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為了減少制動(dòng)能量在列車(chē)制動(dòng)電阻上的耗散，抑制地鐵隧道內溫度的升高和減少車(chē)載設備，國外一般在牽引變電所的直流母線(xiàn)上設置再生制動(dòng)能量吸收裝置。設置再生制動(dòng)能量吸收裝置的供電系統區別于傳統的二極管不控整流供電系統，又被稱(chēng)為城市軌道交通新型供電系統。 新型牽引供電系統的結構由若干整流器單元多重化并聯(lián)組成。采用這種結構方式，可以提高系統的供電質(zhì)量，同時(shí)供電裝置擴容容易，并可以提供一定的冗余性。另外其直流側的制動(dòng)能量可以回饋到交流電網(wǎng)，交流側功率因數可調，并且直流側的輸出特性完全可控。 為了保障供電系統調試及運行的正常，要求對供電系統動(dòng)態(tài)過(guò)程中的各電氣參量、溫度值及開(kāi)關(guān)量等進(jìn)行測量、傳輸、顯示、存儲及故障診斷，方便用戶(hù)觀(guān)察數據、分析數據。而目前測量電參數主要依靠示波器、電壓表、電流表以及萬(wàn)用表等儀表裝置，這些儀表會(huì )影響PWM整流器的正常運行、威脅技術(shù)人員人身安全、使調試過(guò)程復雜化等，急需開(kāi)發(fā)一種新的技術(shù)來(lái)代替傳統的測量?jì)x器。此外，為方便設計人員調試修改供電系統底層程序，需要設計控制系統，實(shí)現與主控板的數據通訊。 為了解決以上問(wèn)題，本文研究了新型供電系統的監控要求，以PWM整流器子系統為監控對象，設計了包含監測子系統和控制子系統的監控試驗平臺。 1 監控系統方案 根據系統的設計要求、考慮到設計人員和使用人員的應用層次不同，本文設計的新型能饋式牽引供電系統的監控系統主要分為兩個(gè)部分，即監測子系統和控制子系統，如圖1所示。 由圖1可知，本監測控制系統的主要由監測子系統和控制子系統構成，其中監測子系統又包括下位機系統和上位機系統，控制子系統主要通過(guò)設計控制器實(shí)現。新型能饋式牽引供電系統監控結構圖如圖2所示。 1．1 監測子系統研究 新型能饋式牽引供電系統監測子系統的示意圖如圖3所示，監測子系統由下位機系統和上位機系統構成。 1．1．1 監控子系統的下位機系統研究 監測子系統的下位機系統主要由多路傳感器、信號調理板、監測板以及網(wǎng)絡(luò )通信傳輸單元構成。監測子系統的上位機系統由基于LabVIEW的監測軟件組成。 監測系統下位機系統的結構如圖4所示。首先傳感器采集模擬量送給模擬信號調理板，PWM整流器單元給出相關(guān)數字量給數字量調理板。調理板將調理后的模擬信號、數字信號送給監測板，監測板可以將得到的信號通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸單元進(jìn)行數據傳輸。 1．1. 2 監控子系統的上位機系統設計 監測系統上位機系統主要指上位機監測軟件。本文應用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件為平臺，在此基礎上開(kāi)發(fā)新型能饋式牽引供電系統調試需要的上層監測軟件。監測軟件主界面大致分為6個(gè)部分，分別是供電系統狀態(tài)、PWM1狀態(tài)、PWM2狀態(tài)、PWM3狀態(tài)、PWM4狀態(tài)以及故障狀態(tài)。 其中，供電系統狀態(tài)主要用來(lái)顯示供電系統的整體狀態(tài)，如變壓器、機組、接觸網(wǎng)信號等等；此外，在主界面右側顯示了供電系統的數字量信號，如開(kāi)機信號、關(guān)機信號、整流狀態(tài)信號、逆變狀態(tài)信號、交流側接觸器狀態(tài)、直流側接觸器狀態(tài)等，如圖5所示。 PWM1、P WM2、PWM3及PWM4狀態(tài)：主要用來(lái)顯示每個(gè)PWM的運行狀態(tài)，如圖6所示。 此外，還設計了故障顯示界面，用于顯示系統故障信號及故障診斷結果。 1．1．3 以太網(wǎng)通信實(shí)現 在監測子系統中，下位機系統通過(guò)以太網(wǎng)將監測數據打包發(fā)送給上層監測軟件，因此，以太網(wǎng)通信的實(shí)現對于監測系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。 以太網(wǎng)通信結構如圖7所示，硬件電路通過(guò)LAN91C11 1以太網(wǎng)芯片實(shí)現，在網(wǎng)絡(luò )層通過(guò)IP自動(dòng)分配以及ARP請求實(shí)現握手協(xié)議，在傳輸層通過(guò)UDP實(shí)現數據通信，從而將數據從下位機傳給上位機。 