1 引言
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速列車大大提高了交通運輸效率，同時也增加了對安全性的要求，如何在列車高速運行的情況下保證鐵路設備的安全問題也變得越發(fā)重要。以原有的人工維修保障體制保證設備的安全，不僅費時費力，而且難以適應發(fā)展后的鐵路系統(tǒng)的各種客觀需要。根據(jù)以往我們開發(fā)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的經(jīng)驗，結合鐵路系統(tǒng)的特點，開發(fā)了適合鐵路系統(tǒng)的微機監(jiān)測系統(tǒng)，利用其采集大量信號，通過這些信號可以了解設備的運行狀況并分析故障產(chǎn)生原因，它在保證鐵路列車安全運行、及時發(fā)現(xiàn)故障、分析故障及保證鐵路維修體制改革實現(xiàn)狀態(tài)修方面發(fā)揮了不可缺少的作用。利用PLC作為微機監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集機可以保證其高可靠性要求。

2 需求分析
鐵路系統(tǒng)關系到人民生命財產(chǎn)的安全，所以鐵道信號微機監(jiān)測系統(tǒng)必須具備以下特點:
(1) 高可靠性
監(jiān)測系統(tǒng)在壽命期限內能在惡劣條件下平穩(wěn)可靠運行，將故障率降至最低;
(2) 抗干擾性強
微機監(jiān)測系統(tǒng)是暴露在鐵路沿線運行的，所處的環(huán)境相對惡劣，為了提高數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，避免發(fā)生錯誤報警，系統(tǒng)必須具有較強的抗干擾性;
(3) 可擴展性與可維護性
與鐵路系統(tǒng)的擴建相對應，監(jiān)測系統(tǒng)應該易于擴展和維護;
(4) 高性價比
完成狀態(tài)檢修的微機監(jiān)測系統(tǒng)作為列車的輔助設備，不應投入太多資金，應該在低成本下操作。
根據(jù)系統(tǒng)要求的高可靠性和強抗干擾性，選用PLC作為系統(tǒng)的采集機。系統(tǒng)實現(xiàn)要解決的關鍵問題就是PLC的資源較少，我們必須經(jīng)過合理分配，有效利用有限的資源。

以廣深鐵路線某站為例，需要采集1024個開關量，128路軌道電壓，6路外供電壓，40路轉轍機電流，768路電纜絕緣值，50路電源屏電壓。設計鐵道信號微機監(jiān)測系統(tǒng)時，必須根據(jù)鐵路系統(tǒng)運行特點和要求，采取一些特殊的技術和方法，建立適用的全面反映鐵路系統(tǒng)及設備的宏觀運行狀態(tài)的系統(tǒng)，更有效的管理整個鐵路系統(tǒng)的運行。

3 系統(tǒng)構成
3.1 系統(tǒng)總體結構
總體上看，本論文所要介紹的GSWJ型鐵道信號微機監(jiān)測系統(tǒng)結構可分為三部分:即采集電路—前置部分;下位機—采集機;上位機—監(jiān)測機三個部分。各部分的作用分析如下:
(1) 采集電路
·對所有被監(jiān)測量實現(xiàn)保護、隔離，將隔離后的信號轉換為標準電壓或電流信號;
·下位機(采集機)的控制下，將所有代表被監(jiān)測參數(shù)的標準電壓或電流信號，分類依次送至PLC相應的數(shù)據(jù)采集口。
(2) 下位機(采集機)
依照程序或上位機發(fā)出的檢測命令，向采集電路發(fā)出相應的控制信號，對采集電路送至采集口的信號進行采集，對采集的數(shù)據(jù)進行相應的綜合，并將所采集的數(shù)據(jù)整理后存入相應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，完成與上位機數(shù)據(jù)通訊。根據(jù)本站需求，本系統(tǒng)采用OMRON CS1系列PLC作為數(shù)據(jù)采集機;
(3) 上位機(監(jiān)測機)
·通訊管理:上、下位機之間各種類型數(shù)據(jù)通訊的管理;
·數(shù)據(jù)管理:對采集的各類數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，各種參數(shù)、圖表、曲線的繪制，以及顯示、查詢和打印各種報警信息。
本系統(tǒng)中，利用Dephi語言編寫上位機程序，實現(xiàn)通訊管理和數(shù)據(jù)管理。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)的幾個關鍵問題
從系統(tǒng)的需求分析可以看出，鐵道信號微機監(jiān)測系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)量大，對可靠性和安全性很高，而且需要系統(tǒng)在低成本方式下運作，如何合理配置，使資源得到有效利用是設計重點和難點，下面闡述幾個關鍵問題的解決方法。
(1) 系統(tǒng)采集方式的選擇
鐵路系統(tǒng)中，由于監(jiān)測的信息點多，且各種被監(jiān)測量要求的采集周期不同，如開關量要求的采集周期為250ms，軌道電壓的采集周期為2min，如果采用常規(guī)的點對點采集，會大大增加系統(tǒng)成本，所以系統(tǒng)采用分類集中的信號采集方式，將同類信號集中并作相應的保護，經(jīng)過切換，利用一個A/D口輸入。另外，由于本系統(tǒng)是用于廣深鐵路線上，地處南方多雷擊地區(qū)，而且電氣化的高速鐵路本身會產(chǎn)生高達幾萬伏的沖擊電壓，因此監(jiān)測系統(tǒng)必須保證有很強的抗干擾性。系統(tǒng)采用歐姆龍公司的CS1系列PLC作為采集機，同時，對所有被采集的信號都作了隔離和保護。

