地铁综合监控管道温度监控子系统设计

、 第 5 0卷总第 5 7 5期 2 0 1 3年第 1 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I ns t r u m e n t a t i o n V 0 1 5 O No 5 7 5 NO V 2 01 3 地铁综合监控管道温度监控子系统设计 孙启明， 王学伟 ( 北京化 工大学 信息科学与技术学院， 北京 1 0 0 0 2 9 ) 摘要： 针对北方地铁环境中用水管道的冬季保温问题， 设计了一套 自 动化管道温度监控系统。采用集散控制系 统构建方案， 运用现场温度控制器进行管道温度的检测与控制， 并依据标准M o d b u s 协议设计了通讯程序和通讯 指令集。经实际测试， 温度控制器及其通讯功能稳定、 可靠， 指令集正确、 实用。该系统实现了对地铁管道温度 的分散控制和集 中管理 ， 作为地铁综合监控子系统 ， 具有很好 的工程应用价值。 关键词 ： 管道温度监控 ； 抗干扰 ； 隔离保护 ； Mo d b u s 协议 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 1 1 - 0 0 8 3 0 4 W a t e r Pi p e l i n e Te mp e r a t u r e M o n i t o r i n g S u b s y s t e m o f I S CS i n M e t r o S U N Q i m i n g WA N G X u e w e i ( A c a d e my o f I n f o r m a t i o n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C h e m i c a l T e c h n o l o gy， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W a t e r p i p e l i n e s i n me t r o u s u a l l y n e e d t o b e t h e r ma l i n s u l a t e d i n wi n t e r ， e s pe c i a l l y i n n o r t h e r n Ch i na Th i s p a p e r d e s i g n s a n a u t o ma t i c p i p e l i n e t e mp e r a t u r e mo n i t o r i n g s y s t e mGu i d e d b y t h e s c h e me o f c o n s t r u c t i n g d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m， t h e p a p e r d e v e l o p s a k i n d o f fi e l d t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r t o d e t e c t a n d c o n t r o l t h e w a t e r p i p e l i n e t e mp e r a t u r e ，a n d d e s i g n s t h e c o mmu n i c a t i o n p r o g r a m a n d c o mmu n i c a t i o n i n s t ruc t i o n s e t a c c o r d i n g t o t h e Mo d b us pr o t o c o 1 I n t h e a c t u a l t e s t ，t he t e mpe r a t u r e c o n t r o l l e r a n d c o mmu ni c a t i o n f u nc t i o n s wo r k s t a b l y a n d r e l i a b l y ， w h i c h p r o v e s t h a t t h e c o mmu n i c a t i o n i n s t ruc t i o n s e t i s c o r r e c t a n d p r a c t i c a 1 T h i s s y s t e m r e a l i z e s d i s t r i b u t e d c o n t r o l a n d c e n t r a l i z e d ma n a g e me n t o f wa t e r p i p e l i n e t e mp e r a t u r e As a s u b s y s t e m o f I S C S i n me t r o ，i t p o s s e s s e s p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g v a l ue Ke y wor ds ： wa t e r p i p e l i n e t e mp e r a t u r e mo n i t o r i ng ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，i s o l a t i o n p r o t e c t i o n ，Mo d b u s p r o t o c o l 0引 言 地铁具有运量大 、 准 时性好等优点 ， 是城市交通 不可缺少的组成部分。