CN109243239A - 轨道交通电力监控系统模拟实训台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了轨道交通电力监控系统模拟实训台，包括站级管理层、网络通信层、间隔设备层，所述间隔设备层通过网络通信层与站级管理层进行通信，所述站级管理层包括内置有编程软件、组态软件工控机以及与工控机连接的显示器，所述网络通信层包括RS485通信单元和以太网通信单元，所述间隔设备层包括通过RS485通信单元与工控机进行通信的单片机模块、智能设备，以及通过太网通信单元与工控机进行通信的PLC模块一、PLC模块二，本发明实训台所使用的硬件设备都是现在最常用的设备，通信协议选用的也是最常见的协议，使得实训台的成本相对较低，且设备的数据资料容易得到，为教师的教学和学生的学习提供了便利，功能实现相对容易。

Description

轨道交通电力监控系统模拟实训台

技术领域

本发明属于轨道交通供电专业的一体化教学领域，具体的说是轨道交通电力监控系统课程的配套模拟一体化实训台，本实训台利用现代网络通信技术及智能设备实现对电力设备的远程监控的目的。

背景技术

当前的轨道交通变电所SCADA系统采用的是集中管理、分散布置的模式，分层、分布式系统结构。系统由站级管理层、网络通信层、间隔设备层组成。变电所SCADA系统是指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。

变电所内的间隔层设备有35kV开关柜、1500V开关柜、0.4kV开关柜、有源滤波装置、整流变压器、整流器、动力变压器、交直流屏、单向导通装置、排流柜、钢轨电位限制装置配置的综合测控保护装置、智能采集装置等。

虽然变电所内的电气设备有很多种，需要采集的数据信息数量也很多，但是归纳起来不外乎有四类，即传统电力远动技术所谓的“四遥”。“四遥”指的是应用通信技术，完成遥测、遥信、遥控和遥调等功能的总称。

遥信的实质是对开关量状态的采集和传输；遥测的实质是开关量输出；遥测的实质也就是模拟量的输入；遥调的实质主要是模拟量的输出。所以从信号数据处理的角度来看，无非就是开关量的输入与输出以及模拟量的输入与输出这四种。如果学生对这四种数据的采集、传输、显示及处理过程都能够清楚明白，那么将会对轨道交通的电力监控系统有一个清晰的认识。

目前，轨道交通电力监控系统课程的教学还是以理论讲授为主，即便是到现场参观看到的也是高度集成化的设备，只能了解一下工作过程。有些学校虽然也建立了轨道交通供电系统模拟设备实训室，实训室里也有电力监控的内容，但是学生对于这部分内容也只是止于应用层面，而不能理解数据的处理过程。例如，我们可以在模拟实训室按下控制台的按钮，就可以看到远端变电所的断路器动作，然而问题的关键是控制信号是怎样传输的，又是怎样驱使断路器动作的。轨道交通电力监控系统课程的重点内容就是研究数据的采集、传输、显示及处理过程。

随着计算机网络及现代通信技术的飞速发展，轨道交通电力监控系统采用的都是当前先进的网络通信技术。这对轨道交通电力监控系统课程的教学来说确实是一个挑战，然而正是由于应用了现代的网络通信技术，才使得轨道交通电力监控系统的功能更加强大，从而更好地服务于轨道交通事业的发展。

由于应用了新的技术，使得过去难以解决的问题现在变得容易解决了。如RS485通信技术，光纤通信技术在轨道交通电力监控系统中得到了广泛的应用，这样即节省了大量的通信线缆，又提高了数据的稳定性及抗干扰能力，数据的传输速度及容量也得到了大的提升。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。课程教学的任务就是让学生掌握新技术，新知识，使得他们毕业以后能够胜任专业的工作岗位。

轨道交通电力监控系统的技术核心是变电所SCADA系统，本模拟实训台可以完成变电所SCADA系统的主要工作内容。从数据的采集到数据的传输以及数据传输协议的使用，一直到通过组态软件对设备进行监控。通过对本模拟实训台的学习使用，学生对变电所SCADA系统的知识能够基本掌握，并且是通过实作而掌握的。