圖1 各種被監(jiān)測量的并聯(lián)式結構采集方框圖

如圖1所示，系統(tǒng)采用并聯(lián)式結構，這樣的結構方式將被采集的物理量按類集中，分為開關量和模擬量兩大類，采集回路結構清晰，易于發(fā)現(xiàn)故障。
(2) 開關量采集方法
開關量采集回路如圖2所示。

圖2 開關量采集方框圖

開關量采集原理: 4位開關量輸出信號經(jīng)過譯碼得到16位地址，根據(jù)地址將1024個開關量分成16組采集，每次采集64位，利用兩塊32口的開關量輸入模塊。

(3) 模擬量采集方法
根據(jù)鐵道部有關規(guī)程，外供電壓、軌道電壓、轉轍機電流等模擬量要求不同的采集方式，例如外供電壓和軌道電壓采用巡測采集方式，即巡回檢測采集;轉轍機電流采用中斷式采集方式，即當轉轍機發(fā)生動作時才采集相應的數(shù)據(jù);絕緣檢測的采集方式是命令式，這是因為絕緣檢測是帶電檢測，在保證列車安全運行的情況下，必須由工作人員通過上位機發(fā)出指令采集相應的絕緣值。根據(jù)這些不同要求，系統(tǒng)中利用不同的模擬量采集回路實現(xiàn)。圖3示出128路軌道電壓采集回路框圖。由前置電路通過隔離、濾波、保護等前置電路處理采集的模擬信號，變成1～5V標準電壓信號，經(jīng)過兩級切換，在PLC中經(jīng)A/D轉換后，用0-4000的數(shù)字量線性表示。

圖3 128路軌道電壓采集回路框圖

(4) PLC與上位機通信流程
上位機與PLC的通信流程大致如下:
系統(tǒng)監(jiān)測的信息點多，采集方式不同，因此系統(tǒng)實現(xiàn)的另一個的難點就是對不同數(shù)據(jù)的通訊管理。系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)有1024個開關量，128路軌道電壓信號，64路外供電信號，16路轉轍機電流等，由于采用串口與上位機通訊，通訊資源有限[1]，按照鐵道部有關規(guī)定，將數(shù)據(jù)的優(yōu)先級規(guī)定為:開關量信號，外供電壓信號，轉轍機電流信號，軌道電壓信號，對優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)優(yōu)先處理，程序流程如圖4所示。

圖4 程序流程框圖

采用這種通訊方式的特點是程序結構簡單清晰，通信簡單，可擴展性強，能保證重要數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳送。缺點是通訊速度較慢，在調試中發(fā)現(xiàn)，128路軌道電壓全部傳到PLC中需要大約3s，但在鐵路系統(tǒng)中，這樣的通訊速度已能滿足要求。

4 程序流程分析
(1) 程序說明
主程序給每一類被采集數(shù)據(jù)分配一個緩沖區(qū)[2]，根據(jù)優(yōu)先級處理數(shù)據(jù)，將需要通訊的數(shù)據(jù)寫入通訊緩沖區(qū)中，然后與上位機通訊。

系統(tǒng)要求將變化的開關量傳送到上位機進行顯示，PLC程序中，給開關量分配兩個存儲單元D1和D2，將第一次采集的開關量存入D1，下一次采集到的數(shù)據(jù)存入D2，另外為開關量分配了一個環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)H1～H50，緩沖區(qū)中每個存儲單元的存儲容量為67個字，其中1024個開關量占64個字，一個標志字表示發(fā)生變化的開關量組，另外2個字用來表示開關量發(fā)生變化的時間(年，月，日，小時，分鐘，秒，毫秒)。環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的結構如圖5所示。緩沖區(qū)作用是:將需要存儲的開關量按順序存入緩沖區(qū)，50個存儲單元存滿后，第51個數(shù)據(jù)再存入第1個存儲單元，這樣就將這個緩沖區(qū)循環(huán)利用，有效使用了PLC的有限資源。

圖5 環(huán)形數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的結構圖

(2) 開關量采集程序流程
將第一次采集的開關量存入D1，下一次采集到的數(shù)據(jù)存入D2，比較D1和D2，看數(shù)據(jù)是否相等，如果相等，直接進行下一次巡視;如果不等，說明開關量發(fā)生變化，系統(tǒng)要求將變化的開關量送入上位機，此時將D2種的數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)Hi中，并設立標志，增加地址指針，同時用D2覆蓋D1的數(shù)據(jù)，程序流程如圖6所示:

圖6 開關量采集流程框圖

5 結束語
采用OMRON CS1系列PLC作為數(shù)據(jù)采集機的GSWJ微機監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)在該站投入運行，5年來，系統(tǒng)運行正常，保證了鐵路列車安全運行，并準確采集各項數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)故障和分析故障產(chǎn)生原因，另外，系統(tǒng)的報表輸出功能減輕了值班人員人工抄表的勞動強度?？傊?，微機監(jiān)測系統(tǒng)部分實現(xiàn)了鐵路系統(tǒng)自動控制，從整體上提高了企業(yè)的管理水平，且各項技術指標均達到設計要求。