接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張永超

(中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司，武漢 430074)

鐵路建筑、高層建筑的防雷設(shè)施，接地電阻是反映建筑物防止直擊雷、側(cè)擊雷和感應(yīng)雷的重要指標(biāo)，接地不良會(huì)直接導(dǎo)致建筑物受到雷擊損壞。為解決既有接地電阻測試手段的不足，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測接地電阻的功能，開發(fā)了一種帶遠(yuǎn)程通信的多路選通接地電阻在線測試系統(tǒng)，通過繼電器選通隔離測試，實(shí)時(shí)讀取測試結(jié)果，發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)建筑物接地電阻的遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，可有效解決接地電阻不能實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測等問題。

1 技術(shù)背景

由于地理環(huán)境復(fù)雜，地下磁場的變化等原因會(huì)引起建筑物的接地環(huán)境變化，在雷擊比較頻繁的地區(qū)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測建筑物接地電阻的變化。當(dāng)接地不良時(shí)，需要及時(shí)采取措施，防止建筑物被雷擊損壞。目前對(duì)接地電阻的測量儀表有手搖式搖表和電子類接地電阻測試儀等，手搖式搖表需手動(dòng)搖動(dòng)，全由人工操作；電子類接地電阻測試儀大都由電池供電，無防護(hù)雷電流措施，長期應(yīng)用于測試現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)，遭雷電流損壞的概率大大增加。上述兩種測試方法一次只能測試一路接地電阻，測試多路需要手動(dòng)換線，且不支持自動(dòng)在線測試。目前市場上大部分電子類接地電阻測試儀不支持實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，也無自動(dòng)測試功能。對(duì)需要頻繁測試接地電阻的應(yīng)用環(huán)境，要浪費(fèi)很大的人力進(jìn)行測試，不適用于比較復(fù)雜的接地電阻測試領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由接地電阻測試儀、上位機(jī)、中心服務(wù)器及終端組成。中心服務(wù)器、上位機(jī)以及終端在同一個(gè)TCP/IP 網(wǎng)段中，采用基于C/S 模式的TCP/IP 通信方式，同一中心服務(wù)器最多支持200 個(gè)上位機(jī)接點(diǎn)接入。上位機(jī)和接地電阻測試儀采用MODBUS 協(xié)議通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System strucure diagram

2.1 中心服務(wù)器

中心服務(wù)器是系統(tǒng)的核心，采用小型機(jī)，Windows Server 操作系統(tǒng)，Oracle 數(shù)據(jù)庫。具有以下功能：各監(jiān)測點(diǎn)接入及通信管理功能；各監(jiān)測點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能；各監(jiān)測點(diǎn)自動(dòng)測試計(jì)劃存儲(chǔ)及下發(fā)；各接地測試點(diǎn)預(yù)報(bào)警策略管理；系統(tǒng)設(shè)備故障判斷及推送、測試值預(yù)報(bào)警判斷及推送。

2.2 終端

終端是系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，具有以下功能：以圖形化顯示各監(jiān)測點(diǎn)的狀態(tài)；以表格形式顯示各接地點(diǎn)的測試數(shù)值以及年月日?qǐng)?bào)表；以曲線形式顯示各接地點(diǎn)值的趨勢變化；實(shí)時(shí)顯示中心服務(wù)器推送的故障及預(yù)報(bào)警信息；系統(tǒng)管理功能，提供操作界面配置各測試點(diǎn)的測試計(jì)劃以及預(yù)報(bào)警分析策略，并及時(shí)送給中心服務(wù)器。

2.3 上位機(jī)

上位機(jī)是接地電阻測試儀和中心服務(wù)器的中間件，硬件采用7 吋工業(yè)控制機(jī)，WinCE 操作系統(tǒng)，主要用于接收中心服務(wù)器的命令并控制接地電阻測試儀的工作。具有以下功能：接入中心服務(wù)器及通信管理功能；具備界面顯示及操作功能，實(shí)時(shí)顯示最新接地電阻的測試值和手動(dòng)人工測試功能；按中心下達(dá)計(jì)劃執(zhí)行測試計(jì)劃并實(shí)時(shí)上送測試值；具有數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，當(dāng)和中心服務(wù)器連接恢復(fù)后，及時(shí)發(fā)送未上傳的數(shù)據(jù)。

2.4 接地電阻測試儀

接地電阻測試儀是系統(tǒng)的直接測試裝置，也是系統(tǒng)的末端裝置，具有以下功能：與上位機(jī)的MODBUS 通信功能；接收上位機(jī)的測試命令，并完成測試任務(wù)，返回測試值；依據(jù)上位機(jī)傳送的測試編號(hào)，控制內(nèi)部選路繼電器，實(shí)現(xiàn)多路選測功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能需求

接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)（以下簡稱本系統(tǒng)）的主要目的是用于解決既有接地電阻測試手段只能手動(dòng)測試，人工測試的缺陷，實(shí)現(xiàn)接地電阻的自動(dòng)測試和遠(yuǎn)程診斷，其功能主要有以下幾點(diǎn)。

