摘要：本文簡要的介紹了軌道交通變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及其直流牽引系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)實(shí)際需求，給出了S7-200 PLC在北京軌道交通五號(hào)線直流牽引監(jiān)控系統(tǒng)的具體解決方案。
關(guān)鍵詞：S7-200 PLC 、軌道交通、直流牽引、變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)、PROFIBUS-DP規(guī)范
The Application of S7-200 PLC in the DC Traction SCADA
of Urban Rail Transit
Abstract: This paper briefly introduces us Urban Rail Transit’s PSCADA and its DC Traction total Framework，and，on the basis of factual requirements，an specific application scheme is provided to verify the implementation of S7-200 PLC in the Beijing Urban Rail Transit Line 5`s DC Traction SCADA .
Keywords:  S7-200 PLC 、Urban Rail Transit、DC Traction、PSCADA（Power SCADA）、PROFIBUS-DP Specifications
      近年來隨著城市軌道交通自動(dòng)化系統(tǒng)的快速發(fā)展，很多大型設(shè)備的監(jiān)視和控制都選用微型PLC進(jìn)行改造。對(duì)某些控制點(diǎn)少而控制邏輯又較復(fù)雜的小型設(shè)備來說，微型可編過程控制器緊湊的設(shè)計(jì)、良好的擴(kuò)展性、低廉的價(jià)格、強(qiáng)大的指令以及較高的可靠性和簡便的維護(hù)近乎完美的滿足了小規(guī)模的控制要求。如750V直流開關(guān)柜的測(cè)控單元開關(guān)整流器的監(jiān)視單元和400V開關(guān)柜的測(cè)控單元等均采用了PLC可編程程控制器，給安裝、運(yùn)行、維護(hù)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(hào)線直流牽引監(jiān)控系統(tǒng)中的一個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例。

1 需求分析
      城市軌道交通供電系統(tǒng)是自成體系的配電系統(tǒng)，包含有傳統(tǒng)的交流供電系統(tǒng)和直流牽引供電系統(tǒng)兩部分。為了實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的調(diào)度、運(yùn)營和管理的自動(dòng)化。
變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)是軌道交通供電自動(dòng)化的基本組成，是實(shí)現(xiàn)電力監(jiān)控系統(tǒng)功能的基本單元。軌道交通變電站內(nèi)各層之間的信息可充分共享，并通過通信接口與外系統(tǒng)交換信息。設(shè)計(jì)一個(gè)快速、穩(wěn)定、可靠的控制網(wǎng)絡(luò)是軌道交通變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求之一，是實(shí)現(xiàn)軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行管理功能的前提。
整個(gè)上來講，軌道交通變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為站級(jí)管理層，網(wǎng)絡(luò)通信層，間隔層：
1) 站級(jí)管理層為設(shè)置在控制信號(hào)盤內(nèi)的冗余熱備的通信控制器、通用測(cè)控裝置和一體化監(jiān)視計(jì)算機(jī)。
2) 間隔層包括分散安裝于供電一次設(shè)備中的各種微機(jī)保護(hù)測(cè)控單元、信息采集設(shè)備、智能測(cè)控單元以及采用硬接點(diǎn)接入的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。設(shè)備包括400V及10kV交流保護(hù)測(cè)控單元、750V直流保護(hù)測(cè)控單元、變壓器溫控器、軌電位限制裝置、制動(dòng)能量吸收裝置、雜散電流監(jiān)控單元、UPS直流屏、電度表、上網(wǎng)隔離開關(guān)、跟隨所負(fù)荷開關(guān)等；
3) 網(wǎng)絡(luò)通信層即為所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)和接口設(shè)備，間隔單元通過所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)層與站級(jí)管  理層進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
      整個(gè)系統(tǒng)面向變電所通盤考慮，通過間隔單元與一次開關(guān)設(shè)備、CT/PT等設(shè)備接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電所設(shè)備的控制、監(jiān)視、測(cè)量、繼電保護(hù)及數(shù)據(jù)管理、遠(yuǎn)程通信等綜合自動(dòng)化管理，以保證供電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
      一般來講，軌道交通供電系統(tǒng)分為高壓電源系統(tǒng)，直流牽引供電系統(tǒng)，動(dòng)力、照明、信號(hào)電源三個(gè)系統(tǒng)。在軌道交通五號(hào)線供電系統(tǒng)中，作為軌道交通變電所自動(dòng)化系統(tǒng)間隔層非常重要的組成部分，直流牽引供電系統(tǒng)直接給列車提供動(dòng)力，其好壞直接影響整個(gè)地鐵供電系統(tǒng)質(zhì)量的高低。如果牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題，小則影響某個(gè)變電站、幾個(gè)供電區(qū)間的輸送電，大則引起整個(gè)牽引供電系統(tǒng)崩潰，給地鐵列車的安全、運(yùn)營造成影響。
      軌道交通牽引供電系統(tǒng)是直接為地鐵列車提供動(dòng)力的系統(tǒng)，可以保證地鐵列車高速、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)節(jié)電地運(yùn)行。目前北京軌道交通五號(hào)線牽引供電的運(yùn)行采用雙機(jī)組雙邊供電方式，即每個(gè)牽引變電站2臺(tái)牽引機(jī)組帶2臺(tái)總閘，并列向直流母線供電運(yùn)行，直流母線下設(shè)4臺(tái)分閘，即饋線開關(guān)(加上備用共5臺(tái)),分別向上行、下行車輛進(jìn)行主備供電，兩個(gè)相鄰的牽引變電站同時(shí)向站內(nèi)同一饋電區(qū)間供電，如圖1所示：
 

