“城市轨道交通电力监控系统实训台”在教学中的应用

李冰涛 王策瑜 李曙俏

(江苏省徐州技师学院 a.轨道交通学院;b.图书馆，江苏 徐州 221151)

1 开发“城市轨道交通电力监控系统实训台”的意义

1.1 “城市轨道交通电力监控系统”课程在供电专业中的地位

城市轨道交通供电系统，作为重要机电设备系统之一，担负着为电动列车和各种运营设备提供电能的重要任务。随着计算机技术、网络技术的高速发展，电力监控系统已在轨道交通行业广泛应用。变电所无人值班，远程监控已经成为供电专业的发展方向。培养一批与该技术应用相适应的高素质人才成为轨道交通供电专业一项重要的教学任务。

随着轨道交通供电系统自动化程度的提高，供电专业的现场工作人员，除了要掌握供电专业的专业技能之外，还要懂得计算机网络通信等相关的知识。只有这样，才能适应城市轨道交通供电专业的岗位要求。因此，“城市轨道交通电力监控系统”课程成为供电专业的重要专业课程。

“城市轨道交通电力监控系统”课程的核心内容是变电所SCADA系统。变电所SCADA系统是将变电所的二次设备经过功能的组合与优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术和通信技术，实现对全变电所的主要一次设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。由此可见，学习该课程之前，学生不仅要具备专业基础课程的知识，同时还要具备专业课程的知识。

“城市轨道交通电力监控系统”课程的开设，可以说是对供电专业学生所学课程的综合应用。然而从实际的教学情况看，学生很难将前面课程学习过的知识应用到后面课程的学习当中去，这也是符合学习规律的。从知识的学习(学)到知识的应用(会)是需要经过一个再学习的过程的，尤其是多项知识组合在一起即综合知识的应用更需要一个再学习的过程。

1.2 “城市轨道交通电力监控系统”课程的教学现状

目前该课程的教学基本上以讲授理论知识为主，课程中设备与器件的功能都是以框图的方式呈现的。如讲到数据采集，只是说到哪些设备是用单片机采集数据，哪些设备是用PLC采集数据。讲到网络通信，只是说到哪里使用的是RS485通信，哪里使用的是以太网通信。至于数据如何采集，通信如何进行，这些课程的核心问题，在课程教授时只是进行理论的讲述，学生难于理解。

当前，城市轨道交通事业在我国迎来快速的发展，各种最新的技术也在这个行业里大量的使用，这给“城市轨道交通电力监控系统”课程的教学带来了巨大的挑战，即教师要及时进行新知识、新技能的学习。同时，正是由于高新技术的使用，使得过去难于解决的技术问题，现在变得容易实现了。在新技术面前,既有挑战，也有机遇。新技术的使用，也对轨道交通电力监控系统课程的教学提出了新的要求。要在短时期内培养出一大批城市轨道交通供电专业的技术人才，传统的课程体系与教学方法已经不能跟上飞速发展的行业需求，这就要求教师转变教学观念，创新教学方法和教学手段，只有这样才能适应社会对人才培养的需求。“城市轨道交通电力监控系统实训台”的开发以及在教学中的使用，正是基于当前形势的需求，运用创新的教学手段，在“学”与“用”之间搭建一个桥梁，以弥补传统教学过程中缺失的学习环节。

2 “城市轨道交通电力监控系统实训台”的结构组成

2.1 开发思路

“城市轨道交通电力监控系统实训台”完全是按照现场运行的城市轨道交通变电所综合自动化系统的结构制作的，其原理与功能跟现场设备完全相同。

现场运行的电力设备集成化程度高，各电气设备的保护系统、事故检测系统、数据采集系统以及数据通信网络都聚集在一起。每个设备的数据采集量少则几个、十几个，多则几十个不等。每个变电所的数据采集量至少要几百个，再加上那些相关的陌生器件需要认识，在现场设备上直接进行电力监控系统的学习，对高职院校的学生来说具有相当大的难度。

“城市轨道交通电力监控系统实训台”的开发思路是从繁杂的变电所综合自动化系统中将电力监控系统部分抽取出来，选取典型的数据量进行采集,单独把电力监控系统呈现出来进行分析讲解，非常有利于学生对此部分原理的理解。本实训台与现场设备的不同之处在于:学生可以在此实训台上专注于电力监控系统部分知识技能的学习，在此设备上，他们可以快速熟悉电力监控设备并理解监控原理。此实训台的创新之处在于:它是一种模块化的结构，可以方便进行功能的增减。在实训台上，教师演示完毕，学生就可以跟进操作，并且对操作结果进行验证,出现问题，现场分析解决。学生在实际设备上进行学习操作将更加简单方便。实训台的结构如图1所示。

图1 城市轨道交通电力监控系统实训台结构

2.2 结构组成

城市轨道交通电力监控系统实训台的结构包括三部分：站级管理层;网络通信层;间隔设备层。

实训台的站级管理层使用的是一台工控机，工控机里安装有相应的编程软件和组态软件。工控机与485通信模块的连接使用的是USB转TTL模块，工控机与交换机的连接使用的是RJ-45接口。

网络管理层使用的有RS485通信，由RS485模块1和RS485模块2组成，通信协议使用的是MODBUS RTU；以太网通信，由带光口的交换机1和带光口的交换机2组成，光纤连接，通信协议使用的是TCP/IP。

