成的铁路远动控制系统，三台工作站计算机构成调度员上位机，各搭配一台数据打印机.下位机由六台德国西门子公司的PLC构成.由于考虑到有效和可靠的PLC，所以作为下位机能实现分散控制.考虑到具有良好的人机界面，所以采用计算机作为上位机对全系统进行管理与监控.通过通信网络可以实现上位与下位机、计算机与PLC、PLC之间的信息传输与交换.在远动控制系统中，一般使用上位计算机进行程序编译、建立数据库、设置与更改参数、在线显示波形图形，但是没有参与现场控制，PLC才是现场的执行者，所以，如果上位机出现了故障，并不能把影响扩大化，当时工作过程仍然能够正常运行.所以在功能上为了保证了牵引变电所的远动控制的实时性和可靠性，上下位机之间要求实现互补.同时为了能够实时显示各工作站状况，模拟显示盘被使用到该控制系统中.硬件系统和软件系统两大部分构成了一整套控制系统.

1.2 硬件设计与分析

ProgrammableController（称PC）即可编程序控制器.但因为我们容易把个人计算机和PC混淆，所以人们就把可编程序控制器区别成PLC的缩写.为工业现场应用而设计，作为电子系统装置它主要用微处理器为核心的实现数字运算操作.数据的采集利用模拟式和数字式的输入输出接口.采用存储器能对程序进行修改，存储器内部用来执行顺序控制、中断程序、运算逻辑、数字运算和定时或计数等操作指令，完成各种机械制造或生产过程的自动控制.结合计算机技术与过去的接触继电控制技术的PLC，传统接触继电控制系统的接触器触点的接线成本高、效率差、可靠性低、兼容性和灵活性差的缺点能够克服了，既能够适应现场电气操作维修人员的习惯与技能，又利用了微处理器的优点，尤其是程序编制方面，PLC不使用专门的微机编程语言体系，而是以继电器梯形图为基础利用简单指令语句，达到编制程序简易、直观、形象、简明易改；故障查找与联调联试也都很方便.新用户只需在购到所需的PLC后，依照说明书上的提示，用户就可以编制简易的用户程序以及少量的接线，就可在生产实践中灵活应用PLC[2].

德国西门子公司是国际著名生产可编程控制器的厂家之一，S7系列大、中、小、微型机都各有特点，S7-300是小型机S7-200的升级产品，它外观优雅，功能齐全.S7-300是在S7-200的所有优点基础上拓展了S7-300的多种功能，S7-300属于一种功能完善的紧凑型PLC和S7-200一样，S7-300结构采用无底版模块，一般模块之间相连用总线连接器.既能够节省空间又可以灵活的进行系统配置. S7-300取代S7-200，主要是替代它的CPU单元，而S7-200的大部分单元都可继续使用.S7-300CPU单元内置32个输入点，通过RS232C串行通信口实现其他单元的通信，同时实现S7-300与上位机连接、1:1无协议连接等.

S7-300拥有CPU单元、电源单元、存储单元、输入/输出单元、内装无底板、特殊功能及通信单元等，主要结构如下：(1)主机.中央处理器（CPU）、主机部分主要由系统程序存储器和用户数据程序存储器两部分.PLC的核心是CPU，它的作用是实时监控输入/输出接口情况、用户程序编译运行、逻辑运算/判断和数据处理，可归纳为输入变量的读取、根据要求操作各种指令规定，从输出端将结果送出，最后外接设备（如开关、电机等）进行各种内部判断响应请求等.可编程控制器的内部存储器有三类，一种是系统管理程序存放和程序监视系统及输入程序并编译处理程序的系统程序存储器；一种是数据和操作程序存储器，主要存放好的用户应用程序及各种暂存结果和中间数据；最后一种是兼容暂时和永久结果存储器.(2)输出/输入接口.这些接口是连接PLC与输入/输出设备的中间环节.输入接口主要采集输入设备的控制信号，输入设备包括传感器、开关、光电耦合触点、行程按钮等.微机处理后的结果通过放大电路放大后通过输出接口输出，来驱动继电器、电磁阀、电机、信号灯等输出设备.为了提高I/O接口可靠性一般采用光电耦合电路以减少电磁干扰.通常衡量PLC的一项重要技术参数就是I/O点数（即输出/输入端子数），一般从十几个到几百个点不等，甚至大型机将超过千点.(3)编程.利用PLC外部设备根据需要编译程序，用来输入、更改、判断、程序调试或监视生产过程情况.PLC与电脑联接是通过PC/MPI电缆线的，采用编程软件进行程序编译和监控.(4)扩展传输单元.扩展I/O接口用于扩充外部点数，把扩展单元与主机连接在一起，用以完成相应的操作[3].

