李冰濤 王策瑜 李曙俏

(江蘇省徐州技師學(xué)院 a.軌道交通學(xué)院;b.圖書館，江蘇 徐州 221151)

1 開發(fā)“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”的意義

1.1 “城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程在供電專業(yè)中的地位

城市軌道交通供電系統(tǒng)，作為重要機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)之一，擔(dān)負(fù)著為電動(dòng)列車和各種運(yùn)營設(shè)備提供電能的重要任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)已在軌道交通行業(yè)廣泛應(yīng)用。變電所無人值班，遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為供電專業(yè)的發(fā)展方向。培養(yǎng)一批與該技術(shù)應(yīng)用相適應(yīng)的高素質(zhì)人才成為軌道交通供電專業(yè)一項(xiàng)重要的教學(xué)任務(wù)。

隨著軌道交通供電系統(tǒng)自動(dòng)化程度的提高，供電專業(yè)的現(xiàn)場工作人員，除了要掌握供電專業(yè)的專業(yè)技能之外，還要懂得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信等相關(guān)的知識(shí)。只有這樣，才能適應(yīng)城市軌道交通供電專業(yè)的崗位要求。因此，“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程成為供電專業(yè)的重要專業(yè)課程。

“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程的核心內(nèi)容是變電所SCADA系統(tǒng)。變電所SCADA系統(tǒng)是將變電所的二次設(shè)備經(jīng)過功能的組合與優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對全變電所的主要一次設(shè)備和輸、配電線路的自動(dòng)監(jiān)視、測量、自動(dòng)控制和微機(jī)保護(hù)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化功能。由此可見，學(xué)習(xí)該課程之前，學(xué)生不僅要具備專業(yè)基礎(chǔ)課程的知識(shí)，同時(shí)還要具備專業(yè)課程的知識(shí)。

“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程的開設(shè)，可以說是對供電專業(yè)學(xué)生所學(xué)課程的綜合應(yīng)用。然而從實(shí)際的教學(xué)情況看，學(xué)生很難將前面課程學(xué)習(xí)過的知識(shí)應(yīng)用到后面課程的學(xué)習(xí)當(dāng)中去，這也是符合學(xué)習(xí)規(guī)律的。從知識(shí)的學(xué)習(xí)(學(xué))到知識(shí)的應(yīng)用(會(huì))是需要經(jīng)過一個(gè)再學(xué)習(xí)的過程的，尤其是多項(xiàng)知識(shí)組合在一起即綜合知識(shí)的應(yīng)用更需要一個(gè)再學(xué)習(xí)的過程。

1.2 “城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程的教學(xué)現(xiàn)狀

目前該課程的教學(xué)基本上以講授理論知識(shí)為主，課程中設(shè)備與器件的功能都是以框圖的方式呈現(xiàn)的。如講到數(shù)據(jù)采集，只是說到哪些設(shè)備是用單片機(jī)采集數(shù)據(jù)，哪些設(shè)備是用PLC采集數(shù)據(jù)。講到網(wǎng)絡(luò)通信，只是說到哪里使用的是RS485通信，哪里使用的是以太網(wǎng)通信。至于數(shù)據(jù)如何采集，通信如何進(jìn)行，這些課程的核心問題，在課程教授時(shí)只是進(jìn)行理論的講述，學(xué)生難于理解。

