Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Петербургский государственный университет путей сообщения”

Кафедра "Электроснабжение железных дорог"

АВТОМАТИЗАЦИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Часть 2

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2005

В данном цикле лабораторных работ рассматривается автоматизированная система управления тяговыми подстанциями блочно-модульного типа с распределенным интеллектом, разработанная и созданная в НИИЭФА-ЭНЕРГО. При подготовке методических указаний использовалась документация, предоставленная НИИЭФА-ЭНЕРГО.

Предназначены для студентов дневного, вечернего и заочного обучения направления 190400 «Системы обеспечения движения поездов» специальности 190401 «Электроснабжение железных дорог».

Разработали: А.Т. Бурков, А.И. Бурьяноватый, В.Г. Жемчугов, В.М. Федоров.

Под редакцией А.И. Бурьяноватого.

1. Автоматизированная система управления тяговой подстанцией

1.1. Цель работы

Ознакомление с принципами организации управления и приобретение навыка дистанционного управления оборудованием тяговых подстанций.

1.2. Устройство и работа системы управления

1.2.1. Общая организация системы управления

Управление оборудованием учебной подстанции организовано с использованием двух технологий: традиционной, использующей релейно-контактные схемы управления, и компьютерной, основанной на микропроцессорных контроллерах и локальной сети. Система управления, разработанная НИИЭФА-ЭНЕРГО и установленная на учебной подстанции, представляет собой автоматизированную систему управления тяговой подстанцией с распределенным интеллектом АСУ ТП-Р.

АСУ ТП-Р обеспечивает управление оборудованием подстанции, сбор, отображение его состояния и передачу данных в диспетчерский пункт ДП. Система реализована по распределенному принципу, входит в состав автоматизированной системы телемеханического управления АСТМУ и состоит из трех уровней. Верхний уровень представлен операторской станцией ОС, средний уровень – контроллером подстанции КПС, нижний – контроллерами модулей КМ. К верхнему уровню относится также диспетчерский пункт.

Контроллер подстанции представляет собой микрокомпьютер (микроPC), который управляет контроллерами модулей по локальной сети подстанции. Связь энергодиспетчера с контроллером подстанции обеспечивается через узел связи УС (модем). Узел связи подключен по четырехпроводному некоммутируемому каналу, работает в диапазоне тональной частоты (300...3000 Гц) и обеспечивает скорость обмена от 75 до 1200 бит/с.

Структурная схема АСУ ТП-Р учебной подстанции приведена на рис. 1. На рисунке показаны однолинейная схема подстанции и элементы системы управления. Дистанционное управление ДУ оборудованием осуществляется с помощью операторской станции, выполненной на основе персонального компьютера. Для обеспечения возможности местного управления МУ оборудование оснащено панелями местного управления. Кроме того, для управления ячейкой 3,3 кВ имеются кнопки прямого управления.

При любом способе управления (телемеханическом, дистанционном, местном) взаимодействие с оборудованием обеспечивают контроллеры модулей. На учебной подстанции в качестве контроллеров модулей используются блоки микропроцессорной защиты БМРЗ, контроллер фидера 3,3 кВ и контроллер общеподстанционного управления ОПУ. Обмен сигналами КМ с оборудованием осуществляется асинхронно по отношению к работе локальной сети.

Модули КМ и КПС оснащены интерфейсными платами RS-232/RS-485, через которые осуществляется выход контроллеров на локальную сеть. Интерфейсные платы обеспечивают гальваническую развязку на напряжение до 1000 В. Обмен информацией в локальной сети (между контроллером подстанции и нижним уровнем) обеспечивается электрическим интерфейсом RS485 по протоколу MODBUS компании Modicon с бодовой скоростью 9600 бод. К контроллеру подстанции тремя отдельными изолированными линиями связи подключены КМ. В системе ведущим является контроллер подстанции. На подстанциях железных дорог, кроме основного, обычно устанавливается также и резервный контроллер подстанции. Операторская станция подключена к КПС через интерфейсную плату RS232/RS232 и по отношению к контроллеру подстанции является ведущей.

