一種基于TCP／IP遠程通信協(xié)議的新型遠程智能電源監(jiān)控切換系統(tǒng)

摘要：為了更好地保障鐵路運輸?shù)陌踩托剩_保采用雙路供電的鐵路系統(tǒng)的不間斷工作，提出了一種基于TCP／IP遠程通信協(xié)議的智能電源切換系統(tǒng)。系統(tǒng)由電源屏雙路輸入遠程切換單元、控制中心的TCP／IP通信鏈路、用戶軟件控制系統(tǒng)組成。電源屏雙路輸入遠程切換單元由電源信號監(jiān)控、切換單元組成。TCP／IP通信鏈路采用嵌入式操作平臺，功能包括TCP／IP鏈路控制；用戶軟件控制系統(tǒng)采用C++編寫完成，包括界面操作，授權控制等功能，能滿足站點現(xiàn)場電源切換要求的功能。
關鍵詞：TCP／IP；電源切換系統(tǒng)；電源信號采集；報警

0 引言
在鐵路現(xiàn)場控制系統(tǒng)中，信號設備是保障鐵路運輸?shù)陌踩托实幕A設施，而信號設備的供電系統(tǒng)則是保證信號設備正常工作的關鍵設備。故所有鐵路系統(tǒng)電源屏均采用雙路供電來保證電源系統(tǒng)的不問斷工作，保證信號設備的安全穩(wěn)定工作，保證列車的安全運行。
提供雙路供電的I路電和Ⅱ路電來源于不同的電力網(wǎng)絡，而且，一般來說，I路電的電源品質(zhì)要好于Ⅱ路電，當然，電源品質(zhì)的好壞對信號設備的穩(wěn)定可靠工作有重要影響，所以一般情況下希望電源在I路電供電下工作。在I路電由于某種原因斷電后，電源自動切換到Ⅱ路電供電，若I路電恢復后，就需要人工到現(xiàn)場手動進行切換操作，以將Ⅱ路電切換到I路電，保證信號設備工作在穩(wěn)定可靠狀態(tài)。同時，在供電過程中，為保證系統(tǒng)運行可靠，提高異常狀態(tài)的分析能力，站場需要實時對供電系統(tǒng)(I路和Ⅱ路)進行電源監(jiān)控。
在我國鐵路車站信號設備供電系統(tǒng)中，由于歷史和其他各方面的原因，有很大一部分還沒有升級為智能電源屏，采用的是簡單的雙路電源切換，當I路電源發(fā)生故障時，自動切換到Ⅱ路電源供電，但是當I路電源恢復正常時，卻不會自動從Ⅱ路電切換到電源質(zhì)量更高的I路電，只有通過人工按壓現(xiàn)場切換按鈕的辦法切換回I路去。由于車站之間相距較遠，短則十幾千米，遠則幾十千米，這種方法增加了現(xiàn)場工作人員的工作時間和勞動強度，雖然進行的是簡單的操作，卻要在來回路途上花費大量時間。
目前已有的技術，如施耐德電氣、華通機電、上海工控集團等的解決方案，基本采用機電聯(lián)鎖的方式實現(xiàn)切換，且價格昂貴，維護不便。在現(xiàn)場信號沒備和其他設備的工作狀態(tài)基本實現(xiàn)遠程監(jiān)測的情況下，作為關鍵設備的電源屏處于這種落后的技術條件下，不符合鐵路設備實現(xiàn)遠程監(jiān)控的發(fā)展趨勢。本文旨在研究設計一種能夠自動完成切換工作的設備，該設備可以減少工人干預，提高鐵路供電系統(tǒng)的自動化程度、整體供電系統(tǒng)的工作效率。

1 系統(tǒng)整體方案
針對現(xiàn)場對電源屏雙路電源遠程切換的需求和現(xiàn)有機電切換系統(tǒng)功能的不足，本系統(tǒng)提出了基于TCP／IP遠程通信協(xié)議和嵌入式系統(tǒng)的電源智能遠程切換系統(tǒng)方案，可有效解決鐵路現(xiàn)場對電源屏遠程操控需求的問題。本系統(tǒng)利用鐵路車站現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡，在微機監(jiān)測系統(tǒng)上安裝一套控制軟件，在車站現(xiàn)場安裝一套切換控制系統(tǒng)，在微機監(jiān)測的微機上通過操作控制軟件來實現(xiàn)對工區(qū)各車站現(xiàn)場電源屏的遠程切換功能，在不需要增加任何通信線路和微機設備的情況下，完成上述的記切換功能，實現(xiàn)了成本和施工工作量的最低化?？傮w上系統(tǒng)提供的功能如下：電源屏雙路輸入遠程切換功能；各車站電源屏遠程切換系統(tǒng)與控制中心(工區(qū)微機監(jiān)測機)的通信鏈路檢測；控制軟件實現(xiàn)用戶權限和操作錄管理功能。