发明内容

本发明的目的，在于提供一个用于轨道交通电力监控系统课程教学的模拟实训台。利用本实训台，教师可以演示教学内容，学生可以亲自动手操作，以便学生对轨道交通电力监控系统的分层分布式结构、对站级管理层、网络通信层、间隔设备层每一层的作用以及层与层之间的相互关系都会有清楚的认识。尤其是对站级管理层与间隔设备层之间的数据传输，学生可以通过实训台亲自动手操作，使用不用的通信媒介，通过不同的通信协议，自己动手编写程序，将数据从间隔层设备采集出来，然后送到站级管理层，站级管理层设备对数据进行处理或是显示或是根据不同情况对间隔层设备进行控制，整个监控过程学生都可以在模拟实训台上操作完成。通过本发明实训台的实训教学，学生对轨道交通电力监控系统的工作原理及工作过程会有更加深刻的理解。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：轨道交通电力监控系统模拟实训台，包括站级管理层、网络通信层、间隔设备层，所述间隔设备层通过网络通信层与站级管理层进行通信；

所述站级管理层包括内置有编程软件、组态软件工控机以及与工控机连接的显示器，所述网络通信层包括RS485通信单元和以太网通信单元，所述间隔设备层包括通过RS485通信单元与工控机进行通信的单片机模块、智能设备，以及通过太网通信单元与工控机进行通信的PLC模块一、PLC模块二，所述PLC模块一连接有继电器一、继电器二、接触器一、接触器二，所述PLC模块二与扩展模块EM235连接。

作为改进，所述RS485通信单元包括由RS485通信线连接的RS485通信模块一、RS485通信模块二，所述RS485通信模块一的一端通过USB转TTL模块与工控机的USB端口连接，所述RS485通信模块二的一端与单片机模块、温度变送器一、温度变送器二连接。

作为改进，所述智能设备包括与RS485通信单元连接的温度变送器一、温度变送器二，所述智能设备使用MODBUS RTU通信协议与工控机进行通信。

作为改进，所述以太网通信单元包括带有光口的交换机一、交换机二，所述交换机一、交换机二的光口之间通过光纤连接，所述交换机一的一端通过带有RJ-45接口的网线与工控机的RJ-45接口连接，所述交换机二的一端通过带有RJ-45接口的网线与PLC模块一、PLC模块二连接。

作为改进，所述继电器一、继电器二与PLC模块一连接，所述接触器一与继电器一连接，所述接触器二与继电器二连接。

作为改进，其实训方法，包括以下步骤：

(1)按照电路连接关系连接硬件电路，其中PLC模块二上的三相电压模拟显示端口接入0-10V可调直流电源模块进行模拟，PLC模块二上电流模拟端口接入4-10mA可调直流电源模块进行模拟，单片机上的轨道电位值模拟控制端口接入10kΩ电位器直接对5V电源进行分压得到；

(2)在间隔设备层，对PLC模块一进行编程，用于采集开关量信号进行显示及控制；此程序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；

(3)在间隔设备层，对PLC模块二进行编程，用于采集模拟量信号进行显示及调控；PLC模块二中还接入了扩展模块EM235，扩展模块EM235包括有四个模拟信号输入端和一个模拟信号输出端，其中扩展模块EM235的三个模拟信号输入端是作为三相电压模拟显示，模拟信号输入端是作为一路电流模拟显示；扩展模块EM235的模拟信号输出端接一块0-10V的直流电压表，用以模拟模拟电压信号的输出；扩展模块EM235的开关量输出端还接有一个蜂鸣器，可以进行报警设置。

(4)在间隔设备层，对单片机模块进行编程；由于轨道电位值属于模拟量信号，因此在程序中单片机不但要采集轨道电位信号，还要将此电位值显示在单片机模块的数码管上，同时要将轨道电位信号按照MODBUS协议的格式，通过RS485通信模块发送到工控机上，工控机上内置的组态软件即可对单片机设备进行组态；