實(shí)時(shí)在線測試功能。系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)設(shè)的測試計(jì)劃，自動(dòng)對(duì)每個(gè)接地點(diǎn)的電阻進(jìn)行測試，并把測試結(jié)果反饋給用戶。

自動(dòng)選路功能。為節(jié)約成本，在一個(gè)測試區(qū)域，有多個(gè)接地電阻測試點(diǎn)時(shí)，只安裝一個(gè)接地電阻測試裝置，通過自動(dòng)選路確定當(dāng)前測試的接地電阻。

遠(yuǎn)程監(jiān)測測試功能。在一些交通不便，以及無人值守區(qū)域，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測測試功能，由人員在遠(yuǎn)程控制端對(duì)接地電阻進(jìn)行測試，并把監(jiān)測結(jié)果實(shí)時(shí)返回控制端，便于管理人員實(shí)時(shí)了解接地電阻的情況，及時(shí)對(duì)不良接地點(diǎn)作出整改措施。

測試設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能。遠(yuǎn)程終端能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測各個(gè)測試點(diǎn)測試設(shè)備的工作狀態(tài)，對(duì)有異常的監(jiān)測設(shè)備給出故障提示。

接地不良預(yù)、報(bào)警功能。服務(wù)端對(duì)各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)測試的數(shù)據(jù)，進(jìn)行比對(duì)分析，按照一定的判斷邏輯，對(duì)超過標(biāo)準(zhǔn)值的接地電阻值進(jìn)行預(yù)警或報(bào)警，提醒管理人員進(jìn)行處置。

系統(tǒng)管理功能。系統(tǒng)需開放接口，對(duì)自動(dòng)測試計(jì)劃、用戶權(quán)限以及預(yù)、報(bào)警策略等實(shí)現(xiàn)管理功能。

3.2 接地電阻測試儀設(shè)計(jì)

接地電阻測試儀由電阻測試儀表、控制板及繼電器選路系統(tǒng)組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。電阻測試儀表采用工業(yè)專用電阻測試儀表，測量精度為0.01 Ω，繼電器選路系統(tǒng)將測試公共端E 分路實(shí)現(xiàn)多路測量，同時(shí)起到隔離雷電流對(duì)裝置的破壞。測試裝置的測試結(jié)果通過8 段數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示，其單片機(jī)通過數(shù)碼管采集電路，實(shí)時(shí)采集8 段數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示的測試數(shù)組，并上傳給遠(yuǎn)程主機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或者手動(dòng)的接地電阻在線測試。8 段數(shù)碼管采樣電路原理是分別判斷第1、2、5、6、7 路電平狀態(tài)實(shí)現(xiàn)采樣，利用MODBUS協(xié)議和上位機(jī)通信，上位機(jī)通過發(fā)送測試命令可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3 軟件流程設(shè)計(jì)

上位機(jī)的測試命令有兩種，第一種為接收到中心服務(wù)器的測試命令，及時(shí)執(zhí)行測試命令；第二種依據(jù)既定的測試策略來定時(shí)自動(dòng)執(zhí)行測試工作，服務(wù)器在初始化測試策略時(shí)把相關(guān)測試計(jì)劃發(fā)送給上位機(jī)，由上位機(jī)自行存儲(chǔ)在掉電保持FLASH 存儲(chǔ)器中，并根據(jù)測試計(jì)劃執(zhí)行測試任務(wù)，其工作流程如圖3 所示。

圖2 接地電阻測試儀硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure diagram of grounding resistance tester

上位機(jī)及接地電阻測試儀，具備掉電保存測試數(shù)據(jù)功能，裝置的斷電、重啟不會(huì)丟失測試的數(shù)據(jù)，且不依賴與遠(yuǎn)程主機(jī)進(jìn)行工作。跟遠(yuǎn)程主機(jī)通信中斷恢復(fù)后，自動(dòng)把未上傳的測試結(jié)果上傳給遠(yuǎn)程主機(jī)。發(fā)送測試結(jié)果流程如圖4 所示。

4 結(jié)束語

接地電阻在線測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)解決了建筑物防雷接地電阻測試時(shí)只能人工測試、單路測試的問題。本系統(tǒng)支持在線不間斷測試及遠(yuǎn)程監(jiān)測，極大減少了維護(hù)人員的工作量。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的需求，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測及測試，并把設(shè)備狀態(tài)等信息在遠(yuǎn)程終端上進(jìn)行圖形化展示，解決接地電阻測試中的難點(diǎn)，受到使用者的青睞。目前該系統(tǒng)在杭長高鐵、哈大高鐵等線路批量使用，使用效果良好，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖3 上位機(jī)軟件流程圖Fig.3 Flow diagram of upper computer software

圖4 測試結(jié)果發(fā)送軟件流程圖Fig.4 Flow diagram of test data sending software