栗 詠 趙忠強(qiáng)

(泰安市泰山索道運(yùn)營中心 泰安 271000)

應(yīng)用光通訊技術(shù)解決大型架空索道PLC系統(tǒng)通信單元防雷的問題

栗 詠 趙忠強(qiáng)

(泰安市泰山索道運(yùn)營中心 泰安 271000)

針對(duì)“泰山中天門索道PLC控制系統(tǒng)常被雷擊”的問題，泰山索道運(yùn)營中心采用光通訊技術(shù)改造升級(jí)原有通訊系統(tǒng)的技術(shù)方案。從 2014年5月竣工到2016年10月，在這兩年半的實(shí)際運(yùn)行期間泰山中天門索道多次遭遇落雷，而PLC控制系統(tǒng)通信單元沒有因雷擊發(fā)生過任何故障，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。驗(yàn)證了：“在索道技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用光通訊技術(shù)構(gòu)建新型通信與控制系統(tǒng)的可行性和必要性”。

客運(yùn)索道 PLC系統(tǒng)防雷 感應(yīng)雷侵入 RS485通訊 光通訊

“索道”顧名思義就是在纜索之上建立的道路，索道的歷史可以追溯到古代名為“撞”的溜索；古往今來索道都是一種獨(dú)特的運(yùn)輸工具，今天的現(xiàn)代化索道已經(jīng)是當(dāng)之無愧的高技術(shù)含量的大型現(xiàn)代化特種設(shè)備，具有高度自動(dòng)化的控制系統(tǒng)和龐大而復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于地形復(fù)雜的山岳、海峽、礦山等場所，按照用途可以分為貨物運(yùn)輸、交通擺渡、休閑娛樂、游覽觀光、體育賽事等，目前在我國80%以上的大型索道都是應(yīng)用于山岳（河流、海峽）地帶旅游觀光的載人運(yùn)輸；這些索道都具有以下的共同特點(diǎn)：

1）索道的站間距離長達(dá)數(shù)百米至數(shù)十千米不等；

2）兩站之間鋪設(shè)架空的運(yùn)載索(即：鋼絲繩）和信號(hào)電纜；

3）索道的架設(shè)位置通常會(huì)突兀的聳立在野外，上部沒有遮蔽物，整條索道都暴露在室外環(huán)境下；

4）現(xiàn)代大型索道的控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用PLC（可編程序控制器）對(duì)索道各站點(diǎn)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理和控制。

毫無疑問在這種運(yùn)行環(huán)境中PLC控制系統(tǒng)必定容易受到雷擊，所以“避雷”一直是各大型索道的重要技術(shù)攻堅(jiān)工作。以泰山中天門索道為例，索道自1983建成時(shí)運(yùn)至今已經(jīng)安全運(yùn)行33年；2000年10月改建為當(dāng)時(shí)世界領(lǐng)先的8人吊廂脫掛抱索器單線循環(huán)式索道，驅(qū)動(dòng)站與迂回站相距2089.16m、高差597m、每小時(shí)運(yùn)力是3260人次；主控系統(tǒng)采用世界一流安全PLC制造商皮爾茲公司的PSS300型產(chǎn)品，時(shí)至今日仍然是經(jīng)典的高可靠性索道控制系統(tǒng)；但是該系統(tǒng)也無法避免感應(yīng)雷通過RS485通訊電纜中的雙絞線入侵索道控制系統(tǒng)。單單中天門索道2000年至2013年由于雷擊導(dǎo)致的控制系統(tǒng)維修開支直接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)超過200萬元，導(dǎo)致的營運(yùn)減產(chǎn)以及品牌美譽(yù)度折損更是損失巨大；2013年泰山索道運(yùn)營中心成立專項(xiàng)課題小組提出“應(yīng)用光通訊技術(shù)改造升級(jí)原有通信系統(tǒng)的技術(shù)方案”，自2014年5月份項(xiàng)目竣工，截止到2016年的10月份兩年半的時(shí)間里泰山中天門索道的PLC控制系統(tǒng)通訊單元沒有因雷擊發(fā)生過任何故障，驗(yàn)證了：“在索道技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用光通訊技術(shù)構(gòu)建新型通信與控制系統(tǒng)的先進(jìn)性和必要性”。