Интерфейс RS-485 предназначен для передачи цифровых данных. В зависимости от дальности передачи (от 1500 до 15 метров) рекомендуется скорость передачи от 0,1 до 10 Мбит/с. Средства связи включают кабель, соединители и согласующие резисторы. Кабель RS-485 использует два провода, которые обычно заключаются в экран. Провода кабеля и выводы интерфейса принято обозначать одним из следующих способов: А и B, D+ и D, Dx+ и Dx. Относительно экрана сигналы в проводах всегда противоположны по знаку, что обеспечивает минимизацию воздействия этого кабеля на другие системы. Наиболее часто используется кабель типа "витая пара". Приемники и передатчики RS-485 используют дифференциальный сигнал. Уровень дифференциального сигнала передатчика по абсолютному значению может изменяться в границах 1,5…6 В; чувствительность приемников составляет 0,2 В. На рис. 2 приведен пример связи двух приемопередатчиков при использовании одной пары проводов (симплексная связь), а на рис. 3  допустимые значения выходного дифференциального сигнала и обозначения состояний сигнала. Возможна организация обмена по интерфейсу RS-485 с использованием двух пар проводов (дуплексная связь). В этом случае одна пара используется для передачи данных (TxD+ и TxD), а другая – для приема (RxD+ и RxD–), при этом прием и передача могут осуществляться одновременно.

Система обеспечивает подавление синфазной помехи до 7 В. Для RS-485 рекомендуется кабель с волновым сопротивлением 100–120 Ом.

Рис. 2. Связь двух узлов интерфейса RS-485

Рис. 3. Логические уровни интерфейса RS-485

Один передатчик может эффективно управлять только одним кабелем. В случае, если на конце кабеля отсутствует нагрузка, то вследствие отражения возникает сильное искажение формы сигнала. Для уменьшения отражения на концах кабеля устанавливаются согласующие резисторы (терминаторы) с сопротивлениями, близкими к волновому сопротивлению. Предполагается, что в каждый момент времени может быть активным только один передатчик. Для измерения нагрузки интерфейса введено понятие единичная нагрузка UL (unit load). Максимальное число приемопередатчиков (узлов) составляет 32 UL на один интерфейс. Конструкция приемопередатчиков позволяет им избежать повреждения при коротком замыкании в кабеле. Для повышения надежности кабель, связывающий контроллеры модулей и контроллер подстанции, закольцован, при этом экран подсоединен к контроллеру подстанции и в одной точке кольца разомкнут.

Протокол MODBUS предполагает в линии одно активное (запрашивающее) устройство Master, которое может обращаться к нескольким пассивным устройствам Slave по уникальному в линии адресу. Синтаксис команд протокола позволяет адресовать 254 устройства, соединенных в линию. Modbus подразумевает наличие в линии только одного устройства Master и множества (возможно и одного) подчиненных устройств Slave. Инициатива проведения обмена всегда исходит от ведущего устройства. Ведомые устройства прослушивают линию связи. Master подает запрос в линию и переходит в состояние прослушивания линии связи. Ведомое устройство отвечает на запрос, пришедший в его адрес.

Окончание ответной посылки Master определяет, вычисляя временные интервалы между окончанием приема предыдущего байта и началом приема следующего. Если этот интервал превысил время, необходимое для приема двух байт на заданной скорости передачи, прием кадра ответа считается завершенным.

Кадры запроса и ответа по протоколу Modbus имеют фиксированный формат. Размер полей в байтах приведен на рис. 4.

Рис. 4. Формат кадра протокола локальной сети подстанции:

А – адрес подчиненного устройства; F – номер функции; D – данные;

CRC – контрольная сумма

Номер функции сообщает устройству, какие данные или выполнение какого действия требует от него ведущее устройство.

Данные – поле содержит информацию, необходимую подчиненному устройству для выполнения заданной мастером функции, или содержит данные, передаваемые подчиненным устройством в ответ на запрос ведущего. Длина и формат поля зависят от номера функции.

Контрольная сумма – заключительное двухбайтное поле кадра, содержащее циклическую контрольную сумму CRC-16 всех предыдущих полей кадра.

Работа системы начинается после подачи напряжения питания на все ее составляющие. При этом на контроллеры модулей необходимо подать питание раньше, чем на КПС (микроPC). Питание на узел связи и операторскую станцию может быть подано в произвольный момент времени.