一種基于TCP／IP遠(yuǎn)程通信協(xié)議的新型遠(yuǎn)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(yùn)輸?shù)陌踩托?，確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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程切換單元由電源信號(hào)監(jiān)控、切換單元組成。TCP／IP通信鏈路采用嵌入式操作平臺(tái)，功能包括TCP／IP鏈路控制；用戶軟件控制系統(tǒng)采用C++編寫(xiě)完成，包括界面操作，授權(quán)控制等功能，能滿足站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)電源切換要求的功能。
關(guān)鍵詞：TCP／IP；電源切換系統(tǒng)；電源信號(hào)采集；報(bào)警

0 引言
在鐵路現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)中，信號(hào)設(shè)備是保障鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托实幕A(chǔ)設(shè)施，而信號(hào)設(shè)備的供電系統(tǒng)則是保證信號(hào)設(shè)備正常工作的關(guān)鍵設(shè)備。故所有鐵路系統(tǒng)電源屏均采用雙路供電來(lái)保證電源系統(tǒng)的不問(wèn)斷工作，保證信號(hào)設(shè)備的安全穩(wěn)定工作，保證列車(chē)的安全運(yùn)行。
提供雙路供電的I路電和Ⅱ路電來(lái)源于不同的電力網(wǎng)絡(luò)，而且，一般來(lái)說(shuō)，I路電的電源品質(zhì)要好于Ⅱ路電，當(dāng)然，電源品質(zhì)的好壞對(duì)信號(hào)設(shè)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(dòng)切換到Ⅱ路電供電，若I路電恢復(fù)后，就需要人工到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)進(jìn)行切換操作，以將Ⅱ路電切換到I路電，保證信號(hào)設(shè)備工作在穩(wěn)定可靠狀態(tài)。同時(shí)，在供電過(guò)程中，為保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，提高異常狀態(tài)的分析能力，站場(chǎng)需要實(shí)時(shí)對(duì)供電系統(tǒng)(I路和Ⅱ路)進(jìn)行電源監(jiān)控。
在我國(guó)鐵路車(chē)站信號(hào)設(shè)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(méi)有升級(jí)為智能電源屏，采用的是簡(jiǎn)單的雙路電源切換，當(dāng)I路電源發(fā)生故障時(shí)，自動(dòng)切換到Ⅱ路電源供電，但是當(dāng)I路電源恢復(fù)正常時(shí)，卻不會(huì)自動(dòng)從Ⅱ路電切換到電源質(zhì)量更高的I路電，只有通過(guò)人工按壓現(xiàn)場(chǎng)切換按鈕的辦法切換回I路去。由于車(chē)站之間相距較遠(yuǎn)，短則十幾千米，遠(yuǎn)則幾十千米，這種方法增加了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的工作時(shí)間和勞動(dòng)強(qiáng)度，雖然進(jìn)行的是簡(jiǎn)單的操作，卻要在來(lái)回路途上花費(fèi)大量時(shí)間。
目前已有的技術(shù)，如施耐德電氣、華通機(jī)電、上海工控集團(tuán)等的解決方案，基本采用機(jī)電聯(lián)鎖的方式實(shí)現(xiàn)切換，且價(jià)格昂貴，維護(hù)不便。在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)沒(méi)備和其他設(shè)備的工作狀態(tài)基本實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的情況下，作為關(guān)鍵設(shè)備的電源屏處于這種落后的技術(shù)條件下，不符合鐵路設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)。本文旨在研究設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)完成切換工作的設(shè)備，該設(shè)備可以減少工人干預(yù)，提高鐵路供電系統(tǒng)的自動(dòng)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電源屏雙路電源遠(yuǎn)程切換的需求和現(xiàn)有機(jī)電切換系統(tǒng)功能的不足，本系統(tǒng)提出了基于TCP／IP遠(yuǎn)程通信協(xié)議和嵌入式系統(tǒng)的電源智能遠(yuǎn)程切換系統(tǒng)方案，可有效解決鐵路現(xiàn)場(chǎng)對(duì)電源屏遠(yuǎn)程操控需求的問(wèn)題。本系統(tǒng)利用鐵路車(chē)站現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)，在微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上安裝一套控制軟件，在車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)安裝一套切換控制系統(tǒng)，在微機(jī)監(jiān)測(cè)的微機(jī)上通過(guò)操作控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工區(qū)各車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)電源屏的遠(yuǎn)程切換功能，在不需要增加任何通信線路和微機(jī)設(shè)備的情況下，完成上述的記切換功能，實(shí)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(yuǎn)程切換功能；各車(chē)站電源屏遠(yuǎn)程切換系統(tǒng)與控制中心(工區(qū)微機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī))的通信鏈路檢測(cè)；控制軟件實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限和操作錄管理功能。