當(dāng)前，城市軌道交通事業(yè)在我國迎來快速的發(fā)展，各種最新的技術(shù)也在這個(gè)行業(yè)里大量的使用，這給“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程的教學(xué)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，即教師要及時(shí)進(jìn)行新知識(shí)、新技能的學(xué)習(xí)。同時(shí)，正是由于高新技術(shù)的使用，使得過去難于解決的技術(shù)問題，現(xiàn)在變得容易實(shí)現(xiàn)了。在新技術(shù)面前,既有挑戰(zhàn)，也有機(jī)遇。新技術(shù)的使用，也對軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)課程的教學(xué)提出了新的要求。要在短時(shí)期內(nèi)培養(yǎng)出一大批城市軌道交通供電專業(yè)的技術(shù)人才，傳統(tǒng)的課程體系與教學(xué)方法已經(jīng)不能跟上飛速發(fā)展的行業(yè)需求，這就要求教師轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，創(chuàng)新教學(xué)方法和教學(xué)手段，只有這樣才能適應(yīng)社會(huì)對人才培養(yǎng)的需求。“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”的開發(fā)以及在教學(xué)中的使用，正是基于當(dāng)前形勢的需求，運(yùn)用創(chuàng)新的教學(xué)手段，在“學(xué)”與“用”之間搭建一個(gè)橋梁，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)過程中缺失的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。

2 “城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”的結(jié)構(gòu)組成

2.1 開發(fā)思路

“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”完全是按照現(xiàn)場運(yùn)行的城市軌道交通變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作的，其原理與功能跟現(xiàn)場設(shè)備完全相同。

現(xiàn)場運(yùn)行的電力設(shè)備集成化程度高，各電氣設(shè)備的保護(hù)系統(tǒng)、事故檢測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)都聚集在一起。每個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集量少則幾個(gè)、十幾個(gè)，多則幾十個(gè)不等。每個(gè)變電所的數(shù)據(jù)采集量至少要幾百個(gè)，再加上那些相關(guān)的陌生器件需要認(rèn)識(shí)，在現(xiàn)場設(shè)備上直接進(jìn)行電力監(jiān)控系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，對高職院校的學(xué)生來說具有相當(dāng)大的難度。

“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”的開發(fā)思路是從繁雜的變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中將電力監(jiān)控系統(tǒng)部分抽取出來，選取典型的數(shù)據(jù)量進(jìn)行采集,單獨(dú)把電力監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)出來進(jìn)行分析講解，非常有利于學(xué)生對此部分原理的理解。本實(shí)訓(xùn)臺(tái)與現(xiàn)場設(shè)備的不同之處在于:學(xué)生可以在此實(shí)訓(xùn)臺(tái)上專注于電力監(jiān)控系統(tǒng)部分知識(shí)技能的學(xué)習(xí)，在此設(shè)備上，他們可以快速熟悉電力監(jiān)控設(shè)備并理解監(jiān)控原理。此實(shí)訓(xùn)臺(tái)的創(chuàng)新之處在于:它是一種模塊化的結(jié)構(gòu)，可以方便進(jìn)行功能的增減。在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上，教師演示完畢，學(xué)生就可以跟進(jìn)操作，并且對操作結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,出現(xiàn)問題，現(xiàn)場分析解決。學(xué)生在實(shí)際設(shè)備上進(jìn)行學(xué)習(xí)操作將更加簡單方便。實(shí)訓(xùn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)組成

城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)包括三部分：站級管理層;網(wǎng)絡(luò)通信層;間隔設(shè)備層。

實(shí)訓(xùn)臺(tái)的站級管理層使用的是一臺(tái)工控機(jī)，工控機(jī)里安裝有相應(yīng)的編程軟件和組態(tài)軟件。工控機(jī)與485通信模塊的連接使用的是USB轉(zhuǎn)TTL模塊，工控機(jī)與交換機(jī)的連接使用的是RJ-45接口。

網(wǎng)絡(luò)管理層使用的有RS485通信，由RS485模塊1和RS485模塊2組成，通信協(xié)議使用的是MODBUS RTU；以太網(wǎng)通信，由帶光口的交換機(jī)1和帶光口的交換機(jī)2組成，光纖連接，通信協(xié)議使用的是TCP/IP。