(5)对温度变送器一、温度变送器二进行组态准备；温度变送器一、温度变送器二遵从标准的MODBUS通信协议，可以直接将设备挂接在RS485通信单元的通信总线上即可对数据进行采集；

(6)对实训项目进行规划，并利用工控机内的组态软件进行数据采集、过程控制，包括：建立新工程项目、制作图形界面、定义设备、定义变量、建立动画连接、编写命令语言、调试与运行。

利用本发明轨道交通电力监控系统模拟实训台，可以实现的实训内容有：

(1)间隔设备层：利用单片机编程软件实现单片机模块的开关量输入，利用单片机编程软件实现单片机模块的开关量输出，利用单片机编程软件实现单片机模块的模拟量输入，利用单片机编程软件实现单片机模块的模拟量输出；利用PLC编程软件实现PLC模块一、PLC模块二的开关量输入，利用PLC编程软件实现PLC模块一、PLC模块二的开关量输出，利用PLC编程软件实现PLC模块一、PLC模块二的模拟量输入，利用PLC编程软件实现PLC模块一、PLC模块二的模拟量输出。

(2)网络通信层：PLC模块一、PLC模块二与工控机通过以太网通信单元进行通信，单片机模块通过RS485通信单元与工控机进行通信，智能设备与工控机基于MODBUS RTU协议进行通信连接。

(3)站级管理层：工控机内安装有组态软件，能对从间隔层设备采集的各类数据信号进行处理，以便方便地对远程设备进行实时的监视与控制；站级管理层的实训内容有：利用组态软件实现对单片机模块、PLC模块一、PLC模块二开关量信号的读取与显示，从而实现对远程开关设备进行控制；利用组态软件实现对单片机模块、PLC模块一、PLC模块二开关模拟量信号的读取与显示，从而实现对远程设备模拟量进行调节；利用组态软件生成监控数据的报表系统，利用组态软件生成监控数据的实时趋势曲线，利用组态软件生成监控数据的历史趋势曲线，利用组态软件掌握运行报警与事件窗口的操作方法，如果现场设备出现异常，可以及时提醒工作人员进行处理；利用组态软件对远端变电所设备进行动画组态，在显示屏上模拟现场设备运行情况，并对其进行实时监控；利用组态软件进行web发布，只要是能够上网的终端设备就能够对远端的变电所设备进行监控；利用组态软件实现智能设备的组网接入；实训台上使用了两个温度变送器模块，它们都遵从MODBUS RTU通信协议，可以直接对其进行组态，在工控机终端方便读出温度值。这两个温度值分别是模拟的变压器温度与模拟的整流元件温度。

采用以上结构后，本发明具有如下优点：本发明该轨道交通电力监控系统模拟实训台是对变电所SCADA系统的简化，并将变电所SCADA系统的监控内容归纳为四类，即“四遥”功能的实现，且又在这四类中的每一类里提取出最典型的监控数据，使得学生学会对这些数据的采集与处理，并能理解对其他数据的采集和处理。本发明实训台所使用的硬件设备都是现在最常用的设备，通信协议选用的也是最常见的协议，使得实训台的成本相对较低，且设备的数据资料容易得到，为教师的教学和学生的学习提供了便利，功能实现相对容易。

附图说明

图1是本发明轨道交通电力监控系统模拟实训台的连接结构示意图。

具体实施方式

结合附图1，轨道交通电力监控系统模拟实训台，包括站级管理层、网络通信层、间隔设备层，所述间隔设备层通过网络通信层与站级管理层进行通信；

所述站级管理层包括内置有编程软件、组态软件工控机以及与工控机连接的显示器，所述网络通信层包括RS485通信单元和以太网通信单元，所述间隔设备层包括通过RS485通信单元与工控机进行通信的单片机模块、智能设备，以及通过太网通信单元与工控机进行通信的PLC模块一、PLC模块二，所述PLC模块一连接有继电器一、继电器二、接触器一、接触器二，所述PLC模块二与扩展模块EM235连接。