雙路電源切換系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中帶有LED指示燈的模塊為切換系統(tǒng)車(chē)站控制部分，模塊中的所有器件都安裝到一個(gè)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(chē)站端不需要任何人工干預(yù)。各車(chē)站的電源切換統(tǒng)一由一個(gè)上位機(jī)程序控制。通信接口選用TCP／IP通信協(xié)議，達(dá)到10 Mb／s的通信速率，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)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(guò)網(wǎng)關(guān)和路由器，達(dá)到遠(yuǎn)程切換電源的設(shè)計(jì)要求。

2 系統(tǒng)硬件關(guān)鍵技術(shù)
2．1 系統(tǒng)架構(gòu)
電源遠(yuǎn)程切換系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。遠(yuǎn)程切換系統(tǒng)采用ARM7平臺(tái)設(shè)計(jì)，其核心是一塊工業(yè)級(jí)的MiniArm工控模塊，用來(lái)完成繼電器驅(qū)動(dòng)、繼電器切換狀態(tài)的檢測(cè)、遠(yuǎn)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(guò)高可靠性開(kāi)關(guān)電源輸出24 VDC提供?？刂坪械拿姘迳显O(shè)計(jì)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(shè)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(cè)JPXC-1000吸起狀態(tài)。

在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，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?yàn)楝F(xiàn)有的微機(jī)監(jiān)測(cè)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(wú)效的。
2．2 雙路電源切換原理
為了滿足遠(yuǎn)程雙路電源切換的要求，而又不影響原手動(dòng)切換的功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的切換電路是在原繼電系統(tǒng)電路上增加了兩個(gè)安全型繼電器JPXC-1000，通過(guò)對(duì)安全型繼電器JPXC-1000的遠(yuǎn)程控制達(dá)到動(dòng)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(lèi)似于人工手動(dòng)摁壓切換開(kāi)關(guān)。切換電路原理如圖3所示。

從圖3可以看出，當(dāng)需要遠(yuǎn)程控制從I路切換到Ⅱ路電源時(shí)，微機(jī)監(jiān)測(cè)的計(jì)算機(jī)上操作切換動(dòng)作，發(fā)出切換命令，則車(chē)站的切換模塊收到切換命令后內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)態(tài)脈沖，在KM2-上產(chǎn)生24 VDC電壓，驅(qū)動(dòng)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(shí)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(dòng)作完成后，切換模塊停止產(chǎn)生動(dòng)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(diǎn)上的電流即是交流接觸器的線圈電流，并不是電源負(fù)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(shè)備維護(hù)規(guī)范要求。而且電源的切換時(shí)間與JPCX-1000型繼電器的動(dòng)作時(shí)間沒(méi)有任何關(guān)系，還是取決于交流接觸器的動(dòng)作時(shí)間，所以增加了JPCX-1000型繼電器后，對(duì)切換時(shí)間沒(méi)有影響。
2．3 系統(tǒng)供電
電源切換系統(tǒng)的下位機(jī)使用電源屏輸出的220 V／AC供電，當(dāng)下位機(jī)控制電源屏進(jìn)行電源切換時(shí)，是否會(huì)導(dǎo)致下位機(jī)在控制電源屏切換未成功時(shí)，下位機(jī)掉電，導(dǎo)致下位機(jī)工作不正常。
根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)，正常切換時(shí)，交流接觸器的切換時(shí)間要小于150 ms，而下位機(jī)在斷電200mS以下時(shí)，電源模塊中的儲(chǔ)能可維持系統(tǒng)正常工作，不會(huì)發(fā)生系統(tǒng)重新啟動(dòng)的情況。即使斷電時(shí)間超過(guò)200ms，系統(tǒng)重新啟動(dòng)，也不會(huì)影響原切換系統(tǒng)的工作。另外，其實(shí)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(huì)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(guān)鍵部件發(fā)送切換故障，否則系統(tǒng)不會(huì)斷電。
2．4 數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)
電源質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，實(shí)時(shí)采集電壓、電流量，以波形顯示的方式在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電源情況，并判斷異常情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控完成報(bào)警；同時(shí)，監(jiān)測(cè)的全部數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)壓縮的方式存儲(chǔ)到大容量存儲(chǔ)設(shè)備中。該設(shè)備主要組成部分有數(shù)據(jù)采集部分；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(bào)警電路部分。
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采樣信號(hào)是通過(guò)計(jì)算信號(hào)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(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)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(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。由于半導(dǎo)體晶閘管的開(kāi)關(guān)操作和二極管、半導(dǎo)體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)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(shè)計(jì)
3．1 軟件流程設(shè)計(jì)
3．1．1 通信模塊
TCP／IP通信的任務(wù)分為服務(wù)器方式和客戶機(jī)方式兩種。服務(wù)器方式是需要監(jiān)聽(tīng)連接，只有在與客戶機(jī)建立連接后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？蛻魴C(jī)方式是主動(dòng)連接服務(wù)器，它也是在連接成功后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。TCP通信時(shí)服務(wù)器端和客戶機(jī)端通信的函數(shù)應(yīng)用過(guò)程如圖4所示。