1．2 控制子系統設計 控制子系統即控制器，主功能分為4個(gè)部分：控制命令、參數查詢(xún)、故障信息、參數設置。有了這些功能，就能在一般環(huán)境中(無(wú)監測儀器及PC機)對供電系統的運行情況、故障信息等進(jìn)行顯示，同時(shí)能對重要參數進(jìn)行修改。 1．2．1 控制器的硬件設計 控制器系統硬件組成主要有：CPU控制單元、網(wǎng)絡(luò )傳輸單元、液晶顯示單元、按鍵操作單元以及DA輸出單元�？刂破鞯挠布Y構如圖8所示。 控制器的CPU單元采用TMS320C28X系列中的DSP2812，它具有串行外圍接口(SPI)、兩個(gè)串行通信接口(SCIs)、改進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò )(eCAN)、多通道緩沖串行接口(McBSP)。DSP2812主頻高，能夠滿(mǎn)足控制器的通訊速率，同時(shí)可以很好地支持控制器所需要的：RS232、RS485外圍設備，降低了系統的開(kāi)發(fā)難度。 控制器的網(wǎng)絡(luò )通信單元主要包括RS232模塊、RS485模塊。RS232通訊模塊使用MAX232作為總線(xiàn)的接口芯片，與DSP的SCI接口相連。RS232主要用于控制器與PC機之間的通訊及實(shí)現DSP程序的遠程燒寫(xiě)。RS485通訊模塊使用MAX485作為總線(xiàn)的接口芯片，與DSP的SCI接口相連。模塊內部采用了HCPL2610高速隔離光耦用作電平轉換和信號隔離，模塊的輸出側裝設了的防過(guò)壓涌流和抗干擾電路，以提高通訊的可靠性。RS4．85通信模塊電路如圖9所示。 控制器中的液晶顯示單元采用LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊。該模塊電源操作范圍寬(2．7V to5．5V)，其低功耗設計可滿(mǎn)足產(chǎn)品的省電要求。同時(shí)，模塊與微控器的接口界面靈活(三種模式：并行8位／4位，串行3線(xiàn)／2線(xiàn))，可實(shí)現漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，支持所有的主流液晶操作指令，預留多種控制線(xiàn)(復位／串并選擇／亮度調整)供用戶(hù)靈活使用。 LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊使用串行總線(xiàn)方式時(shí)，只需要時(shí)鐘線(xiàn)與數據線(xiàn)結合其他必要的信號即可，硬件上可以大大簡(jiǎn)化。串行方式時(shí)，DSP并不需要向外提供數據／地址總線(xiàn)其他的讀／寫(xiě)信號，這使得DSP的管腳數并不需要很多，進(jìn)一步降低了硬件的復雜程度，提高了系統總體的工作可靠性。 因此，本文中LCM128645ZK型中文液晶顯示模塊工作于串行總線(xiàn)方式。DSP使用SPI通訊接口與LCM128645ZK進(jìn)行通訊，發(fā)送相關(guān)的控制指令和數據，控制液晶模塊執行相應的操作，顯示相關(guān)的數據。液晶顯示單元的硬件電路如圖10所示。 1．2．2 控制器的軟件設計 控制器軟件流程如圖11所示，控制器上電初始化后，系統先對CPU和液晶進(jìn)行初始化，設置必要的寄存器，清空液晶的顯示數據，使其進(jìn)入相應的工作方式。每隔10ms對按鍵掃描一次，檢查是否有鍵按下，如果有按鍵按下，則根據預先確定的工作時(shí)序控制液晶的顯示，實(shí)現頁(yè)面的翻轉、菜單項的移動(dòng)、相關(guān)參數的修改和顯示等功能。每隔3s重新發(fā)送一次485通訊數據。這樣可以實(shí)現通訊上的冗余，增加通訊的可靠性。 2 結束語(yǔ) 本文研究了新型能饋式牽引供電系統監測控制試驗平臺，設計了監控測試系統的監測子系統(上位機系統、下位機系統)、控制子系統(控制器)。經(jīng)過(guò)在實(shí)際裝置上的調試應用，牽引供電系統監控平臺滿(mǎn)足了新型能饋式牽引供電系統實(shí)際調試和運行時(shí)的監測要求，實(shí)現了預期功能。監測平臺的數據和波形顯示實(shí)時(shí)性好，測量精度高，傳輸距離遠，數據可靠性強。本文提出的監測平臺設計方案在牽引供電或者其他直流供電領(lǐng)域相關(guān)方面會(huì )有很好的應用前景。 |