站级管理层的设备最丰富，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，站级管理层通过继电器一、继电器二控制接触器一和接触器二起到模拟控制断路器和模拟控制隔离开关的作用；PLC模块二通过扩展模块EM235采集模拟量信号，PLC模块二通过其模拟量输入端口可以模拟显示三相电压值和模拟显示电流值，通过其模拟量输出端口可以模拟调节远端变压器的电压；单片机模块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，本发明中单片机模块可以模拟显示轨道电位并实现报警，另外，温度变送器一能够模拟显示变压器的工作温度，温度变送器二能够模拟显示整流器件的工作温度。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述RS485通信单元包括由RS485通信线连接的RS485通信模块一、RS485通信模块二，所述RS485通信模块一的一端通过USB转TTL模块与工控机的USB端口连接，所述RS485通信模块二的一端与单片机模块、温度变送器一、温度变送器二连接。需要注意的是，进行RS485通信时，通信频率必须设定一致。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述智能设备包括与RS485通信单元连接的温度变送器一、温度变送器二，所述智能设备使用MODBUS RTU通信协议与工控机进行通信。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述以太网通信单元包括带有光口的交换机一、交换机二，所述交换机一、交换机二的光口之间通过光纤连接，所述交换机一的一端通过带有RJ-45接口的网线与工控机的RJ-45接口连接，所述交换机二的一端通过带有RJ-45接口的网线与PLC模块一、PLC模块二连接。

作为本实施例较佳实施方案的是，所述继电器一、继电器二与PLC模块一连接，所述接触器一与继电器一连接，所述接触器二与继电器二连接。

作为本实施例较佳实施方案的是，其实训方法，包括以下步骤：

(1)按照电路连接关系连接硬件电路，其中PLC模块二上的三相电压模拟显示端口接入0-10V可调直流电源模块进行模拟，PLC模块二上电流模拟端口接入4-10mA可调直流电源模块进行模拟，单片机上的轨道电位值模拟控制端口接入10kΩ电位器直接对5V电源进行分压得到；

(2)在间隔设备层，对PLC模块一进行编程，用于采集开关量信号进行显示及控制；此程序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；

(3)在间隔设备层，对PLC模块二进行编程，用于采集模拟量信号进行显示及调控；PLC模块二中还接入了扩展模块EM235，扩展模块EM235包括有四个模拟信号输入端和一个模拟信号输出端，其中扩展模块EM235的三个模拟信号输入端是作为三相电压模拟显示，模拟信号输入端是作为一路电流模拟显示；扩展模块EM235的模拟信号输出端接一块0-10V的直流电压表，用以模拟模拟电压信号的输出；扩展模块EM235的开关量输出端还接有一个蜂鸣器，可以进行报警设置。

(4)在间隔设备层，对单片机模块进行编程；由于轨道电位值属于模拟量信号，因此在程序中单片机不但要采集轨道电位信号，还要将此电位值显示在单片机模块的数码管上，同时要将轨道电位信号按照MODBUS协议的格式，通过RS485通信模块发送到工控机上，工控机上内置的组态软件即可对单片机设备进行组态；

(5)对温度变送器一、温度变送器二进行组态准备；温度变送器一、温度变送器二遵从标准的MODBUS通信协议，可以直接将设备挂接在RS485通信单元的通信总线上即可对数据进行采集；

(6)对实训项目进行规划，并利用工控机内的组态软件进行数据采集、过程控制，包括：建立新工程项目、制作图形界面、定义设备、定义变量、建立动画连接、编写命令语言、调试与运行。

现有变电所SCADA系统模拟电力监控内容表如下表所示：

表一

本发明的实训内容可根据不同的变电场所改变其监控对象。如遥控功能，在主变电站为110kV断路器/电动隔离开关。在牵引降压混合所为35kV进线/引线断路器，1500V直流电动隔离开关等。如遥信功能，在主变电站为主变保护信号，馈线保护信号。在牵引降压混合所为钢轨电位限制装置状态信号，所用电交/直流系统监测信号等。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.轨道交通电力监控系统模拟实训台，其特征在于：包括站级管理层、网络通信层、间隔设备层，所述间隔设备层通过网络通信层与站级管理层进行通信；

