基于PCM的磁悬浮列车信号监测系统研究

    摘要：以磁悬浮列车为对象，采用SIEMENS公司的PLC，研究了列车信号监测系统，提出了智能式和非智能式两种方案，并对两种分布式网络、MPI网络和CP340与上位机的通信进行了研究，给出了具体的实现方法。

    关键词：磁悬浮 监测系统 分布式网络

磁悬浮列车突破了普通铁路交通系统中使用车轮和轨道的传统技术界限，是没有车轮的、无接触的新型轨道交通工具，被誉为二十一世纪理想的交通工具。对于交通运输系统，安全是第一因素。因此，本文以磁悬浮列车为对象，主要研究基于PLC的列车信号监测系统（Maglev Train Monitoring System，简称MTMS）。

PLC现已成功运用在国内外大量的轻轨车系统中，如德国SIEMENS公司DUEWAG AG （Krefeld-Verdingen）制造动力分散型轻轨车RegioSprinter，实现了多功能的分散控制，操作方便、容易监视。本文采用SIEMENS公司的S7-300系列小型PLC来实现车载监测系统。

1 MTMS的分析和设计

1.1 系统分析

MTMS主要实现对计算机联锁系统和车体信号设备进行监视和故障诊断，主要完成对车载3×16台悬浮控制器、3×2台推进用逆变器、3×1台DC-DC变换器及备用电池、3×1台空调逆变器以及其它辅助电源（以三输车为例）的工作状态、故障信息的检测和记录，并将获得的信息传给上位机去处理并显示。由于列车速度快、信号量较多、环境复杂，因此MTMS系统必须有较强的实时性、可靠性，并且可以采集大量的开关量和模拟量信号。经比较，本文选择了SIEMENS公司的S7-300型PLC组成PLC网络来实现。

1.2 方案设计

本文以三辆车为例，分别称首车、中间车、尾车。各节车厢通过各种传感器独立完成各自的信号检测，通过PROFIBUS总线将信息汇总于首、尾两车，进行显示。各节车厢的PLC组成远程分布式I/O系统，各个站之间采用DP协议进行通信。该系统分为智能的和非智能的两种。MTMS的系统组成如图1所示。

    各站采用S7-300的十个槽的导轨、PS307（5A）的电源，用SM321（DI）、SM331（AI）实现A/D转换。主站均采用CPU315-2，智能的从站也用CPU315-2，但非智能的从站则用ET200（IM153-1）。首尾两车各加一个CP340模块，用于与上位机进行通信。主站的多点通信接口（MPI口）与驾驶系统进行通信。在选模块的时候，应注意选择的模块要满足列车所在地的温度要求，保证各个模块能够正常工作。

2 分布式网络实现

智能和非智能主要指从站是否具有独立的数据处理能力，用SIEMENS公司的STEP7 5.0进行网络设计时，二者有很大的区别。

    2.1 智能分布式I/O系统

    对于智能分布式I/O系统而言，各站相对独立。将首车配置成主站，中间车和尾车设成从站，用PROFIBUS总线进行连接。

2.1.1 具体步骤

（1）创建项目，独立配置各站。其中模拟模块要进行参数设置，根据要接收的信号种类，选择信号类型以及测量范围。

    (2)加入PROFIBUS子网，配置网络，界面如图2所示。然后插入Dp Master，连接从站（将各CPU取到PROFIBUS之后，点击DP MASTER，从组件中拖进CONFIGURATION STATIONS，在弹出的界面中选择要连接的站，单击CONNCT）。

    （3）在DP SLAVE中定义数据交换的类型、缓冲区和长度。类型选择MS方式，长度不能超过32个字节。如果传输的数据大于32个字节，可以组态多行，但最多不能超过242个字节，如图3所示。而主站的这些内容是不能定义。

（4）在BLOCK中添加OB82诊断模块。系统运行之前，OB82模块要对系统进行诊断，并将结果报告给CPU。如果没有错误，系统将正常地工作，否则不能进行工作。

（5）保存并编译。这样，就完成了智能型分布式I/O的组态。

2.1.2 通信程序

    在OB块中调用系统功能块SFC14（OPRD-DAT）和SFC15（DPWDDAT）进行通信。

CALL “DPWR_DAT” CALL “DPRD_DAT”

LADDR：= LADDR：=

RET_VAL：= RECORD：=

RECORD：= RET+VAL：=

二者的参数“LADDR”表示发送和接收缓冲区起始地址，“RET-VAL”表示返回状态值，“RECORD”表示存放数据和读取数据的起始地址，详细编程略。

2.2 非智能分布式I/O网络

非智能分布式I/O系统必须以主站为依靠，利用PROFIBUS连接各站，具体如图4所示。主站可以直接从从站的A/D端口读取所需要的信息。

具体步骤为：

（1）创建项目，组态主站。

（2）加入PROFIBUS子网，连入ET200。

（3）在主站的硬件组态中，对ET200进行组态。

（4）编程，在主站的OB块中可以直接对从站的各个端口进行操作，无需额外调用功能块。

（5）保存并编译，将程序下载到CPU中。

2.3 MPI网络通信

列车的MTMS系统是一个完整的系统，它与列车驾驶系统的PLC采用MPI网络连接，进行全局数据通信。将主站和驾驶系统的PLC组成MPI网络，进行少量的全局数据通信。

具体步骤为：

（1）在分布式网络组态中加入MPI子网，并将与驾驶系统通信的PLC连入MPI网络中。

（2）组态全局数据包。右键单击MPI，进入CPNFIGURE GLOBAL DATA。加入要进行通信的CPU，并填入要交换的数据，注意一个GD包不能大于24个字节。将GD包编译两次（以可组多个GD包，但是需要多个循环才能执行完毕）。编译之后如图5所示。

在CPU的每次循环中，两个PLC之间都进行了一次数据交换，在循环的结束时处理发送，开始时处理接收。这样就实现了与驾驶系统之间的通信。

3 PLC与上位机的通信

主站最终要把获取的信息传给上位机进行显示，由CP340来完成这项工作。CP340是具有RS232和RS485两种接口的智能通信模块，它可以使PLC与计算机进行对点通信。它的RS485接口采用差动输出，具有远距离通信的能力（1100m），能够满足需要。它对上位机的串口进行操作，使用ASCII协议。在组态的时候要对它进行参数设置，包括通信的波物率、帧的长度、有无奇偶校验以及校验类型。程序中对CP340的操作主要由CP软件包提供的FB2（P-RCV）和FB3（P-SEND）完成，它发送和接收的数据必须要放在数据块中。这样上位机可以在串口发送或接收数据，通信数据的数量则没有限制。

对于两种网络，它们各有优缺点。智能的组态和编程都很方便，便于扩展，速度比较快，但是造价较高；而非智能的扩展时的变动很大，要牵扯到整个系统，速度相对慢一睦，但是它比较便宜。