分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

蔡李花， 許少毅， 殷慶華

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州221116）

地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)是地鐵設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)中必須考慮的問(wèn)題。地鐵列車所需電流由牽引變電所提供，通過(guò)接觸網(wǎng)向列車送電，并通過(guò)走形軌作為牽引電流回路，返回到牽引變電所。由于鋼軌很難做到完全對(duì)地絕緣，所以在直流牽引供電系統(tǒng)中，牽引電流并非全部由鋼軌流回牽引變電所，而是有一部分由鋼軌雜散流入大地，再由大地流回鋼軌并返回牽引變電所，從而形成雜散電流。地鐵列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的雜散電流，會(huì)對(duì)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)鋼筋以及地鐵附近土壤中埋設(shè)的通訊電纜、水管氣管等產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；因此，在地鐵正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地鐵雜散電流加強(qiáng)監(jiān)測(cè)是非常必要的。隨著城市軌道交通建設(shè)的迅速發(fā)展，雜散電流監(jiān)測(cè)得到了人們的廣泛重視，國(guó)家建設(shè)部為地鐵行業(yè)制定了相關(guān)防護(hù)技術(shù)規(guī)程。研究新的監(jiān)測(cè)方法，架構(gòu)新的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。光纖傳感技術(shù)的發(fā)展為基于光纖傳感技術(shù)的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究提供了理論基礎(chǔ)。要獲得整個(gè)地鐵運(yùn)行線路的雜散電流情況，使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)移動(dòng)式傳感方式既耗時(shí)又耗資，且在布線上也不方便，故使用分布式雜散電流監(jiān)測(cè)是最有效的方法。

目前，城市軌道交通系統(tǒng)都利用公司內(nèi)部局域網(wǎng)來(lái)組建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；谠撓到y(tǒng)進(jìn)行雜散電流監(jiān)測(cè)不僅能節(jié)約成本、方便維護(hù)，且有利于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享。本文在現(xiàn)有辦公自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法，搭建基于光纖傳感技術(shù)的雜散電流監(jiān)測(cè)平臺(tái)，研制了一套智能雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為雜散電流的腐蝕判斷提供數(shù)據(jù)支持。

1 光纖電流傳感器的信號(hào)采集裝置設(shè)計(jì)

光纖電流傳感器的信號(hào)采集裝置是一個(gè)以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集光纖電流傳感模塊輸出的偏振光信號(hào)，并把此光信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后通過(guò)應(yīng)用成熟的RS－485通訊總線實(shí)時(shí)地傳輸?shù)焦╇娝默F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。其原理框圖如圖1所示。

圖1 光纖電流傳感器信號(hào)采集裝置原理框圖

由于每個(gè)光纖電流傳感模塊輸出兩路偏振光信號(hào)，所以需要采集兩路信號(hào)。這兩路信號(hào)分別進(jìn)入各自的信號(hào)變換電路，把信號(hào)變換為A／D轉(zhuǎn)換器容許的數(shù)值范圍，并送入A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。單片機(jī)讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果并處理，將處理結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái)。另外，單片機(jī)外接有串行通信電路，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)的數(shù)據(jù)通信。

2 分布式雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2.1 分布式光纖電流傳感系統(tǒng)的架構(gòu)模式

由于雜散電流的隨機(jī)性和不確定性，需要對(duì)雜散電流進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。根據(jù)地鐵系統(tǒng)的實(shí)際情況，需要全線對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)分布式的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用光纖進(jìn)行分布式溫度測(cè)量的光纖傳感系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外均有研究報(bào)道。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)最早在1981年由英國(guó)南安普頓大學(xué)提出。1983年英國(guó)的Hartog用液體光纖的瑞利散射（Rayleigh scattering）效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器的原理性實(shí)驗(yàn)。1985年英國(guó)的Hartog和Dakin分別利用半導(dǎo)體激光器作為光源研制了測(cè)溫用的分布式光纖溫度實(shí)驗(yàn)裝置。隨著光纖技術(shù)的成熟，其適用范圍也在慢慢拓展。南昌航空工業(yè)學(xué)院的萬(wàn)雄[1]等提出了一種分布式光纖多點(diǎn)電流傳感系統(tǒng)。鑒于上述理論基礎(chǔ)，本文提出了一種分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統(tǒng)。

分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統(tǒng)的架構(gòu)原理如圖2所示。由高穩(wěn)定光源輸出的光耦合進(jìn)入主光纖，主光纖線路連接附近所有的需要監(jiān)測(cè)的各個(gè)結(jié)點(diǎn)。在每個(gè)結(jié)點(diǎn)上設(shè)有1個(gè)1×2單模光纖耦合器，即光信號(hào)經(jīng)過(guò)耦合器之后將其分成兩部分傳輸，從主光纖線路上獲取光源。光纖電流傳感模塊傳感結(jié)點(diǎn)的電流信號(hào)，在每個(gè)支路上檢測(cè)出與電流對(duì)應(yīng)的偏振光信號(hào)以后，通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換、調(diào)理、傳輸電路傳送至現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)。

圖2 分布式地鐵雜散電流光纖傳感系統(tǒng)的架構(gòu)原理

2.2 工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和主監(jiān)控工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩部分。現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)光纖電流傳感器信號(hào)采集裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行集中處理和顯示，并將處理好的數(shù)據(jù)上傳到主監(jiān)控工控機(jī)。主監(jiān)控工控機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)的集中管理，將地鐵全線各供電區(qū)間的雜散電流信息數(shù)據(jù)集中起來(lái)，并顯示在監(jiān)控界面上，同時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，供Web服務(wù)器來(lái)查詢輸出?，F(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)與傳感器信號(hào)采集裝置要通過(guò)RS－485總線進(jìn)行通信。

