应用光通讯技术解决大型架空索道PLC系统通信单元防雷的问题

2017-05-16赵忠强

中国特种设备安全 2017年4期

关键词：调制解调器天门索道

栗咏赵忠强

(泰安市泰山索道运营中心泰安 271000)

应用光通讯技术解决大型架空索道PLC系统通信单元防雷的问题

栗咏赵忠强

(泰安市泰山索道运营中心泰安 271000)

针对“泰山中天门索道PLC控制系统常被雷击”的问题，泰山索道运营中心采用光通讯技术改造升级原有通讯系统的技术方案。从 2014年5月竣工到2016年10月，在这两年半的实际运行期间泰山中天门索道多次遭遇落雷，而PLC控制系统通信单元没有因雷击发生过任何故障，实现了技术进步并取得了良好的经济和社会效益。验证了：“在索道技术领域应用光通讯技术构建新型通信与控制系统的可行性和必要性”。

客运索道 PLC系统防雷感应雷侵入 RS485通讯光通讯

“索道”顾名思义就是在缆索之上建立的道路，索道的历史可以追溯到古代名为“撞”的溜索；古往今来索道都是一种独特的运输工具，今天的现代化索道已经是当之无愧的高技术含量的大型现代化特种设备，具有高度自动化的控制系统和庞大而复杂的机械结构，广泛应用于地形复杂的山岳、海峡、矿山等场所，按照用途可以分为货物运输、交通摆渡、休闲娱乐、游览观光、体育赛事等，目前在我国80%以上的大型索道都是应用于山岳（河流、海峡）地带旅游观光的载人运输；这些索道都具有以下的共同特点：

1）索道的站间距离长达数百米至数十千米不等；

2）两站之间铺设架空的运载索(即：钢丝绳）和信号电缆；

3）索道的架设位置通常会突兀的耸立在野外，上部没有遮蔽物，整条索道都暴露在室外环境下；

4）现代大型索道的控制系统绝大多数采用PLC（可编程序控制器）对索道各站点的设备实现自动化管理和控制。

毫无疑问在这种运行环境中PLC控制系统必定容易受到雷击，所以“避雷”一直是各大型索道的重要技术攻坚工作。以泰山中天门索道为例，索道自1983建成时运至今已经安全运行33年；2000年10月改建为当时世界领先的8人吊厢脱挂抱索器单线循环式索道，驱动站与迂回站相距2089.16m、高差597m、每小时运力是3260人次；主控系统采用世界一流安全PLC制造商皮尔兹公司的PSS300型产品，时至今日仍然是经典的高可靠性索道控制系统；但是该系统也无法避免感应雷通过RS485通讯电缆中的双绞线入侵索道控制系统。单单中天门索道2000年至2013年由于雷击导致的控制系统维修开支直接经济损失累计超过200万元，导致的营运减产以及品牌美誉度折损更是损失巨大；2013年泰山索道运营中心成立专项课题小组提出“应用光通讯技术改造升级原有通信系统的技术方案”，自2014年5月份项目竣工，截止到2016年的10月份两年半的时间里泰山中天门索道的PLC控制系统通讯单元没有因雷击发生过任何故障，验证了：“在索道技术领域应用光通讯技术构建新型通信与控制系统的先进性和必要性”。

1 改造前的状况和改造的必要性

中天门索道自2000年建成之初，便存在控制系统触摸屏易遭感应雷雷击的问题；每逢索道沿线发生强雷电都会有触摸屏被雷电击毁，导致索道故障停运。触摸屏是索道控制PLC的人际交互界面，触摸屏工作失常操控人员就无法获取PLC提供的关键运行数据，无法掌握索道的技术状况，因此索道运维人员拟定索道运行与检修方案缺乏关键技术数据的支撑；可见触摸屏是索道控制系统的关键度部件，它的重要性不言而喻。