1 改造前的狀況和改造的必要性

中天門索道自2000年建成之初，便存在控制系統(tǒng)觸摸屏易遭感應(yīng)雷雷擊的問題；每逢索道沿線發(fā)生強(qiáng)雷電都會(huì)有觸摸屏被雷電擊毀，導(dǎo)致索道故障停運(yùn)。觸摸屏是索道控制PLC的人際交互界面，觸摸屏工作失常操控人員就無法獲取PLC提供的關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，無法掌握索道的技術(shù)狀況，因此索道運(yùn)維人員擬定索道運(yùn)行與檢修方案缺乏關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)的支撐；可見觸摸屏是索道控制系統(tǒng)的關(guān)鍵度部件，它的重要性不言而喻。

為了克服觸摸屏容易被雷電擊毀的問題，泰山索道運(yùn)營中心的技術(shù)人員會(huì)同制造商多貝馬亞索道設(shè)備公司（設(shè)備供應(yīng)商）及皮爾茲公司的技術(shù)人員研究決定：在通訊線路和供電線路中各增加一級(jí)電涌抑制器，用于泄放雷電涌流，防御雷擊。方案很快落實(shí)，但是收效甚微，每年還是會(huì)有多臺(tái)次觸摸屏被雷擊損壞甚至報(bào)廢。把遭受雷擊的觸摸屏拆檢后，發(fā)現(xiàn)雷電沿著RS485通訊線路侵入觸摸屏內(nèi)部，擊毀了觸摸屏的部分電涌敏感器件，導(dǎo)致設(shè)備癱瘓或報(bào)廢。

又嘗試了通過臨時(shí)切斷RS485線路與PLC的連接的方式避雷，隨之而來的是通訊中斷、靜電損壞觸摸屏、切斷時(shí)機(jī)不對(duì)等等棘手的問題。進(jìn)一步提升索道控制系統(tǒng)的抗雷擊能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，仍然是一件羈絆中天門索道運(yùn)行安全和營運(yùn)效益的大事；必須找到一個(gè)更有效的技術(shù)方案來解決這個(gè)問題。

2 改造方案的生成與核心器件的選型

2.1 方案思路的形成

中天門索道中天門站（驅(qū)動(dòng)站）與南天門站（回轉(zhuǎn)站）的PLC的通訊原理如圖1所示：

330A2和730A2（兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器）不僅連接著觸摸屏還分別連接著兩站的CPU，一直以來，330A2、730A2和兩站的CPU板卡都沒有被雷電毀壞過，可見330A2和730A2的RS232通訊線路的抗電涌性能出眾；為什么同一臺(tái)調(diào)制解調(diào)器的兩部分電氣結(jié)構(gòu)會(huì)有如此大的技術(shù)差異。深入研究這個(gè)器件，它內(nèi)含兩個(gè)主要功能部分：一是RS485的傳輸部分，二是RS232的傳輸部分。調(diào)制解調(diào)器330A2、730A2電氣原理圖如圖2所示。

圖1 中天門索道PLC通訊系統(tǒng)示意圖

圖2 調(diào)制解調(diào)器電氣原理圖

連接PLC的RS232部件與連接觸摸屏和雙絞線通信線路的RS485部件之間有一套隔離組件將他們?cè)陔姎膺B接上隔離，實(shí)際上也就起到了將雷電涌阻擋在RS232通訊回路之外的作用，阻斷了雷電涌攻擊PLC的路徑，有效保護(hù)了PLC主機(jī)，而RS485的兩條信號(hào)線路上只有壓敏泄放電路，只能被動(dòng)的將雷電涌的幅值拉低，并不能從根本上起到阻斷雷電入侵的作用。

以此為論據(jù)筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)初步的技術(shù)升級(jí)思路，即：從源頭上切斷雷電的入侵路徑。什么樣的技術(shù)手段能夠?qū)S485信號(hào)傳輸2300m而且性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，不受雷電的影響。

RS-485的電氣特性：采用差分信號(hào)負(fù)邏輯，邏輯“0”以兩線間的電壓差為+(2～6)V表示；邏輯“1”以兩線間的電壓差為-(2～6)V表示，數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps。由此可知RS485信號(hào)是一種低電平數(shù)字信號(hào)，可以很方便地將其裝換成其他波導(dǎo)的開關(guān)量信號(hào)。經(jīng)過多次調(diào)研發(fā)現(xiàn)，只有光纖通訊可以滿足這些條件；使用光纖替代現(xiàn)有的雙絞線進(jìn)行RS485通訊的構(gòu)思浮出水面。使用光電轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)和光信號(hào)互相轉(zhuǎn)換，通過光纖傳遞光信號(hào)，完成RS485信號(hào)的遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸。