2 PLC网络通信系统

通信单元采用直接或间接方式，可以把可编程序控制器与微机相连组成网络，满足信息交换的要求，再按功能把远程输入输出模块各自放置在铁路现场进行分散控制，然后用通信技术连接起来网络，构成集中管理的分布式网络系统.最终实现“集中管理、分散控制”的模式.典型的远动控制系统就是分布式控制系统，满足铁路电气化远动控制要求，一般是三级网络结构，分别是现场设备层、站段监控层、电调管理层：(1)现场设备层.连接现场设备是这层主要功能，利用分布式传感器、驱动器等执行元件，完成现场执行机构达到设备间互锁控制.(2)站段监控层.站段监控层是用来完成供电臂或供电区间之间电气设备的连接，实现站段级设备的监控.可采用PROFIBUS-FMS或工业以太网.(3)电调管理层.电调管理层作为铁路远动控制系统的神经中枢，有着最高的监视级别和控制级别.所以管理层通常TCP/IP通信协议标准.

2.1 上位计算机与PLC之间的通信

网络连接主要采用并行和串行两种数据通信方式.并行特点是快速传送数据，缺点是当进行远距离通信时，通信线粗且多导致成本较高；串行通信优点是适合速度要求不是很高并且近距离传输的场合，所以目前串行通信发展很迅猛，Mbit/s数量级传输速率都可以实现，所以远动分布式测控系统中普遍采用串行数据通信.

MPI是多点接口（MultiPointInterface）的简称，S7-300CPU就是集成了MPI通信协议，MPI的物理层是RS232C，最大传输速率为12Mbit/s.PLC通过MPI/PPI能同时连接运行编程软件STEP7、微机、操作界面（HMI）等.通过分析整个铁路远动控制系统，了解其用途、功能和应用对象，兼顾其经济性等各方面的，选用RS232C通信接口是很理想的.

2.2 PLC与PLC之间的通信

本系统下位机由四台德国西门子公司的PLC组成，各由一台PLC控制显示屏、变电所等，一般采用通过FA网络实现每台PLC之间的通信与数据交换.电调工作站的PLC与其他各分所的PLC构成“主从式”网络.远动控制系统网络自动化FA是微电子技术、自动控制技术、管理信息化等技术相互结合和渗透的产物.计算机组网技术是自动化的核心，它是实现高度自动化模式的关键.工业级网络一体化的通信方式有：

a.现场总线PROFIBUS,它是用于车间级和现场级的国际标准，传输速率为20Mbps，响应时间的设定值为5ms，使用铜屏蔽的双股绞线光缆，实现137个子站连接.PROFIBUS由4个系列组成，特别适用于PLC与铁路现场分散的远程控制设备之间的快速数据交换通信.使用编程软件STEP7，可对网络设备组态或参数进行设置.西门子的S7系列可编程序控制器一般都装有集成的PROFIBUS-DP接口，也可以扩展接口模块或连接通信处理器到PROFIBUS-DP.通过I/O接口或接口模块多条PROFIBUS-DP线路就可以与可编程序控制器建立通信.

b.工业以太网

为了实现管理-控制网络的一体化，工业以太网采用“集中-分散”的控制方式.它能够连接到互联网，国际联网为其提供了条件，属于开放式网络.以太网已经建成1124站的规模，可以传送达220km或550km.其网络使用TCP/IP协议的计算机传输数据将信息技术集成到控制网络中，可使用E-mail和Web技术，用户可在工业以太网的Socket接口上编制自己的协议，就可以根据实际需要对网络中的任何一点进行故障处理和操作监控，这就构成冗余系统.S7-300具有通信处理器可以连接到以太网通信模块，连接两个以上以太网可以采用远程访问路由器实现远程通信.

3 结束语

伴随着我国铁路电气化的高速发展，广泛应用的铁路远动控制系统是保障铁路高速、安全和可靠运行的有效手段.因而铁路远动控制系统需要日益完善和加强投入，本系统研究开发功能较为完善、成本较低、能满足铁路远动控制现场需要，具有一定的现实意义.

[1]钱清泉.电气化铁道远动监控技术[M].北京：中国铁道出版社，2000.

[2]唐涛.电力系统厂站自动技术的发展与展望[J].电力系统自动化，2004（Z）.

[3]李炎.德国铁路电力技术的成熟经验[J].中国铁路，2006,（1）:56-57.

Onthe Railway Remote Control System Basedon PLC

LI Zhuang
(Liaoning Railway Vocational And Technical College, Jinzhou Liaoning 121000)

With the rapid development of high-speed railway in China, the demand of electrical technology is increasing. The extensive application of the railway remote control improves the modernization degree of and the reliability of power supply of electrified railway system. According to the situation at the scene, this paper develops a set of the railway remote control system based on PLC. The system can realize the close monitoring of traction power supply system running state, such as traction substation, partition, sub section post along the railway, realize functions such as accomplishing dispatching management, accident analysis and processing. The structure mainly includes the simulation of traction substation, simulation of traction power supply facilities, sand table simulation etc.

PLC; Railway Remote Control System; Communications Network; Traction Power Supply System

TM921

A

1672-2094(2013)05-0155-03

责任编辑：张隆辉

2013-08-09

李壮(1984-)，男，辽宁锦州人，辽宁铁道职业技术学院电气工程系助教，硕士.