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    近年來隨著城市軌道交通自動化系統的快速發展，很多大型設備的監視和控制都選用微型PLC進行改造。對某些控制點少而控制邏輯又較復雜的小型設備來說，微型可編過程控制器緊湊的設計、良好的擴展性、低廉的價格、強大的指令以及較高的可靠性和簡便的維護近乎完美的滿足了小規模的控制要求。如750V直流開關柜的測控單元開關整流器的監視單元和400V開關柜的測控單元等均采用了PLC可編程程控制器，給安裝、運行、維護帶來諸多的便利。以下給出的就是S7-200 PLC在北京軌道交通五號線直流牽引監控系統中的一個典型應用實例。

1、需求分析

    城市軌道交通供電系統是自成體系的配電系統，包含有傳統的交流供電系統和直流牽引供電系統兩部分。為了實現整體系統的安全可靠運行，必須實現電力系統的調度、運營和管理的自動化。

    變電站綜合自動化系統是軌道交通供電自動化的基本組成，是實現電力監控系統功能的基本單元。軌道交通變電站內各層之間的信息可充分共享，并通過通信接口與外系統交換信息。設計一個快速、穩定、可靠的控制網絡是軌道交通變電站自動化系統的基本要求之一，是實現軌道交通供電系統運行管理功能的前提。

    整個上來講，軌道交通變電站綜合自動化系統劃分為站級管理層，網絡通信層，間隔層：

    1） 站級管理層為設置在控制信號盤內的冗余熱備的通信控制器、通用測控裝置和一體化監視計算機。

    2） 間隔層包括分散安裝于供電一次設備中的各種微機保護測控單元、信息采集設備、智能測控單元以及采用硬接點接入的現場設備。設備包括400V及10kV交流保護測控單元、750V直流保護測控單元、變壓器溫控器、軌電位限制裝置、制動能量吸收裝置、雜散電流監控單元、UPS直流屏、電度表、上網隔離開關、跟隨所負荷開關等；

    3） 網絡通信層即為所內通信網絡和接口設備，間隔單元通過所內通信網絡層與站級管  理層進行數據交換。
      整個系統面向變電所通盤考慮，通過間隔單元與一次開關設備、CT/PT等設備接口，實現對變電所設備的控制、監視、測量、繼電保護及數據管理、遠程通信等綜合自動化管理，以保證供電系統的安全可靠運行。

    一般來講，軌道交通供電系統分為高壓電源系統，直流牽引供電系統，動力、照明、信號電源三個系統。在軌道交通五號線供電系統中，作為軌道交通變電所自動化系統間隔層非常重要的組成部分，直流牽引供電系統直接給列車提供動力，其好壞直接影響整個地鐵供電系統質量的高低。如果牽引供電系統出現問題，小則影響某個變電站、幾個供電區間的輸送電，大則引起整個牽引供電系統崩潰，給地鐵列車的安全、運營造成影響。

    軌道交通牽引供電系統是直接為地鐵列車提供動力的系統，可以保證地鐵列車高速、安全、可靠、經濟節電地運行。目前北京軌道交通五號線牽引供電的運行采用雙機組雙邊供電方式，即每個牽引變電站2臺牽引機組帶2臺總閘，并列向直流母線供電運行，直流母線下設4臺分閘，即饋線開關（加上備用共5臺）,分別向上行、下行車輛進行主備供電，兩個相鄰的牽引變電站同時向站內同一饋電區間供電，如圖1所示：

2 S7-200 PLC具體實現功能

    圖1中，R1、R2為整流器裝置，60、70為直流進線隔離開關，10、20、30、40和50為饋線斷路器，61和71為進線斷路器，65和75為負極斷路器，14、24、34和44為旁路隔離開關，而16、26、36和46為上網隔離開關，813和824為越區隔離開關，除了旁路隔離開關和上網隔離開關之外，所有的保護和測控工作一般均由直流保護裝置（如DPU 96）進行監視和控制，而對于旁路隔離開關和上網隔離開關的監視和控制工作將是由S7-200 PLC來完成，對于每一個饋線開關來講，均配置一個型號為“6ES7 277-0AA2-0XA0”的S7-200 PLC，該PLC主要有8個字節的輸出和8個字節的輸入，其完成的監控功能如下表1所示：
   
    點描述 點類型 上位機 DP地址

    　－ 　－ 　－ 字節 位

    旁路隔離開關分 DI 采集 2 0

    旁路隔離開關合 DI 采集 2 1

    旁路隔離開關 故障 DI 采集 2 2

    上網電隔操作就地方式 DI 采集 3 0

    上網電隔操作遙控方式 DI 采集 3 1

    上網隔離開關分 DI 采集 3 2

    上網隔離開關合 DI 采集 3 3

    上網隔離開關 故障 DI 采集 3 4

    三軌有壓 DI 采集 3 5

    上網隔離開關MCB跳閘 DI 采集 4 0

    三軌有壓檢測設備故障 DI 采集 4 1

    旁路隔離開關分閘命令 DO 控制 1 0

    旁路隔離開關合閘命令 DO 控制 1 1

    上網隔離開關分閘命令 DO 控制 1 2

    上網隔離開關合閘命令 DO 控制 1 3

    3 S7-200 PLC與上位機通信過程

     以北京軌道交通五號線為例，變電所自動化系統采用的是南瑞的RT21-SAS系統，而750V直流開關柜測控單元S7-200 PLC與上位機RT21-SAS系統的通信接口采用就是PROFIBUS-DP規約與南瑞的C101通信控制器PROFIBUS主站進行連接， C101通信控制器除了S7-200 PLC進行主從連接外，還提供另一路PROFIBUS-DP接口與750V直流開關柜直流保護測控單元DPU96，每個站設置2套協議及光電轉換模塊，實現PROFIBUS－DP信息的接入。此外，10KV的整流器監控單元與RT21-SAS系統的通信接口方案也是經過PROFIBUS-DP規約與C101通信控制器實現互聯。具體連接方案如圖2所示。