间隔设备层的设备最丰富，它们的作用主要是采集变电所二次设备的数据，以达到监视和控制变电所一次设备的目的。主要有PLC1、PLC2、单片机模块、温度变送器1和温度变送器2。PLC1主要采集开关量信号，它通过继电器1、继电器2控制接触器1和接触器2,起到控制断路器和隔离开关的作用。PLC2通过拓展模块EM235采集模拟量信号,通过模拟量输入端口可以显示三相电压值和电流值，通过模拟量输出端口可以调节远端变压器的电压。单片机模块是许多智能设备的核心部件，它可以实时采集各种现场数据，并对数据进行处理，还可以将数据通过各种通信方式发送到远端。单片机模块显示轨道电位并实现报警。作为智能设备的代表，温度变送器1能够模拟显示变压器的工作温度，温度变送器2能够模拟显示整流器件的工作温度。

轨道交通电力监控系统实训台可以完成站级管理层设备对远端变电所设备的实时监控。在整个监控系统实现过程中，从间隔设备层的单片机、PLC及智能设备对数据的采集，到网络通信层RS485及带光口的交换机等通信方式的选择，通信协议的使用，再到站级管理层应用组态软件对远端设备工作状态的实时的显示和控制。该实训台可以实现“城市轨道交通电力监控系统”课程里变电所综合自动化系统(即变电所SCADA系统)的遥信、遥测、遥控及遥调的功能，并且每种功能都是通过硬件的连接与软件的编程来实现的。

3 “城市轨道交通电力监控系统实训台”的教学内容

该实训台最大的特色是教师对这部分知识的教授完全可以用实操的方法进行教学。学生可以在实训台上亲自动手操作进行学习。主要的实训内容如下：

3.1 间隔设备层的教学内容

对PLC1模块的数据采集与设备监控，主要是采集开关量信号进行显示及控制。编程中应当考虑本地控制与远程控制两种情况，以及故障信息显示。对PLC2模块的数据采集与设备监控，主要采集模拟量信号进行显示及调控。编程中应当考虑本地控制与远程控制两种情况。此模块中接入了扩展模块EM235，EM235有四个模拟信号输入端和一个模拟信号输出端，其中三个模拟信号输入端是作为三相电压显示，另一个模拟信号输入端是作为一路电流显示。模拟信号输出端接一块0～10 V的直流电压表，用以观察模拟电压信号的输出。此模块开关量输出端还接有一个蜂鸣器，可以进行报警设置。

对单片机模块的数据采集与设备监控。轨道电位值属于模拟量信号，在编写程序时，单片机不但要采集轨道电位信号，还要将此电位值在显示模块上显示出来。同时要将轨道电位信号按照MODBUS协议的格式，通过RS485通信模块发送到上位机即工控机上，工控机上的组态软件即可对单片机设备进行组态。这就是单片机编程要实现的功能。

对智能设备进行的数据采集与设备监控。温度变送器1和温度变送器2模块属于智能设备，它们遵从标准的MODBUS通信协议，可以直接将设备挂接在RS485通信总线上即可对数据进行采集。这里需要注意的是:一个是设备号，一个是数据存储地址，这两个数据量都要正确，否则读不到想要的数据。

3.2 网络通信层的教学内容

PLC模块与站级管理层之间的通信使用的是以太网通信方式。硬件设备使用的是两台带有光口的交换机，且交换机之间是使用光纤连接的。这里的实训要点一个是PLC网络功能的实现，这里使用的是无锡北辰的网络通信模块，此模块通信使用硬件实现，无需软件编程，实现起来较为简单。光纤通信时要注意光纤接口的类型。交换机与PLC、工控机连接使用的是带有RJ-45接口的网线。

单片机与站级管理层的通信使用的是RS485通信。两块RS485模块由RS485通信线连接。RS485通信的特点是信号传输距离远且抗干扰性强。RS485模块可以将TTL信号转换成RS485信号，所以RS485模块1的一端直接与单片机和智能设备连接，RS485模块2的一端通过一个TTL转RS232模块与工控机的USB端口连接，这样就完成了RS485通信的硬件连接。需要注意的是，在进行RS485通信时，通信频率必须设定一致。

3.3 站级管理层的教学内容

站级管理层的硬件主要设备是一台工控机和显示器。工控机里安装有对单片机、PLC进行编程的编程软件，单片机与PLC模块的所有程序编写都由这台工控机完成。除此之外，工控机最主要的工作就是应用组态软件对间隔层的单片机、PLC以及智能设备进行组态，并对变电所的一次设备进行有效的监视和调控。

组态软件是数据采集与过程控制的专用软件，能以灵活多样的组态方式提供良好的用户开发界面和简洁的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能。使用组态软件建立应用工程大致可分为四个步骤：设计图形界面；构造数据库界面；建立动画连接；运行和调试。使用组态软件对设备进行组态主要分为四种类型：实现设备模拟量输入；实现设备模拟量输出；实现设备开关量输入；实现设备开关量输出。

实训台上的教学内容只是现场变电所SCADA系统的一部分，学生在学习完实训台上的项目之后，再到学院的城市轨道交通供电实训室学习或是操作现场的实际设备，就会有一种似曾相识的感觉。他们会主动探寻哪个数据采集来自哪个设备的哪个参数，并且去找寻数据的传输路径。在此基础上，教师只需稍稍点拨，学生很快就会进入新知识的学习情境之中。通过一个学期的教学实践，使用该实训台确实起到了事半功倍的教学效果。