所述站级管理层包括内置有编程软件、组态软件工控机以及与工控机连接的显示器，所述网络通信层包括RS485通信单元和以太网通信单元，所述间隔设备层包括通过RS485通信单元与工控机进行通信的单片机模块、智能设备，以及通过太网通信单元与工控机进行通信的PLC模块一、PLC模块二，所述PLC模块一连接有继电器一、继电器二、接触器一、接触器二，所述PLC模块二与扩展模块EM235连接。

2.根据权利要求1所述的轨道交通电力监控系统模拟实训台，其特征在于：所述RS485通信单元包括由RS485通信线连接的RS485通信模块一、RS485通信模块二，所述RS485通信模块一的一端通过USB转TTL模块与工控机的USB端口连接，所述RS485通信模块二的一端与单片机模块、温度变送器一、温度变送器二连接。

3.根据权利要求1所述的轨道交通电力监控系统模拟实训台，其特征在于：所述智能设备包括与RS485通信单元连接的温度变送器一、温度变送器二，所述智能设备使用MODBUSRTU通信协议与工控机进行通信。

4.根据权利要求1所述的轨道交通电力监控系统模拟实训台，其特征在于：所述以太网通信单元包括带有光口的交换机一、交换机二，所述交换机一、交换机二的光口之间通过光纤连接，所述交换机一的一端通过带有RJ-45接口的网线与工控机的RJ-45接口连接，所述交换机二的一端通过带有RJ-45接口的网线与PLC模块一、PLC模块二连接。

5.根据权利要求1所述的轨道交通电力监控系统模拟实训台，其特征在于：所述继电器一、继电器二与PLC模块一连接，所述接触器一与继电器一连接，所述接触器二与继电器二连接。

6.根据权利要求1所述的轨道交通电力监控系统模拟实训台，其实训方法，包括以下步骤：

(1)按照电路连接关系连接硬件电路，其中PLC模块二上的三相电压模拟显示端口接入0-10V可调直流电源模块进行模拟，PLC模块二上电流模拟端口接入4-10mA可调直流电源模块进行模拟，单片机上的轨道电位值模拟控制端口接入10kΩ电位器直接对5V电源进行分压得到；

(2)在间隔设备层，对PLC模块一进行编程，用于采集开关量信号进行显示及控制；此程序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；

(3)在间隔设备层，对PLC模块二进行编程，用于采集模拟量信号进行显示及调控；PLC模块二中还接入了扩展模块EM235，扩展模块EM235包括有四个模拟信号输入端和一个模拟信号输出端，其中扩展模块EM235的三个模拟信号输入端是作为三相电压模拟显示，模拟信号输入端是作为一路电流模拟显示；扩展模块EM235的模拟信号输出端接一块0-10V的直流电压表，用以模拟模拟电压信号的输出；扩展模块EM235的开关量输出端还接有一个蜂鸣器，可以进行报警设置。

(4)在间隔设备层，对单片机模块进行编程；由于轨道电位值属于模拟量信号，因此在程序中单片机不但要采集轨道电位信号，还要将此电位值显示在单片机模块的数码管上，同时要将轨道电位信号按照MODBUS协议的格式，通过RS485通信模块发送到工控机上，工控机上内置的组态软件即可对单片机设备进行组态；

(5)对温度变送器一、温度变送器二进行组态准备；温度变送器一、温度变送器二遵从标准的MODBUS通信协议，可以直接将设备挂接在RS485通信单元的通信总线上即可对数据进行采集；

(6)对实训项目进行规划，并利用工控机内的组态软件进行数据采集、过程控制，包括：建立新工程项目、制作图形界面、定义设备、定义变量、建立动画连接、编写命令语言、调试与运行。