2.2 核心器件的選型

常用石英光纖分為多模光纖和單模光纖；單模光纜的特性是，與單模激光器配合使用只傳輸一個(gè)光斑（主模）信號(hào)，光線沿光纖的軸心傳輸完全避免了色散和光能量的浪費(fèi)，單模光纖傳輸?shù)牟ㄩL一般為1310nm和1550nm更接近石英玻璃的最小衰減波長，所以較多模光纜配合多模激光器傳輸多個(gè)光斑，在無中繼的情況下G652單模光纖使用2.5G/S的傳輸速率傳輸距離可達(dá)100kM適合RS485信號(hào)的遠(yuǎn)距離高穩(wěn)定性傳輸，相較多模光纖更適合于中天門索道的技改技術(shù)要求。2014年5月份中天門索道兩站間專門架設(shè)一根復(fù)合單模光纖光纜的新通訊電纜。

光電轉(zhuǎn)換器的選型是一個(gè)承上啟下的工作，新光電轉(zhuǎn)換器的技術(shù)性能要與既有設(shè)備的技術(shù)性能相匹配。既有的調(diào)制解調(diào)器是一款性能出眾的RS232—RS485信號(hào)轉(zhuǎn)換器，它的RS485信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了國際電工組織公認(rèn)的1300m傳輸距離極限標(biāo)準(zhǔn)，在無中繼器的前提下達(dá)到了2300m（中天索道驅(qū)動(dòng)站和迂回站間的信號(hào)電纜長度）的實(shí)際可靠傳輸距離，要為它選一個(gè)性能匹配的RS485信號(hào)光電轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還要滿足使用單模光纖傳輸信號(hào)的要求。調(diào)制解調(diào)器的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 調(diào)制解調(diào)器技術(shù)數(shù)據(jù)概述

以此為依據(jù)筆者查閱了，西門子、三菱、歐姆龍、菲尼克斯等多個(gè)品牌的產(chǎn)品技術(shù)資料，最終邀請(qǐng)菲尼克斯的工程技術(shù)人員到現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)地技術(shù)調(diào)研和產(chǎn)品說明；著重討論了光電轉(zhuǎn)換器和調(diào)制解調(diào)器的匹配、光電轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用穩(wěn)定性與可靠性，共同草擬了一份技術(shù)示意圖并論證了方案的可行性。如圖3所示，使用新增的RS485光通訊回路替代既有的雙絞線，從而消除感應(yīng)雷的侵入途徑，達(dá)成保護(hù)站內(nèi)設(shè)備的目標(biāo)。

圖3 技術(shù)升級(jí)后中天門索道PLC的通訊示意圖

該方案的傳輸效果，主要依托兩臺(tái)新增光電轉(zhuǎn)換器的技術(shù)性能是否滿足既有設(shè)備技術(shù)條件地要求。鑒于既有調(diào)制解調(diào)器的技術(shù)性能，筆者從多款備選器件里確定了一款性能最符合要求地光電轉(zhuǎn)換器，它的主要性能參數(shù)如下：

光電轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置光信號(hào)診斷功能，報(bào)警觸點(diǎn)，用于速率高達(dá)500kbps的RS-485 2線制總線系統(tǒng)（SUCONET K、MODBUS...），NRZ編 碼，帶1個(gè)FO接口（SC雙口）的終端設(shè)備，光波長1300nm，適用于石英光纖。

表2 菲尼克斯光電轉(zhuǎn)換器參數(shù)表

串口接口1 RS-485接口，2線制操作模式 半雙工連接方式 可插拔螺釘連接文件格式／編碼 UART（11/10bit可切換；NRZ非回零碼)，防滑數(shù)據(jù)方向切換 自動(dòng)控制傳輸介質(zhì) 銅傳輸長度/m ≤1200 (取決于數(shù)據(jù)速率，屏蔽絞合數(shù)據(jù)電纜)終端電阻/Ω 390 220 390（可連接）AWG/kcmil導(dǎo)線最小橫截面 24 AWG/kcmil導(dǎo)線最大橫截面 14串行傳輸率（kbps） 4.8/9.6/19.2/38.4/57.6/75/93.75/115.2/136/1 87.5/375/500光口FO波長/nm 1300傳輸長度，包括3 dB系統(tǒng)裕度/km 25（F-G 50/125 0.7dB/km，1300nm）22（1300nm時(shí) F-G 62.5/125 0.8dB/km) 45（在1300nm時(shí)帶 F-E 9/125 0.4dB/km)傳輸介質(zhì)多模石英光纖單模石英光纖傳輸協(xié)議 RS-485接口，協(xié)議透明連接方式 SC雙工故障警告輸出60 DC 42 AC限制連續(xù)電流/A 1最大切換電壓/V