間隔設(shè)備層的設(shè)備最豐富，它們的作用主要是采集變電所二次設(shè)備的數(shù)據(jù)，以達(dá)到監(jiān)視和控制變電所一次設(shè)備的目的。主要有PLC1、PLC2、單片機(jī)模塊、溫度變送器1和溫度變送器2。PLC1主要采集開關(guān)量信號(hào)，它通過繼電器1、繼電器2控制接觸器1和接觸器2,起到控制斷路器和隔離開關(guān)的作用。PLC2通過拓展模塊EM235采集模擬量信號(hào),通過模擬量輸入端口可以顯示三相電壓值和電流值，通過模擬量輸出端口可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)端變壓器的電壓。單片機(jī)模塊是許多智能設(shè)備的核心部件，它可以實(shí)時(shí)采集各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還可以將數(shù)據(jù)通過各種通信方式發(fā)送到遠(yuǎn)端。單片機(jī)模塊顯示軌道電位并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。作為智能設(shè)備的代表，溫度變送器1能夠模擬顯示變壓器的工作溫度，溫度變送器2能夠模擬顯示整流器件的工作溫度。

軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)可以完成站級管理層設(shè)備對遠(yuǎn)端變電所設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，從間隔設(shè)備層的單片機(jī)、PLC及智能設(shè)備對數(shù)據(jù)的采集，到網(wǎng)絡(luò)通信層RS485及帶光口的交換機(jī)等通信方式的選擇，通信協(xié)議的使用，再到站級管理層應(yīng)用組態(tài)軟件對遠(yuǎn)端設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)的顯示和控制。該實(shí)訓(xùn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)“城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)”課程里變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(即變電所SCADA系統(tǒng))的遙信、遙測、遙控及遙調(diào)的功能，并且每種功能都是通過硬件的連接與軟件的編程來實(shí)現(xiàn)的。

3 “城市軌道交通電力監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)臺(tái)”的教學(xué)內(nèi)容

該實(shí)訓(xùn)臺(tái)最大的特色是教師對這部分知識(shí)的教授完全可以用實(shí)操的方法進(jìn)行教學(xué)。學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)臺(tái)上親自動(dòng)手操作進(jìn)行學(xué)習(xí)。主要的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容如下：

3.1 間隔設(shè)備層的教學(xué)內(nèi)容

對PLC1模塊的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控，主要是采集開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行顯示及控制。編程中應(yīng)當(dāng)考慮本地控制與遠(yuǎn)程控制兩種情況，以及故障信息顯示。對PLC2模塊的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控，主要采集模擬量信號(hào)進(jìn)行顯示及調(diào)控。編程中應(yīng)當(dāng)考慮本地控制與遠(yuǎn)程控制兩種情況。此模塊中接入了擴(kuò)展模塊EM235，EM235有四個(gè)模擬信號(hào)輸入端和一個(gè)模擬信號(hào)輸出端，其中三個(gè)模擬信號(hào)輸入端是作為三相電壓顯示，另一個(gè)模擬信號(hào)輸入端是作為一路電流顯示。模擬信號(hào)輸出端接一塊0～10 V的直流電壓表，用以觀察模擬電壓信號(hào)的輸出。此模塊開關(guān)量輸出端還接有一個(gè)蜂鳴器，可以進(jìn)行報(bào)警設(shè)置。

對單片機(jī)模塊的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控。軌道電位值屬于模擬量信號(hào)，在編寫程序時(shí)，單片機(jī)不但要采集軌道電位信號(hào)，還要將此電位值在顯示模塊上顯示出來。同時(shí)要將軌道電位信號(hào)按照MODBUS協(xié)議的格式，通過RS485通信模塊發(fā)送到上位機(jī)即工控機(jī)上，工控機(jī)上的組態(tài)軟件即可對單片機(jī)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)。這就是單片機(jī)編程要實(shí)現(xiàn)的功能。

