基于PCM的磁懸浮列車(chē)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘要：以磁懸浮列車(chē)為對(duì)象，采用SIEMENS公司的PLC，研究了列車(chē)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出了智能式和非智能式兩種方案，并對(duì)兩種分布式網(wǎng)絡(luò)、MPI網(wǎng)絡(luò)和CP340與上位機(jī)的通信進(jìn)行了研究，給出了具體的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：磁懸浮 監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 分布式網(wǎng)絡(luò)

磁懸浮列車(chē)突破了普通鐵路交通系統(tǒng)中使用車(chē)輪和軌道的傳統(tǒng)技術(shù)界限，是沒(méi)有車(chē)輪的、無(wú)接觸的新型軌道交通工具，被譽(yù)為二十一世紀(jì)理想的交通工具。對(duì)于交通運(yùn)輸系統(tǒng)，安全是第一因素。因此，本文以磁懸浮列車(chē)為對(duì)象，主要研究基于PLC的列車(chē)信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Maglev Train Monitoring System，簡(jiǎn)稱(chēng)MTMS）。

PLC現(xiàn)已成功運(yùn)用在國(guó)內(nèi)外大量的輕軌車(chē)系統(tǒng)中，如德國(guó)SIEMENS公司DUEWAG AG （Krefeld-Verdingen）制造動(dòng)力分散型輕軌車(chē)RegioSprinter，實(shí)現(xiàn)了多功能的分散控制，操作方便、容易監(jiān)視。本文采用SIEMENS公司的S7-300系列小型PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 MTMS的分析和設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)分析

MTMS主要實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)和車(chē)體信號(hào)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和故障診斷，主要完成對(duì)車(chē)載3×16臺(tái)懸浮控制器、3×2臺(tái)推進(jìn)用逆變器、3×1臺(tái)DC-DC變換器及備用電池、3×1臺(tái)空調(diào)逆變器以及其它輔助電源（以三輸車(chē)為例）的工作狀態(tài)、故障信息的檢測(cè)和記錄，并將獲得的信息傳給上位機(jī)去處理并顯示。由于列車(chē)速度快、信號(hào)量較多、環(huán)境復(fù)雜，因此MTMS系統(tǒng)必須有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性，并且可以采集大量的開(kāi)關(guān)量和模擬量信號(hào)。經(jīng)比較，本文選擇了SIEMENS公司的S7-300型PLC組成PLC網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 方案設(shè)計(jì)

本文以三輛車(chē)為例，分別稱(chēng)首車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)。各節(jié)車(chē)廂通過(guò)各種傳感器獨(dú)立完成各自的信號(hào)檢測(cè)，通過(guò)PROFIBUS總線(xiàn)將信息匯總于首、尾兩車(chē)，進(jìn)行顯示。各節(jié)車(chē)廂的PLC組成遠(yuǎn)程分布式I/O系統(tǒng)，各個(gè)站之間采用DP協(xié)議進(jìn)行通信。該系統(tǒng)分為智能的和非智能的兩種。MTMS的系統(tǒng)組成如圖1所示。

各站采用S7-300的十個(gè)槽的導(dǎo)軌、PS307（5A）的電源，用SM321（DI）、SM331（AI）實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。主站均采用CPU315-2，智能的從站也用CPU315-2，但非智能的從站則用ET200（IM153-1）。首尾兩車(chē)各加一個(gè)CP340模塊，用于與上位機(jī)進(jìn)行通信。主站的多點(diǎn)通信接口（MPI口）與駕駛系統(tǒng)進(jìn)行通信。在選模塊的時(shí)候，應(yīng)注意選擇的模塊要滿(mǎn)足列車(chē)所在地的溫度要求，保證各個(gè)模塊能夠正常工作。

2 分布式網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

智能和非智能主要指從站是否具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理能力，用SIEMENS公司的STEP7 5.0進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，二者有很大的區(qū)別。

2.1 智能分布式I/O系統(tǒng)

對(duì)于智能分布式I/O系統(tǒng)而言，各站相對(duì)獨(dú)立。將首車(chē)配置成主站，中間車(chē)和尾車(chē)設(shè)成從站，用PROFIBUS總線(xiàn)進(jìn)行連接。

2.1.1 具體步驟

（1）創(chuàng)建項(xiàng)目，獨(dú)立配置各站。其中模擬模塊要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)要接收的信號(hào)種類(lèi)，選擇信號(hào)類(lèi)型以及測(cè)量范圍。

(2)加入PROFIBUS子網(wǎng)，配置網(wǎng)絡(luò)，界面如圖2所示。然后插入Dp Master，連接從站（將各CPU取到PROFIBUS之后，點(diǎn)擊DP MASTER，從組件中拖進(jìn)CONFIGURATION STATIONS，在彈出的界面中選擇要連接的站，單擊CONNCT）。