電源電源電壓范圍 18V DC ... 32V DC典型電流耗量/mA 170（24V DC)連接方式 插拔式COMBICON螺釘接線端子位失真，輸入/% ±35（允許）位失真輸出/% ＜6.25電隔離 (VCC // RS-485)測試電壓數(shù)據(jù)接口／電源 1.5kVrms(50Hz，1min)

分析這些數(shù)據(jù)可以確定，這款光電轉(zhuǎn)換器符合安全性、電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，信號(hào)的傳輸協(xié)議、傳輸距離、傳輸速率、傳輸介質(zhì)均達(dá)到要求，MTBF(平均故障間隔時(shí)間)指標(biāo)也相當(dāng)好，電源等外圍配置技術(shù)指標(biāo)完全符合選型要求。

3 方案實(shí)施與設(shè)備調(diào)試

光通訊技術(shù)替代RS485原有的雙絞線傳輸能否成功，關(guān)鍵是能否把理想的技術(shù)方案轉(zhuǎn)化成索道設(shè)備。首先，將光電轉(zhuǎn)換器與330A2(730A2)調(diào)制解調(diào)器安裝在同一個(gè)索道控制系統(tǒng)的金屬機(jī)柜中，其所有金屬配線均布設(shè)于該機(jī)柜內(nèi)，由于機(jī)柜靠接地，對(duì)柜內(nèi)的電氣設(shè)備起到良好了的電磁屏蔽作用，確保柜內(nèi)的電氣設(shè)備不會(huì)受到感應(yīng)雷雷擊。第二、從索道控制系統(tǒng)的直流電源線路中給光電轉(zhuǎn)換器配備24V直流電源，該電源具備電源適配器交流電源端避雷保護(hù)，電源適配器及其直流輸出配線均與光電轉(zhuǎn)換器安裝在同一金屬機(jī)柜內(nèi)，確保光電轉(zhuǎn)換器的電源不會(huì)受到雷電侵入。第三、解除索道原有兩站間RS485傳輸用電纜線切斷感應(yīng)雷入侵的途徑。

各種設(shè)備、線纜、附件敷設(shè)安裝完畢；設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試工作正式開始。上電試機(jī)，各部分電源正常，自檢指示燈正常，只有通訊指示燈閃爍的頻率有些異常，很明顯是參數(shù)沒有調(diào)試好。要通過設(shè)置圖4中光電轉(zhuǎn)換器上的10個(gè)DIP開關(guān)，把光電轉(zhuǎn)換器的通訊速率和數(shù)據(jù)位數(shù)設(shè)置成與PLC一致；進(jìn)一步分析設(shè)備的狀況，認(rèn)為19.2kbit/s、9.6kbit/t、4.8bit/s三種速率最有可能，數(shù)據(jù)位10bit；調(diào)試工作有條不紊地進(jìn)行。

最終筆者把速率設(shè)為19.2kbit/s數(shù)據(jù)位設(shè)為10bit。當(dāng)通訊指示燈正常閃爍，觸摸屏上內(nèi)容顯示正常，兩站間信息傳輸響應(yīng)迅速，至此中天門索道RS485通信光傳輸技術(shù)改造調(diào)試成功；時(shí)值2014年5月23日，恰逢泰山地域的春夏季節(jié)雷暴高發(fā)期即將到來。

圖4 光電轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的DIP開關(guān)

4 改造后的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值

時(shí)至今日泰山中天門索道應(yīng)用光纖傳輸RS485信號(hào)已經(jīng)成功運(yùn)行兩年半的時(shí)間，實(shí)際運(yùn)行狀況穩(wěn)定可靠，在此期間雖然有數(shù)十次強(qiáng)雷電過境，最終沒有發(fā)生感應(yīng)雷侵入索道PLC控制系統(tǒng)的RS485通信單元的情況，為泰山索道節(jié)約十余萬元維修經(jīng)費(fèi)，大幅度提高了索道的抗雷擊能力，確保了索道在惡劣天氣環(huán)境中的安全可靠性。