對智能設(shè)備進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集與設(shè)備監(jiān)控。溫度變送器1和溫度變送器2模塊屬于智能設(shè)備，它們遵從標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通信協(xié)議，可以直接將設(shè)備掛接在RS485通信總線上即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這里需要注意的是:一個(gè)是設(shè)備號(hào)，一個(gè)是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址，這兩個(gè)數(shù)據(jù)量都要正確，否則讀不到想要的數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)通信層的教學(xué)內(nèi)容

PLC模塊與站級管理層之間的通信使用的是以太網(wǎng)通信方式。硬件設(shè)備使用的是兩臺(tái)帶有光口的交換機(jī)，且交換機(jī)之間是使用光纖連接的。這里的實(shí)訓(xùn)要點(diǎn)一個(gè)是PLC網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)，這里使用的是無錫北辰的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，此模塊通信使用硬件實(shí)現(xiàn)，無需軟件編程，實(shí)現(xiàn)起來較為簡單。光纖通信時(shí)要注意光纖接口的類型。交換機(jī)與PLC、工控機(jī)連接使用的是帶有RJ-45接口的網(wǎng)線。

單片機(jī)與站級管理層的通信使用的是RS485通信。兩塊RS485模塊由RS485通信線連接。RS485通信的特點(diǎn)是信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性強(qiáng)。RS485模塊可以將TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS485信號(hào)，所以RS485模塊1的一端直接與單片機(jī)和智能設(shè)備連接，RS485模塊2的一端通過一個(gè)TTL轉(zhuǎn)RS232模塊與工控機(jī)的USB端口連接，這樣就完成了RS485通信的硬件連接。需要注意的是，在進(jìn)行RS485通信時(shí)，通信頻率必須設(shè)定一致。

3.3 站級管理層的教學(xué)內(nèi)容

站級管理層的硬件主要設(shè)備是一臺(tái)工控機(jī)和顯示器。工控機(jī)里安裝有對單片機(jī)、PLC進(jìn)行編程的編程軟件，單片機(jī)與PLC模塊的所有程序編寫都由這臺(tái)工控機(jī)完成。除此之外，工控機(jī)最主要的工作就是應(yīng)用組態(tài)軟件對間隔層的單片機(jī)、PLC以及智能設(shè)備進(jìn)行組態(tài)，并對變電所的一次設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)視和調(diào)控。

組態(tài)軟件是數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，能以靈活多樣的組態(tài)方式提供良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的使用方法，其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能。使用組態(tài)軟件建立應(yīng)用工程大致可分為四個(gè)步驟：設(shè)計(jì)圖形界面；構(gòu)造數(shù)據(jù)庫界面；建立動(dòng)畫連接；運(yùn)行和調(diào)試。使用組態(tài)軟件對設(shè)備進(jìn)行組態(tài)主要分為四種類型：實(shí)現(xiàn)設(shè)備模擬量輸入；實(shí)現(xiàn)設(shè)備模擬量輸出；實(shí)現(xiàn)設(shè)備開關(guān)量輸入；實(shí)現(xiàn)設(shè)備開關(guān)量輸出。

實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的教學(xué)內(nèi)容只是現(xiàn)場變電所SCADA系統(tǒng)的一部分，學(xué)生在學(xué)習(xí)完實(shí)訓(xùn)臺(tái)上的項(xiàng)目之后，再到學(xué)院的城市軌道交通供電實(shí)訓(xùn)室學(xué)習(xí)或是操作現(xiàn)場的實(shí)際設(shè)備，就會(huì)有一種似曾相識(shí)的感覺。他們會(huì)主動(dòng)探尋哪個(gè)數(shù)據(jù)采集來自哪個(gè)設(shè)備的哪個(gè)參數(shù)，并且去找尋數(shù)據(jù)的傳輸路徑。在此基礎(chǔ)上，教師只需稍稍點(diǎn)撥，學(xué)生很快就會(huì)進(jìn)入新知識(shí)的學(xué)習(xí)情境之中。通過一個(gè)學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，使用該實(shí)訓(xùn)臺(tái)確實(shí)起到了事半功倍的教學(xué)效果。