2.2.1 軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用Windows XP SP2作為系統(tǒng)平臺(tái)，并在此基礎(chǔ)上架構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。上位機(jī)軟件基于C＋＋Builder6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。C＋＋Builder 6.0是Borland公司推出的一種通用的、功能強(qiáng)大的、高效率的軟件開(kāi)發(fā)工具，支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)模式，特別適合于在Windows環(huán)境下編制具有人機(jī)交互功能的用戶圖形界面；它包括全新的數(shù)據(jù)庫(kù)支持和網(wǎng)絡(luò)支持，內(nèi)部集中了大量的ActiveX對(duì)象和API函數(shù)，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)操作[2－4]。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)監(jiān)控軟件

現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)監(jiān)控軟件主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控界面顯示和數(shù)據(jù)傳輸4個(gè)模塊組成?，F(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)定時(shí)對(duì)光纖電流傳感器信號(hào)采集裝置進(jìn)行循環(huán)的數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后處理結(jié)果上傳到主監(jiān)控計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)的光纖電流傳感器信號(hào)采集裝置進(jìn)行定時(shí)循環(huán)的數(shù)據(jù)采集。該模塊的軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)MSComm控件對(duì)串口初始化設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?。?shù)據(jù)處理模塊是工控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的核心，主要是對(duì)采集來(lái)的雜散電流數(shù)據(jù)進(jìn)行小波閾值去噪處理。數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是將該供電區(qū)間內(nèi)雜散電流信息傳輸?shù)街鞅O(jiān)控計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵全線雜散電流狀態(tài)的集中監(jiān)控。在與主監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信中，現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)充當(dāng)?shù)氖欠?wù)器的角色。當(dāng)接收到主監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接請(qǐng)求后，建立連接，并根據(jù)主監(jiān)控計(jì)算機(jī)的指令類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)控界面顯示模塊用來(lái)實(shí)時(shí)顯示一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)信息和經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)信息。為了更加明確詳細(xì)地給出該區(qū)段內(nèi)的雜散電流狀態(tài)信息，在軟件設(shè)計(jì)中，以曲線形式顯示各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)變化情況。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控軟件的主監(jiān)控界面如圖3所示。

2.2.3 主監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

主監(jiān)控計(jì)算機(jī)監(jiān)控軟件主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的查詢及顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)3個(gè)模塊組成。該軟件的功能是將采集來(lái)的地鐵全線各供電區(qū)間的雜散電流信息數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控界面上，并將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，供Web服務(wù)器來(lái)查詢輸出。監(jiān)控軟件還需具有打印功能，以便在必要時(shí)打印輸出。主監(jiān)控計(jì)算機(jī)界面如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)監(jiān)控界面

圖4 綜合監(jiān)控軟件界面

數(shù)據(jù)傳輸是主監(jiān)控計(jì)算機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)工控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的模塊，其數(shù)據(jù)傳輸是定時(shí)循環(huán)進(jìn)行的，一般0.5 h進(jìn)行一次循環(huán)采集?，F(xiàn)場(chǎng)工控計(jì)算機(jī)接收到主監(jiān)控計(jì)算機(jī)的連接請(qǐng)求后，與主監(jiān)控計(jì)算機(jī)建立連接。當(dāng)連接建立后，主監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出協(xié)議規(guī)定的指令向該工控機(jī)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)工控計(jì)算機(jī)接收到指令后，就將其最新的雜散電流監(jiān)測(cè)狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)街鞅O(jiān)控計(jì)算機(jī)。主監(jiān)控界面顯示模塊主要是將從現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)采集來(lái)的地鐵全線的雜散電流狀態(tài)數(shù)據(jù)保存和集中顯示，并具有數(shù)據(jù)查詢和打印功能，用戶可以通過(guò)對(duì)軟件的操作了解地鐵全線的雜散電流狀況。其監(jiān)控界面如圖4所示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是將從現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)采集來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。主監(jiān)控計(jì)算機(jī)將采集的雜散電流狀態(tài)信息存儲(chǔ)到SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中，供Web服務(wù)器進(jìn)行查詢操作。

2.3 基于Web的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

目前，基于Web的系統(tǒng)架構(gòu)方式主要有2種，即客戶機(jī)／服務(wù)器 Client／Server（C／S）模式和瀏覽器／服務(wù)器 Browser／Server（B／S）模式[5]。在本設(shè)計(jì)中，綜合考慮負(fù)荷均衡，采用B／S模式和C／S模式的混合結(jié)構(gòu)，如圖5所示。一些需要滿足大多數(shù)訪問(wèn)者請(qǐng)求的功能界面采用B／S結(jié)構(gòu)，后臺(tái)只需少數(shù)人使用的功能應(yīng)用使用C／S結(jié)構(gòu)。

圖5 基于Web的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）搭建了一套分布式的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為雜散電流腐蝕的判斷提供了良好的依據(jù)。

（2）根據(jù)光纖電流傳感的特點(diǎn)，搭建基于光纖傳感技術(shù)的雜散電流監(jiān)測(cè)平臺(tái)，研制一套智能雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為雜散電流的腐蝕判斷提供數(shù)據(jù)支持。

（3）該方案結(jié)合Web技術(shù)，將雜散電流監(jiān)測(cè)與局域網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)局域網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享，友好的人機(jī)交互界面使得管理決策更加快捷高效。

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