（3）在DP SLAVE中定義數(shù)據(jù)交換的類(lèi)型、緩沖區(qū)和長(zhǎng)度。類(lèi)型選擇MS方式，長(zhǎng)度不能超過(guò)32個(gè)字節(jié)。如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大于32個(gè)字節(jié)，可以組態(tài)多行，但最多不能超過(guò)242個(gè)字節(jié)，如圖3所示。而主站的這些內(nèi)容是不能定義。

（4）在BLOCK中添加OB82診斷模塊。系統(tǒng)運(yùn)行之前，OB82模塊要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行診斷，并將結(jié)果報(bào)告給CPU。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，系統(tǒng)將正常地工作，否則不能進(jìn)行工作。

（5）保存并編譯。這樣，就完成了智能型分布式I/O的組態(tài)。

2.1.2 通信程序

在OB塊中調(diào)用系統(tǒng)功能塊SFC14（OPRD-DAT）和SFC15（DPWDDAT）進(jìn)行通信。

CALL “DPWR_DAT” CALL “DPRD_DAT”

LADDR：= LADDR：=

RET_VAL：= RECORD：=

RECORD：= RET+VAL：=

二者的參數(shù)“LADDR”表示發(fā)送和接收緩沖區(qū)起始地址，“RET-VAL”表示返回狀態(tài)值，“RECORD”表示存放數(shù)據(jù)和讀取數(shù)據(jù)的起始地址，詳細(xì)編程略。

2.2 非智能分布式I/O網(wǎng)絡(luò)

非智能分布式I/O系統(tǒng)必須以主站為依靠，利用PROFIBUS連接各站，具體如圖4所示。主站可以直接從從站的A/D端口讀取所需要的信息。

具體步驟為：

（1）創(chuàng)建項(xiàng)目，組態(tài)主站。

（2）加入PROFIBUS子網(wǎng)，連入ET200。

（3）在主站的硬件組態(tài)中，對(duì)ET200進(jìn)行組態(tài)。

（4）編程，在主站的OB塊中可以直接對(duì)從站的各個(gè)端口進(jìn)行操作，無(wú)需額外調(diào)用功能塊。

（5）保存并編譯，將程序下載到CPU中。

2.3 MPI網(wǎng)絡(luò)通信

列車(chē)的MTMS系統(tǒng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，它與列車(chē)駕駛系統(tǒng)的PLC采用MPI網(wǎng)絡(luò)連接，進(jìn)行全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。將主站和駕駛系統(tǒng)的PLC組成MPI網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行少量的全局?jǐn)?shù)據(jù)通信。

具體步驟為：

（1）在分布式網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中加入MPI子網(wǎng)，并將與駕駛系統(tǒng)通信的PLC連入MPI網(wǎng)絡(luò)中。

（2）組態(tài)全局?jǐn)?shù)據(jù)包。右鍵單擊MPI，進(jìn)入CPNFIGURE GLOBAL DATA。加入要進(jìn)行通信的CPU，并填入要交換的數(shù)據(jù)，注意一個(gè)GD包不能大于24個(gè)字節(jié)。將GD包編譯兩次（以可組多個(gè)GD包，但是需要多個(gè)循環(huán)才能執(zhí)行完畢）。編譯之后如圖5所示。

在CPU的每次循環(huán)中，兩個(gè)PLC之間都進(jìn)行了一次數(shù)據(jù)交換，在循環(huán)的結(jié)束時(shí)處理發(fā)送，開(kāi)始時(shí)處理接收。這樣就實(shí)現(xiàn)了與駕駛系統(tǒng)之間的通信。

3 PLC與上位機(jī)的通信

主站最終要把獲取的信息傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示，由CP340來(lái)完成這項(xiàng)工作。CP340是具有RS232和RS485兩種接口的智能通信模塊，它可以使PLC與計(jì)算機(jī)進(jìn)行對(duì)點(diǎn)通信。它的RS485接口采用差動(dòng)輸出，具有遠(yuǎn)距離通信的能力（1100m），能夠滿(mǎn)足需要。它對(duì)上位機(jī)的串口進(jìn)行操作，使用ASCII協(xié)議。在組態(tài)的時(shí)候要對(duì)它進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括通信的波物率、幀的長(zhǎng)度、有無(wú)奇偶校驗(yàn)以及校驗(yàn)類(lèi)型。程序中對(duì)CP340的操作主要由CP軟件包提供的FB2（P-RCV）和FB3（P-SEND）完成，它發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)必須要放在數(shù)據(jù)塊中。這樣上位機(jī)可以在串口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，通信數(shù)據(jù)的數(shù)量則沒(méi)有限制。

對(duì)于兩種網(wǎng)絡(luò)，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。智能的組態(tài)和編程都很方便，便于擴(kuò)展，速度比較快，但是造價(jià)較高；而非智能的擴(kuò)展時(shí)的變動(dòng)很大，要牽扯到整個(gè)系統(tǒng)，速度相對(duì)慢一睦，但是它比較便宜。