为了克服触摸屏容易被雷电击毁的问题，泰山索道运营中心的技术人员会同制造商多贝马亚索道设备公司（设备供应商）及皮尔兹公司的技术人员研究决定：在通讯线路和供电线路中各增加一级电涌抑制器，用于泄放雷电涌流，防御雷击。方案很快落实，但是收效甚微，每年还是会有多台次触摸屏被雷击损坏甚至报废。把遭受雷击的触摸屏拆检后，发现雷电沿着RS485通讯线路侵入触摸屏内部，击毁了触摸屏的部分电涌敏感器件，导致设备瘫痪或报废。

又尝试了通过临时切断RS485线路与PLC的连接的方式避雷，随之而来的是通讯中断、静电损坏触摸屏、切断时机不对等等棘手的问题。进一步提升索道控制系统的抗雷击能力和运行稳定性，仍然是一件羁绊中天门索道运行安全和营运效益的大事；必须找到一个更有效的技术方案来解决这个问题。

2 改造方案的生成与核心器件的选型

2.1 方案思路的形成

中天门索道中天门站（驱动站）与南天门站（回转站）的PLC的通讯原理如图1所示：

330A2和730A2（两个调制解调器）不仅连接着触摸屏还分别连接着两站的CPU，一直以来，330A2、730A2和两站的CPU板卡都没有被雷电毁坏过，可见330A2和730A2的RS232通讯线路的抗电涌性能出众；为什么同一台调制解调器的两部分电气结构会有如此大的技术差异。深入研究这个器件，它内含两个主要功能部分：一是RS485的传输部分，二是RS232的传输部分。调制解调器330A2、730A2电气原理图如图2所示。

图1 中天门索道PLC通讯系统示意图

图2 调制解调器电气原理图

连接PLC的RS232部件与连接触摸屏和双绞线通信线路的RS485部件之间有一套隔离组件将他们在电气连接上隔离，实际上也就起到了将雷电涌阻挡在RS232通讯回路之外的作用，阻断了雷电涌攻击PLC的路径，有效保护了PLC主机，而RS485的两条信号线路上只有压敏泄放电路，只能被动的将雷电涌的幅值拉低，并不能从根本上起到阻断雷电入侵的作用。

以此为论据笔者设计了一个初步的技术升级思路，即：从源头上切断雷电的入侵路径。什么样的技术手段能够将RS485信号传输2300m而且性能稳定，抗干扰能力强，不受雷电的影响。

RS-485的电气特性：采用差分信号负逻辑，逻辑“0”以两线间的电压差为+(2～6)V表示；逻辑“1”以两线间的电压差为-(2～6)V表示，数据最高传输速率为10Mbps。由此可知RS485信号是一种低电平数字信号，可以很方便地将其装换成其他波导的开关量信号。经过多次调研发现，只有光纤通讯可以满足这些条件；使用光纤替代现有的双绞线进行RS485通讯的构思浮出水面。使用光电转换器将电信号和光信号互相转换，通过光纤传递光信号，完成RS485信号的远距离稳定传输。

2.2 核心器件的选型

常用石英光纤分为多模光纤和单模光纤；单模光缆的特性是，与单模激光器配合使用只传输一个光斑（主模）信号，光线沿光纤的轴心传输完全避免了色散和光能量的浪费，单模光纤传输的波长一般为1310nm和1550nm更接近石英玻璃的最小衰减波长，所以较多模光缆配合多模激光器传输多个光斑，在无中继的情况下G652单模光纤使用2.5G/S的传输速率传输距离可达100kM适合RS485信号的远距离高稳定性传输，相较多模光纤更适合于中天门索道的技改技术要求。2014年5月份中天门索道两站间专门架设一根复合单模光纤光缆的新通讯电缆。

光电转换器的选型是一个承上启下的工作，新光电转换器的技术性能要与既有设备的技术性能相匹配。既有的调制解调器是一款性能出众的RS232—RS485信号转换器，它的RS485信号传输距离远远突破了国际电工组织公认的1300m传输距离极限标准，在无中继器的前提下达到了2300m（中天索道驱动站和迂回站间的信号电缆长度）的实际可靠传输距离，要为它选一个性能匹配的RS485信号光电转换器，同时还要满足使用单模光纤传输信号的要求。调制解调器的主要技术参数见表1。