3．1．2 下位機(jī)主程序流程
下位機(jī)安裝在被控制電源屏的車(chē)站現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)TCP／IP協(xié)議接收上位機(jī)的控制命令，產(chǎn)牛動(dòng)態(tài)脈沖驅(qū)動(dòng)JPXC-1000繼電器，完成電源切換功能。下位機(jī)程序運(yùn)行在μC／OSⅡ?qū)崟r(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)下，由多個(gè)線程完成操作任務(wù)。其中，下位機(jī)主程序流程如圖5所示。從圖中可以看出，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)誤動(dòng)作，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行。

3．2 軟件操作界面
操作控制軟件由C++編寫(xiě)，上位機(jī)軟件安裝在微機(jī)監(jiān)測(cè)機(jī)上，可以運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)上，對(duì)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)配置沒(méi)有特殊要求，在能運(yùn)行微機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的計(jì)算機(jī)上都能運(yùn)行此程序。根據(jù)要完成的功能和系統(tǒng)本身特點(diǎn)，上位機(jī)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)力求實(shí)用，界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單。下面通過(guò)界面來(lái)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(yuǎn)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(dāng)前的車(chē)站名稱，以及當(dāng)前車(chē)站的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。紅色表示網(wǎng)絡(luò)中斷，綠色表示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好。如果網(wǎng)絡(luò)中斷則界面右側(cè)的操作按鉗是灰色的，表示尢效。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好時(shí)，界面右側(cè)的操作按鈕才有效。這樣可以保證用戶不會(huì)發(fā)生誤操作。在進(jìn)行電源切換操作時(shí)，為了避免誤操作，設(shè)置了兩個(gè)步驟，首先要進(jìn)行準(zhǔn)備切換操作，確認(rèn)以后再進(jìn)行切換操作。每一步都有操作確認(rèn)提示。

3．2．2 車(chē)站參數(shù)設(shè)置界面
車(chē)站參數(shù)設(shè)置的主要功能就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)資源配置各車(chē)站的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。包括車(chē)站名稱、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)?？梢栽诘玫綑?quán)限的情況下，進(jìn)行刪除、修改、增加等操作。車(chē)站參數(shù)設(shè)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(guān)安全的操作，在設(shè)置了用戶權(quán)限管理的基礎(chǔ)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(shí)間和對(duì)哪個(gè)車(chē)站進(jìn)行的具體操作。這樣，結(jié)合車(chē)站值班記錄就可以定位責(zé)任人。

另外，軟件系統(tǒng)包含授權(quán)控制部分。管理員密碼可以進(jìn)行任何操作，包括密碼的修改，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的修改，車(chē)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(chē)站以及網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，僅可以進(jìn)行電源切換操作，進(jìn)一步保證切換系統(tǒng)的整體安全性。
3．3 電源信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)信號(hào)處理流程和界面設(shè)計(jì)，采用LabVIEW完成。LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。圖9是上位機(jī)實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)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(shí)域采樣信號(hào)；第二張是諧波分析顯示示意圖。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)分析見(jiàn)表1，表2。從表中可以看出，當(dāng)電流經(jīng)負(fù)載呈非線性特征時(shí)，即電路中出現(xiàn)非異常狀態(tài)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示并報(bào)警遠(yuǎn)程控制端。

4 結(jié)語(yǔ)
本文討論了一種遠(yuǎn)程電源切換系統(tǒng)，該系統(tǒng)能滿足鐵路現(xiàn)場(chǎng)對(duì)遠(yuǎn)程操控電源切換的需求，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的工作效率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)各車(chē)站電源屏供電的集中控制。該系統(tǒng)的研制，不僅可滿足遠(yuǎn)程電源切換的基本需要，而且為現(xiàn)場(chǎng)其他設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控搭建了一個(gè)技術(shù)平臺(tái)，隨著鐵路技術(shù)的進(jìn)步和新的需要的提出，可以在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的臨控。另外，本系統(tǒng)在進(jìn)行“I路→Ⅱ路”切換的時(shí)候，并實(shí)時(shí)檢查Ⅱ路上電源狀態(tài)，若此時(shí)Ⅱ路上電源不正常，系統(tǒng)并不完成切換，而立即報(bào)警，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。