地铁站点通过综合监控系统 ( 1 S C S ) 对站内建筑的照明、 电源、 暖通等设备进行监 测 、 控制和管理 。通常I S C S 集成或互联 了电力监控系 统 ( P S C AD A) 、 设备监控系统( B A S ) 等多个分系统 ， 其 中通过B A S 可以对车站水系统进行管理 ， 用水管道 的 水位 、 流量等参数 已先后纳入其监控范围内 一 。 在北 方城市， 由于冬季气温较低， 地铁环境中的消防管道、 给排水管道常常 出现冻裂 、表层腐蚀 以及结冰等现 象， 严重危害地铁的正常运营。 为解决上述问题 ， 地铁 中开始对用水管道采取保温防冻措施 ， 相应 的管道保 温监控系统便逐渐成为I S C S 急需扩展的子系统 。目 前 ， 各厂家的管道温度控制设备主要以现场单节点独 立方式工作 ， 在网络化应用和通讯指令集设计方面的 研究较少 ， 这严重影响了地铁管道温度集中化监控工 作的推广。本文开发了一套集散式温度监控系统， 采 用Mo d b u s 标 准协议 和R S 一 4 8 5 通用接 口构 建通讯 网 络 ， 设计 了监控过程中使用的通讯指令集 ， 实现对地 铁环境中用水管道温度的网络化监测和控制 ， 同时保 证了与地铁综合监控系统之间的兼容性。 1 系统总体设计 监控 系统主要 由现场温度控制器和监控主机两 大部分构成： 以M C U 为核心设计的现场温度控制器通 过布置在管道表面的温度传感器采集管道温度信息 ， 根据温度状况驱动保温加热电缆工作 ， 并能针对温度 异常、 传感器以及加热电缆故障等情况产生现场和远 传报警 ； 监控主机查询 、 接收温度控制器 的保温运行 情况、 设备故障情况等信息， 并以数字、 图表等形式显 一 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 5期 2 0 1 3年第 l 1 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e nt a t i o n VO 1 5 0 No 5 75 NO V 2 0 1 3 示在屏幕上 ， 供监控人员进行实时分析 、 处理 ， 同时可 向温度控制器下达相关控制命令， 对设备运行参数进 行修改。系统使用R S 一 4 8 5 总线建立通讯连接 ， 其结构 如图l 所示。 螭监 控 堋 簟 R S - 4 8 5 集线器 被 监 控 管 道 1 被 监 控 管 道2 放 瓶 拄 管 道 N 图1 系统 结构 图 Fi g 1 S y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m 2 现场温度控制器设计 温度控制器硬件结构分为主控电路 、 信号检测 电 路和通讯电路三部分， 其结构框图如图2 所示。 温 度 靛 制 器 图2温度控 制 器结构框 图 Fi g 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e t e mp e r a t u r e c o n t r o l l e r 2 1 主控部 分 该部分主要完成温控器的温度循环检测 、 加热电 缆控制和报警功能。 主 控 芯 片 采 用 Mi c r o c h i p 公 司 的 1 6 位 单 片 机 P I C 2 4 F J 1 2 8 G A1 0 8 。该芯片内部包含I C 、 U A R T 、 AD 等 模块 ， 简化外部电路设计 ， 丰富的I O 引脚可满足多路 控制信号的需求， 同时芯片运行稳定性好， 适合在电噪 声情况复杂的轨道交通环境中工作。在单片机控制下 8 4 温控器对管道温度进行巡检，驱动多路加热电缆完成 管道保温工作， 相关线路使用光耦进行隔离保护， 并通 过适 当的P C B 设计 ，增强单片机和继电器 回路抗干扰 f 能力 。温控器设置了键盘与显示面板 ， 用于检测结 果显示和参数修改 ， 以便操作人员进行设备维护。 2 2 信 号检 测部分 ( 1 ) 温度信号检测 本设计使用了两种不同规格的温度传感器： 三线 F F I O 0 型和两线N T C 型 。P T I O 0 属于正温度系数传感 器， 稳定性好 ， 广泛应用在各种温度监控工程中。 