圖1 軌道交通變電站直流牽引供電系統(tǒng)典型主接線圖
2 S7-200 PLC具體實(shí)現(xiàn)功能
圖1中，R1、R2為整流器裝置，60、70為直流進(jìn)線隔離開關(guān)，10、20、30、40和50為饋線斷路器，61和71為進(jìn)線斷路器，65和75為負(fù)極斷路器，14、24、34和44為旁路隔離開關(guān)，而16、26、36和46為上網(wǎng)隔離開關(guān)，813和824為越區(qū)隔離開關(guān)，除了旁路隔離開關(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)之外，所有的保護(hù)和測(cè)控工作一般均由直流保護(hù)裝置（如DPU 96）進(jìn)行監(jiān)視和控制，而對(duì)于旁路隔離開關(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)的監(jiān)視和控制工作將是由S7-200 PLC來完成，對(duì)于每一個(gè)饋線開關(guān)來講，均配置一個(gè)型號(hào)為“6ES7 277-0AA2-0XA0”的S7-200 PLC，該P(yáng)LC主要有8個(gè)字節(jié)的輸出和8個(gè)字節(jié)的輸入，其完成的監(jiān)控功能如下表1所示：
點(diǎn)描述 點(diǎn)類型 上位機(jī) DP地址
?。?nbsp;?。?nbsp;?。?nbsp;字節(jié) 位
旁路隔離開關(guān)分 DI 采集 2 0
旁路隔離開關(guān)合 DI 采集 2 1
旁路隔離開關(guān) 故障 DI 采集 2 2
上網(wǎng)電隔操作就地方式 DI 采集 3 0
上網(wǎng)電隔操作遙控方式 DI 采集 3 1
上網(wǎng)隔離開關(guān)分 DI 采集 3 2
上網(wǎng)隔離開關(guān)合 DI 采集 3 3
上網(wǎng)隔離開關(guān) 故障 DI 采集 3 4
三軌有壓 DI 采集 3 5
上網(wǎng)隔離開關(guān)MCB跳閘 DI 采集 4 0
三軌有壓檢測(cè)設(shè)備故障 DI 采集 4 1
旁路隔離開關(guān)分閘命令 DO 控制 1 0
旁路隔離開關(guān)合閘命令 DO 控制 1 1
上網(wǎng)隔離開關(guān)分閘命令 DO 控制 1 2
上網(wǎng)隔離開關(guān)合閘命令 DO 控制 1 3
表1 S7-200在軌道交通直流牽引具體完成的監(jiān)控功能實(shí)例

3 S7-200 PLC與上位機(jī)通信過程
       以北京軌道交通五號(hào)線為例，變電所自動(dòng)化系統(tǒng)采用的是南瑞的RT21-SAS系統(tǒng)，而750V直流開關(guān)柜測(cè)控單元S7-200 PLC與上位機(jī)RT21-SAS系統(tǒng)的通信接口采用就是PROFIBUS-DP規(guī)約與南瑞的C101通信控制器PROFIBUS主站進(jìn)行連接， C101通信控制器除了S7-200 PLC進(jìn)行主從連接外，還提供另一路PROFIBUS-DP接口與750V直流開關(guān)柜直流保護(hù)測(cè)控單元DPU96，每個(gè)站設(shè)置2套協(xié)議及光電轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)PROFIBUS－DP信息的接入。此外，10KV的整流器監(jiān)控單元與RT21-SAS系統(tǒng)的通信接口方案也是經(jīng)過PROFIBUS-DP規(guī)約與C101通信控制器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。具體連接方案如圖2所示。
 

圖2 S7-200 PLC與軌道交通變電所自動(dòng)化系統(tǒng)上位機(jī)連接圖
      S7-200 PLC作為DP從站，與C101通信控制器實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信。C101通信控制器為南瑞自主研發(fā)的遵循EN50170標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS-DP主站，它主要完成PROFIBUS協(xié)議轉(zhuǎn)換成與總控通信的CAN2.0B協(xié)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(guān)和上網(wǎng)隔離開關(guān)的監(jiān)控、數(shù)據(jù)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(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，此外，S7-200 PLC的EM 277還用來作為西門子STEP7 V5.3對(duì)S7-200 PLC進(jìn)行組態(tài)，主要是通過S7-200 PLC的MPI通訊口與裝有西門子STEP7 V5.3的計(jì)算機(jī)來對(duì)STEP S7軟件進(jìn)行組態(tài)。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(dāng)EM 277 PROFIBUS-DP模塊用作MPI通訊時(shí)，其MPI主站必須使用DP模塊的站址向S7-200發(fā)送組態(tài)信息，發(fā)送到EM 277 DP模塊的MPI組態(tài)信息，將會(huì)被傳送到S7-200 PLC上，從而達(dá)到對(duì)S7-200 PLC組態(tài)的目標(biāo)。以下為S7-200 PLC作為DP從站與C101主站的組態(tài)參數(shù)配置如表2所示：
參數(shù) 數(shù)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(xù)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(huì)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(shí)間
Max.Tsdr 80 主站掃描一個(gè)S7-200 PLC子站的最大等待時(shí)間
Min.Tsdr 11 主站掃描一個(gè)S7-200 PLC子站的最小等待時(shí)間
Retry-Limit 1 主站與一個(gè)S7-200 PLC子站通信出錯(cuò)的嘗試次數(shù)
數(shù)據(jù)出入 8 命令控制方向，單位為字節(jié)，參見表1中的DP地址列定義
數(shù)據(jù)輸出 8 數(shù)據(jù)采集方向，單位為字節(jié)，參見表1中的DP地址列定義
表2 S7-200 PLC在軌道交通直流牽