雙路電源切換系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，其中帶有LED指示燈的模塊為切換系統(tǒng)車站控制部分，模塊中的所有器件都安裝到一個壁掛的控制盒中，面板上帶有電源狀態(tài)和通信狀態(tài)顯示，系統(tǒng)在車站端不需要任何人工干預。各車站的電源切換統(tǒng)一由一個上位機程序控制。通信接口選用TCP／IP通信協(xié)議，達到10 Mb／s的通信速率，完全滿足現(xiàn)場通信速率的要求。系統(tǒng)的通信采用透明的協(xié)議，可以通過網(wǎng)關和路由器，達到遠程切換電源的設計要求。

2 系統(tǒng)硬件關鍵技術
2．1 系統(tǒng)架構
電源遠程切換系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)設計，其內(nèi)部結構圖如圖2所示。遠程切換系統(tǒng)采用ARM7平臺設計，其核心是一塊工業(yè)級的MiniArm工控模塊，用來完成繼電器驅(qū)動、繼電器切換狀態(tài)的檢測、遠程切換命令的接收和通信狀態(tài)字的發(fā)送等功能。系統(tǒng)的供電由切換系統(tǒng)的輸出220 VAC經(jīng)過高可靠性開關電源輸出24 VDC提供?？刂坪械拿姘迳显O計有系統(tǒng)用電源的指示燈、系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈以及TCP／IP連接、通信狀態(tài)指示燈?？刂坪械南路皆O置了接線端子和RJ 45以太網(wǎng)通信接口，接線端子的作用有：控制JPXC-1000偏極繼電器的吸起、檢測JPXC-1000吸起狀態(tài)。

在硬件設計時，要求如果兩路電源都發(fā)生斷電故障，則系統(tǒng)也斷電，通信狀態(tài)中斷。本系統(tǒng)并不采集兩路電源供電狀態(tài)，因為現(xiàn)有的微機監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)完成了這部分工作。而且如果兩路電源都發(fā)生斷電故障，任何控制都是無效的。
2．2 雙路電源切換原理
為了滿足遠程雙路電源切換的要求，而又不影響原手動切換的功能，本系統(tǒng)設計的切換電路是在原繼電系統(tǒng)電路上增加了兩個安全型繼電器JPXC-1000，通過對安全型繼電器JPXC-1000的遠程控制達到動作交流接觸器，并由接觸器完成雙路電源切換的功能，其物理功能上類似于人工手動摁壓切換開關。切換電路原理如圖3所示。

從圖3可以看出，當需要遠程控制從I路切換到Ⅱ路電源時，微機監(jiān)測的計算機上操作切換動作，發(fā)出切換命令，則車站的切換模塊收到切換命令后內(nèi)部產(chǎn)生動態(tài)脈沖，在KM2-上產(chǎn)生24 VDC電壓，驅(qū)動JPXC-1繼電器，在JPXC-2為落下的情況下JPXC-1繼電器得電吸起，這時交流接觸器1XLC線圈失電，交流接觸器1XLC落下，則交流接觸器2XLC線圈得電，交流接觸器2XLC吸起，電源由I路切換到Ⅱ路。動作完成后，切換模塊停止產(chǎn)生動態(tài)脈沖，JPXC-1繼電器落下，完成了一次切換操作。如果要從Ⅱ路切換到I路電源，原理相同。
從圖3還可看出，JPCX-1000型繼電器是串聯(lián)在交流接觸器的線圈電路上，JPCX-1000型繼電器節(jié)點上的電流即是交流接觸器的線圈電流，并不是電源負載電流。交流接觸器的線圈電流一般小于0．5 A，完全滿足設備維護規(guī)范要求。而且電源的切換時間與JPCX-1000型繼電器的動作時間沒有任何關系，還是取決于交流接觸器的動作時間，所以增加了JPCX-1000型繼電器后，對切換時間沒有影響。
2．3 系統(tǒng)供電
電源切換系統(tǒng)的下位機使用電源屏輸出的220 V／AC供電，當下位機控制電源屏進行電源切換時，是否會導致下位機在控制電源屏切換未成功時，下位機掉電，導致下位機工作不正常。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，正常切換時，交流接觸器的切換時間要小于150 ms，而下位機在斷電200mS以下時，電源模塊中的儲能可維持系統(tǒng)正常工作，不會發(fā)生系統(tǒng)重新啟動的情況。即使斷電時間超過200ms，系統(tǒng)重新啟動，也不會影響原切換系統(tǒng)的工作。另外，其實在任何特殊故障情況下，由于重力影響，JPCX-1000型繼電器落下，絕不會影響原切換系統(tǒng)的正常工作，這也正是系統(tǒng)為什么選用JPCX-1000型繼電器的原因。除非原切換系統(tǒng)由于交流接觸器等關鍵部件發(fā)送切換故障，否則系統(tǒng)不會斷電。
2．4 數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)
電源質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)要求保證系統(tǒng)實時性，實時采集電壓、電流量，以波形顯示的方式在液晶屏上實時顯示當前電源情況，并判斷異常情況，實時監(jiān)控完成報警；同時，監(jiān)測的全部數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)壓縮的方式存儲到大容量存儲設備中。該設備主要組成部分有數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)存儲部分；數(shù)據(jù)傳輸部分；數(shù)據(jù)調(diào)閱部分；液晶顯示部分；報警電路部分。
實時監(jiān)測采樣信號是通過計算信號諧波確定電源質(zhì)量的。諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經(jīng)負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 軟件流程設計
3．1．1 通信模塊
TCP／IP通信的任務分為服務器方式和客戶機方式兩種。服務器方式是需要監(jiān)聽連接，只有在與客戶機建立連接后才能進行數(shù)據(jù)處理。客戶機方式是主動連接服務器，它也是在連接成功后才能進行數(shù)據(jù)處理。TCP通信時服務器端和客戶機端通信的函數(shù)應用過程如圖4所示。