表1 调制解调器技术数据概述

以此为依据笔者查阅了，西门子、三菱、欧姆龙、菲尼克斯等多个品牌的产品技术资料，最终邀请菲尼克斯的工程技术人员到现场进行了实地技术调研和产品说明；着重讨论了光电转换器和调制解调器的匹配、光电转换器的应用稳定性与可靠性，共同草拟了一份技术示意图并论证了方案的可行性。如图3所示，使用新增的RS485光通讯回路替代既有的双绞线，从而消除感应雷的侵入途径，达成保护站内设备的目标。

图3 技术升级后中天门索道PLC的通讯示意图

该方案的传输效果，主要依托两台新增光电转换器的技术性能是否满足既有设备技术条件地要求。鉴于既有调制解调器的技术性能，笔者从多款备选器件里确定了一款性能最符合要求地光电转换器，它的主要性能参数如下：

光电转换器，内置光信号诊断功能，报警触点，用于速率高达500kbps的RS-485 2线制总线系统（SUCONET K、MODBUS...），NRZ编码，带1个FO接口（SC双口）的终端设备，光波长1300nm，适用于石英光纤。

表2 菲尼克斯光电转换器参数表

串口接口1 RS-485接口，2线制操作模式半双工连接方式可插拔螺钉连接文件格式／编码 UART（11/10bit可切换；NRZ非回零码)，防滑数据方向切换自动控制传输介质铜传输长度/m ≤1200 (取决于数据速率，屏蔽绞合数据电缆)终端电阻/Ω 390 220 390（可连接）AWG/kcmil导线最小横截面 24 AWG/kcmil导线最大横截面 14串行传输率（kbps） 4.8/9.6/19.2/38.4/57.6/75/93.75/115.2/136/1 87.5/375/500光口FO波长/nm 1300传输长度，包括3 dB系统裕度/km 25（F-G 50/125 0.7dB/km，1300nm）22（1300nm时 F-G 62.5/125 0.8dB/km) 45（在1300nm时带 F-E 9/125 0.4dB/km)传输介质多模石英光纤单模石英光纤传输协议 RS-485接口，协议透明连接方式 SC双工故障警告输出60 DC 42 AC限制连续电流/A 1最大切换电压/V

电源电源电压范围 18V DC ... 32V DC典型电流耗量/mA 170（24V DC)连接方式插拔式COMBICON螺钉接线端子位失真，输入/% ±35（允许）位失真输出/% ＜6.25电隔离 (VCC // RS-485)测试电压数据接口／电源 1.5kVrms(50Hz，1min)

分析这些数据可以确定，这款光电转换器符合安全性、电磁兼容性标准，信号的传输协议、传输距离、传输速率、传输介质均达到要求，MTBF(平均故障间隔时间)指标也相当好，电源等外围配置技术指标完全符合选型要求。

3 方案实施与设备调试

光通讯技术替代RS485原有的双绞线传输能否成功，关键是能否把理想的技术方案转化成索道设备。首先，将光电转换器与330A2(730A2)调制解调器安装在同一个索道控制系统的金属机柜中，其所有金属配线均布设于该机柜内，由于机柜靠接地，对柜内的电气设备起到良好了的电磁屏蔽作用，确保柜内的电气设备不会受到感应雷雷击。第二、从索道控制系统的直流电源线路中给光电转换器配备24V直流电源，该电源具备电源适配器交流电源端避雷保护，电源适配器及其直流输出配线均与光电转换器安装在同一金属机柜内，确保光电转换器的电源不会受到雷电侵入。第三、解除索道原有两站间RS485传输用电缆线切断感应雷入侵的途径。

各种设备、线缆、附件敷设安装完毕；设备的现场调试工作正式开始。上电试机，各部分电源正常，自检指示灯正常，只有通讯指示灯闪烁的频率有些异常，很明显是参数没有调试好。要通过设置图4中光电转换器上的10个DIP开关，把光电转换器的通讯速率和数据位数设置成与PLC一致；进一步分析设备的状况，认为19.2kbit/s、9.6kbit/t、4.8bit/s三种速率最有可能，数据位10bit；调试工作有条不紊地进行。