由于通信系統(tǒng)的抗雷擊能力提高，加強(qiáng)了索道在遭遇雷擊故障后的快速修復(fù)能力，索道在強(qiáng)雷暴災(zāi)害天氣下可以使用索道的自檢功能快速檢測索道的技術(shù)狀態(tài)，以最快的速度恢復(fù)安全營運(yùn)，不僅起到節(jié)約維修支出提高維修效率，抵御不利天氣的效果，還在乘客中樹立起良好的企業(yè)形象，為經(jīng)營創(chuàng)收創(chuàng)造了更好的條件。

使用光通信技術(shù)替代“雙絞線”、“電纜+雙絞線”、“微波”、“WIFI”等信號(hào)傳輸方式在索道控制技術(shù)領(lǐng)域有著先天的優(yōu)勢；

1）光傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定的特性；

2）采用玻璃等非金屬材質(zhì)不會(huì)遭受感應(yīng)雷雷擊；

3）由于其單位傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)需求，相較電纜可以將光纜制作的界面直徑更小，減小了風(fēng)阻有利于在索道線路上架空鋪設(shè)；

4）傳輸距離遠(yuǎn)而且單位長度的重量輕適合大跨距架空布設(shè)；

5）材質(zhì)不易老化使用壽命長，其帶寬潛力巨大，可以在更長的時(shí)期里適應(yīng)控制系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)而不用更換新品。

6）光纖不僅可以傳輸數(shù)字信號(hào)、還可以傳輸模擬量和音視頻信號(hào)等可以依托光纜通信提高索道的綜合能力。

深入利用和開發(fā)光通信在索道技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，將有利于索道行業(yè)的設(shè)備先進(jìn)行性和可靠性，將為廣大索道企業(yè)增收節(jié)支打開新篇章?；诠馔ㄐ诺膽?yīng)用還可以解決索道企業(yè)售檢票系統(tǒng)、AO管理系統(tǒng)、電話通訊、視頻監(jiān)控、語音廣播、廣告投放等多種多樣的管理與應(yīng)用系統(tǒng)集成化、智能化；總之泰山中天門索道在索道設(shè)備上成功運(yùn)用光傳輸技術(shù)對(duì)電控信息系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，是一次有益的技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新。

[1] 于仲安，陳少衛(wèi)．基于PLC的架空索道監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．金屬礦山，2009，(09)：146-149．

[2] 葉近茂．采用ABB DCS變流器和PILZ安全PLC的索道電氣系統(tǒng)的開發(fā)研究[D]．濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2006．

5 技術(shù)應(yīng)用與展望

雷電侵?jǐn)_是困擾絕大多數(shù)客運(yùn)架空索道的一大難題，至此中天門索道終于成功地解決了這一難題；還有很多大型架空客運(yùn)索道也在尋求解決感應(yīng)雷侵入PLC控制系統(tǒng)通訊單元這一難題的技術(shù)突破口。作為國內(nèi)第一家應(yīng)用光通信技術(shù)升級(jí)通信系統(tǒng)成功攻克這個(gè)技術(shù)難題的索道，取得了良好的成效；中天門索道的經(jīng)驗(yàn)是從不斷的摸索中獲得的，具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義，從長時(shí)間的運(yùn)行效果來看具有很高的分享的價(jià)值。

Application of Optical Communication Technology to Solve Lightning Protection Problem of Communication Unit in PLC System for Large Aerial Ropeway

Li Yong Zhao Zhongqiang
(Taishan ropeway operation center City of Taian Taian 271000)

Aiming at the problem that the "PLC control system of Taishan Zhongtian Men ropeway is often struck by lightning", the technical scheme of transforming and upgrading the original communication system by optical communication technology in Taishan ropeway operation center is implemented from May 2014 to October 2016. During the actual operation in this two and a half years, Taishan Zhongtian gate cableway repeatedly encountered lightning, and the control system of PLC communication unit did not get any fault caused by lightning, the technological progress and achieved good economic and social benefits, which verified the feasibility and necessity of applying optical communication technology to construct new communication and control system in ropeway.

Passenger ropeway PLC system lightning protection Induction lighting invasion RS485 communication Optical communication

X941

B

1673-257X(2017)04-0088-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.04.021

栗詠(1972～)，男，本科，站長，工程師，從事索道技術(shù)與設(shè)備管理工作。

2016-11-06）