在本 系统温度测量范围内 ( 一 5 0 c C + 5 0 2 ) ， P T I O 0 阻值较 小，传感器导线电阻会给测量结果带来一定误差 ， 故 采用电桥补偿电路方式接入传感器信号 ， 以降低线阻 影响。N T C 属于负温度系数传感器 ， 灵敏度较高 ， 电阻 值随温度呈指数关系变化 ， 配合线性化方法可 以达到 较好的测量效果 。 上述传感器接入电路后， 温度信号经信号选择电 路选通， 进入各 自 信号调理电路滤波、 放大， 最终送入 单片机A D 检测端 口， 其过程如图3 所示。 P r l o 0 L 、 - 1 调 理 r 啦片 传感器 r 传感器接 信号选 机AD 入电路 卜 择电路 端口 N T C L J 、 调 理 卜 传 感 器r 图3 温度信 号检 测框 图 Fi g - 3 Di a g r a m o f t he t e mpe r a t ur e s i g n a l d e t e c t i o n ( 2 ) 加热 电缆信号检测 每路加热电缆供 电回路都设置有相应 的电流互 感器和漏电保护器 ， 配合信号转换和调理电路， 将电 缆的电流和漏电信息提供给主控芯片， 后者判断故障 情况并采取应对措施( 换缆 、 报警等) 。 2 3通讯部 分 本文为温度控制器设计 了一种高速R S 一 4 8 5 接 口 电路 ， 如图4 所示 。 C GND 图4 RS 一 4 8 5 - g口电路 Fi g 4 RS -4 8 5 i n t e r f a c e c i r c u i t D r J 1 N 一 一 蕃 蘸 一 娜 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 0卷总第 5 7 5期 2 0 1 3年第 l 1 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e nt a t i o n V0 1 5 O N0 5 7 5 NO V 2 0 1 3 4 结束语 本文设计 了一套管道温度监控系统 ， 作为地铁综 合监控子系统 ， 对地铁环境中用水管道进行保温控制 和管理。研发 了现场温度控制器 ， 设计了基于Mo d b u s 协议的监控通讯指令集， 并分别在温控器端和监控主 机端开发了各 自通讯程序。在实际联调测试过程中， 管道温度控制器较好地实现了温控功能和网络通讯 功能 ， 表明温度控制器和通讯指令集设计方案 的正确 性及实用性 ， 同时为本系统与地铁综合监控系统的对 接工作提供了实验依据。此外， 系统还通过了环境温 度变化测试以及G B T 1 7 6 2 6 标准规定的相关电磁兼 容测试 ， 运行稳定可靠 。 参 考 文 献 1 11 吴萸峰， 吴 坚， 杨 正， 等 基于综合监 控平台的轨道交通设备维护管 理系统设计【 J J 电气自动化， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 1 ) ： 6 9 7 0 ， 8 6 WU Yu f e n g ,WU J i a n，YANG Zh e n g ，e t a1S y s t e m De s i g n o f Ra i l T r a ns i t Main t e n a n c e a n d Ma n a g e me n t o n I S CS P l a tfo r m E l e c t r i c a l A u t o ma t i o n ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 1 ) ： 6 9 - 7 0 ， 8 6 【 2 】 全恒立， 吴佐民， 张钢， 等 基于嵌入式平台的城轨新型供电装置监 控系统研究【J J 电测与仪表， 2 0 1 0 ， 4 7 ( 6 ) ： 5 2 5 6 Q U A N He n g - l i ， WU Z u o m i n ， Z HA NG G a n g ， e t a 1 De s i gn o f Mo n i t o ri n g S y s t e m f o r Ur b an Rail T r an s it Ne w P o we r S u p p l y Un i t Ba s e d o n E mb e d d e d Wi n c e O p e r a t i n g S y s t e m J J E l e c t ri c a l Me a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n ， 2 0 1 0 ， 4 7 ( 6 ) ： 5 2 5 6 3 】 夏益青， 牛卫星 基于地铁综合监控 系统的环境设备监控 系统应 用 技术 J 1 _ 城市轨道交通研究 ， 2 0 1 2 ， 1 5 ( 5 ) ： 6 8 7 2 XI A Yi q i n g ， NI U We i - x i n g Ap p l i c a t i o n o f Bu i l d i n g Au t o ma t i o n S y s t e m B a s e d