最终笔者把速率设为19.2kbit/s数据位设为10bit。当通讯指示灯正常闪烁，触摸屏上内容显示正常，两站间信息传输响应迅速，至此中天门索道RS485通信光传输技术改造调试成功；时值2014年5月23日，恰逢泰山地域的春夏季节雷暴高发期即将到来。

图4 光电转换器内部的DIP开关

4 改造后的实际应用价值

时至今日泰山中天门索道应用光纤传输RS485信号已经成功运行两年半的时间，实际运行状况稳定可靠，在此期间虽然有数十次强雷电过境，最终没有发生感应雷侵入索道PLC控制系统的RS485通信单元的情况，为泰山索道节约十余万元维修经费，大幅度提高了索道的抗雷击能力，确保了索道在恶劣天气环境中的安全可靠性。

由于通信系统的抗雷击能力提高，加强了索道在遭遇雷击故障后的快速修复能力，索道在强雷暴灾害天气下可以使用索道的自检功能快速检测索道的技术状态，以最快的速度恢复安全营运，不仅起到节约维修支出提高维修效率，抵御不利天气的效果，还在乘客中树立起良好的企业形象，为经营创收创造了更好的条件。

使用光通信技术替代“双绞线”、“电缆+双绞线”、“微波”、“WIFI”等信号传输方式在索道控制技术领域有着先天的优势；

1）光传输具有抗干扰能力强运行稳定的特性；

2）采用玻璃等非金属材质不会遭受感应雷雷击；

3）由于其单位传输速率远远大于控制系统需求，相较电缆可以将光缆制作的界面直径更小，减小了风阻有利于在索道线路上架空铺设；

4）传输距离远而且单位长度的重量轻适合大跨距架空布设；

5）材质不易老化使用寿命长，其带宽潜力巨大，可以在更长的时期里适应控制系统的技术升级而不用更换新品。

6）光纤不仅可以传输数字信号、还可以传输模拟量和音视频信号等可以依托光缆通信提高索道的综合能力。

深入利用和开发光通信在索道技术领域的应用，将有利于索道行业的设备先进行性和可靠性，将为广大索道企业增收节支打开新篇章。基于光通信的应用还可以解决索道企业售检票系统、AO管理系统、电话通讯、视频监控、语音广播、广告投放等多种多样的管理与应用系统集成化、智能化；总之泰山中天门索道在索道设备上成功运用光传输技术对电控信息系统进行升级改造，是一次有益的技术实践创新。

[1] 于仲安，陈少卫．基于PLC的架空索道监控系统设计[J]．金属矿山，2009，(09)：146-149．

[2] 叶近茂．采用ABB DCS变流器和PILZ安全PLC的索道电气系统的开发研究[D]．济南：山东科技大学，2006．

5 技术应用与展望

雷电侵扰是困扰绝大多数客运架空索道的一大难题，至此中天门索道终于成功地解决了这一难题；还有很多大型架空客运索道也在寻求解决感应雷侵入PLC控制系统通讯单元这一难题的技术突破口。作为国内第一家应用光通信技术升级通信系统成功攻克这个技术难题的索道，取得了良好的成效；中天门索道的经验是从不断的摸索中获得的，具有很强的实践意义，从长时间的运行效果来看具有很高的分享的价值。

Application of Optical Communication Technology to Solve Lightning Protection Problem of Communication Unit in PLC System for Large Aerial Ropeway

Li Yong Zhao Zhongqiang
(Taishan ropeway operation center City of Taian Taian 271000)

Aiming at the problem that the "PLC control system of Taishan Zhongtian Men ropeway is often struck by lightning", the technical scheme of transforming and upgrading the original communication system by optical communication technology in Taishan ropeway operation center is implemented from May 2014 to October 2016. During the actual operation in this two and a half years, Taishan Zhongtian gate cableway repeatedly encountered lightning, and the control system of PLC communication unit did not get any fault caused by lightning, the technological progress and achieved good economic and social benefits, which verified the feasibility and necessity of applying optical communication technology to construct new communication and control system in ropeway.

Passenger ropeway PLC system lightning protection Induction lighting invasion RS485 communication Optical communication