3．1．2 下位機主程序流程
下位機安裝在被控制電源屏的車站現(xiàn)場，通過TCP／IP協(xié)議接收上位機的控制命令，產(chǎn)牛動態(tài)脈沖驅(qū)動JPXC-1000繼電器，完成電源切換功能。下位機程序運行在μC／OSⅡ?qū)崟r多任務操作系統(tǒng)下，由多個線程完成操作任務。其中，下位機主程序流程如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)在設計時從安全角度出發(fā)，做了很多的條件判斷，以保證系統(tǒng)不會誤動作，確保系統(tǒng)安全運行。

3．2 軟件操作界面
操作控制軟件由C++編寫，上位機軟件安裝在微機監(jiān)測機上，可以運行在Windows操作系統(tǒng)上，對計算機的系統(tǒng)配置沒有特殊要求，在能運行微機監(jiān)測軟件的計算機上都能運行此程序。根據(jù)要完成的功能和系統(tǒng)本身特點，上位機軟件在設計時力求實用，界面簡潔、操作簡單。下面通過界面來介紹軟件的基本功能和操作方法。
3．2．1 系統(tǒng)主操作界面
智能遠程電源切換控制系統(tǒng)主界面如圖6所示。界面上顯示了當前的車站名稱，以及當前車站的網(wǎng)絡連接狀態(tài)。紅色表示網(wǎng)絡中斷，綠色表示網(wǎng)絡連接狀態(tài)良好。如果網(wǎng)絡中斷則界面右側(cè)的操作按鉗是灰色的，表示尢效。只有當網(wǎng)絡連接狀態(tài)良好時，界面右側(cè)的操作按鈕才有效。這樣可以保證用戶不會發(fā)生誤操作。在進行電源切換操作時，為了避免誤操作，設置了兩個步驟，首先要進行準備切換操作，確認以后再進行切換操作。每一步都有操作確認提示。

3．2．2 車站參數(shù)設置界面
車站參數(shù)設置的主要功能就是根據(jù)現(xiàn)場的網(wǎng)絡資源配置各車站的網(wǎng)絡參數(shù)。包括車站名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認網(wǎng)關?？梢栽诘玫綑嘞薜那闆r下，進行刪除、修改、增加等操作。車站參數(shù)設置界面如圖7所示。

3．2．3 操作歷電數(shù)據(jù)界面
電源切換是有關安全的操作，在設置了用戶權限管理的基礎上，為了規(guī)范操作行為，系統(tǒng)還提供了歷史操作數(shù)據(jù)顯示界面，如圖8所示。顯示了操作的時間和對哪個車站進行的具體操作。這樣，結合車站值班記錄就可以定位責任人。

另外，軟件系統(tǒng)包含授權控制部分。管理員密碼可以進行任何操作，包括密碼的修改，網(wǎng)絡參數(shù)的修改，車站的增加和刪除等。而操作員密碼不能修改密碼，不能修改車站以及網(wǎng)絡參數(shù)，僅可以進行電源切換操作，進一步保證切換系統(tǒng)的整體安全性。
3．3 電源信號檢測系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)信號處理流程和界面設計，采用LabVIEW完成。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機語言的顯著區(qū)別是：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。圖9是上位機實時采集存儲的控制界面界面。圖(a)為正常數(shù)據(jù)采樣顯示圖；圖(b)為異常數(shù)據(jù)采樣顯示圖。第一張顯示是時域采樣信號；第二張是諧波分析顯示示意圖。

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過統(tǒng)計分析，正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)分析見表1，表2。從表中可以看出，當電流經(jīng)負載呈非線性特征時，即電路中出現(xiàn)非異常狀態(tài)，系統(tǒng)實時顯示并報警遠程控制端。

4 結語
本文討論了一種遠程電源切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能滿足鐵路現(xiàn)場對遠程操控電源切換的需求，有效提高了現(xiàn)場作業(yè)的工作效率，同時也實現(xiàn)了對各車站電源屏供電的集中控制。該系統(tǒng)的研制，不僅可滿足遠程電源切換的基本需要，而且為現(xiàn)場其他設備的遠程監(jiān)控搭建了一個技術平臺，隨著鐵路技術的進步和新的需要的提出，可以在此平臺上實現(xiàn)對其他設備的臨控。另外，本系統(tǒng)在進行“I路→Ⅱ路”切換的時候，并實時檢查Ⅱ路上電源狀態(tài)，若此時Ⅱ路上電源不正常，系統(tǒng)并不完成切換，而立即報警，進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。