     S7-200 PLC作為DP從站，與C101通信控制器實現互聯通信。C101通信控制器為南瑞自主研發的遵循EN50170標準的PROFIBUS-DP主站，它主要完成PROFIBUS協議轉換成與總控通信的CAN2.0B協議。S7-200 PLC作為C101的從站，主要用于750V直流饋線柜的旁路隔離開關和上網隔離開關的監控、數據采集等功能。

    從通信流程上來講，S7-200 PLC主要是通過EM 277將S7-200 PLC CPU作為DP從站連接到PROFIBUS-DP現場總線網絡中，此外，S7-200 PLC的EM 277還用來作為西門子STEP7 V5.3對S7-200 PLC進行組態，主要是通過S7-200 PLC的MPI通訊口與裝有西門子STEP7 V5.3的計算機來對STEP S7軟件進行組態。為了使S7-200 PLC的EM 277 PROFIBUS-DP模塊可以與主站通訊，S7-200 PLC與主站必須工作在相同的波特率下。當EM 277 PROFIBUS-DP模塊用作MPI通訊時，其MPI主站必須使用DP模塊的站址向S7-200發送組態信息，發送到EM 277 DP模塊的MPI組態信息，將會被傳送到S7-200 PLC上，從而達到對S7-200 PLC組態的目標。以下為S7-200 PLC作為DP從站與C101主站的組態參數配置如表2所示：

    參數 數值 備注

    主站站址 2 處于通信效率考慮，一般要求主站站址小于子站站址

    子站地址 11、12, 13, 14 子站地址連續可以取得更高的通信效率

    波特率 187,5 kbit/s 通信速率須適中，過高將會帶來通信誤碼率過高

    HSA 31 最高站地址，所有子站地址均要小于該地址

    Tslot_Init 600 主站掃描S7-200 PLC全部子站的最大掃描時間

    Max.Tsdr 80 主站掃描一個S7-200 PLC子站的最大等待時間

    Min.Tsdr 11 主站掃描一個S7-200 PLC子站的最小等待時間

    Retry-Limit 1 主站與一個S7-200 PLC子站通信出錯的嘗試次數

    數據出入 8 命令控制方向，單位為字節，參見表1中的DP地址列定義

    數據輸出 8 數據采集方向，單位為字節，參見表1中的DP地址列定義

    整體上，所有的現場PROFIBUS-DP通信設備均使用PROFIBUS-DP規約接入南瑞自主研發的C101通信控制器，C101通信控制器主要目的就是利用PROFIBUS-DP通信規約采集底層現場設備的數據，并通過雙CAN現場總線規約送往南瑞的PSCADA總控系統C302，另外，C101還將接受C302的各種控制、查詢命令，對底層PROFIBUS-DP現場設備進行實時監控，從而滿足了北京地鐵五號線的750V直流測控的實時數據采集、監控、繼電保護等各種功能。

    實現上，C101通信控制器與底層設備的數據傳輸速率為187.5K，C101做DP的通信主站，周期性的掃描底層設備，根據北京地鐵軌道交通公司的要求，C101通信控制器提供兩組PROFIBUS通信接口。其中一組光纖接口連接西門子的直流測控保護裝置DPU 96，另一組光纖接口連接西門子的系列S7-200完成對750V直流進線柜、負極柜、饋線柜一次設備的實時監控功能。之所以采用兩組光纖接口是由于750V直流開關室與變電所監控中心的距離比較遠（一般500～1km），使用電接口將會導致信號衰減以致于誤碼率將會大大提高。

    PROFIBUS的應用，首先必須進行嚴格的組態，使主站與從站的數據嚴格一致，考慮到使用者大多熟悉SIEMENS公司提供的通用組態軟件COM PROFIBUS，應用軟件使用的數據文件格式和用COM PROFIBUS生成的數據文件格式完全相同，并且支持到最新的5.0版本。通過“超級終端”，還可以隨時觀察組態數據文件的參數內容，以確認組態的正確性。

4 結束語

    使用西門子S7-200可編程控制器替代繼電控制，不但省略了許多繁瑣的中間控制環節，還大大提高了可靠性和精確性，達到了理想的效果。S7-200PLC應用于軌道交通直流牽引領域，不僅在很大程度上減少了二次接線、設備，減少了變電站運行維護量；取消了軌道交通牽引供電系統保護屏，大大降低了系統的造價；而且提高二次回路的智能控制能力、自動化水平和供電質量，降低故障率，使牽引供電系統能更加可靠地運行。

    S7-200 PLC作為PROFIBUS-DP從站，用一根雙絞線連接主站，若要擴展DP從站， 只需將總線延伸，加入其它S7-200 PLC從站，不再增加布線的工作量和費用，系統擴展非常快捷。目前該應用方案可以在北京軌道交通五號線直流牽引監控現場穩定運行。由于S7-200 PLC具有數據傳輸速度快、系統實現簡單、可靠性高等優點，其必將在軌道交通系統中得到廣泛的應用。

    S7-200 PLC 也有不足之處，它不具備時間記憶功能，即無對時功能，但由于S7-200 PLC的主要定位在直流牽引開關和斷路器的監控，不涉及保護動作（保護工作主要由西門子DPU96來完成），因此，完全可以通過C101的時間戳來加以彌補。