【摘要】以一台欧姆龙PLC为核心，对TA21型铁路牵引变电所安全监控及综合自动化系统（由WKH-892馈线保护测控装置、WBH-892Z主变主保护装置、WBH-892H主变后备保护装置、WDB-892动力变保护测控装置、WBB-892并补保护测控装置、WCK-892通用测控装置、WXH-892信号显示装置等七个单元组成），的运行和典型故障进行仿真，它结构简单、经济实用，为铁路职业学校在电气化专业实训教学中提供了良好的平台。
【关键词】PLC；仿真；牵引变电所
目前，在新建电气化铁道供电系统中的牵引网馈线、牵引变压器、并联电容器补偿设备中均采用了微机保护装置。该系统中采用的TA21型铁路牵引变电所安全监控及综合自动化系统是由以32位高性能、高可靠性微处理器为硬件核心组成的成套测量与控制装置，由WKH-892馈线保护测控装置、WBH-892Z主变主保护装置、WBH-892H主变后备保护装置、WDB-892动力变保护测控装置、WBB-892并补保护测控装置、WCK-892通用测控装置、WXH-892信号显示装置等七个单元组成。适用于电气化铁道牵引主变压器高低压侧电气量的测量、开关的控制和状态监测，可以实现高压侧有跨条和无跨条牵引变电所备用电源的自动投入；同时具有负荷录波、网络通信等自动化功能，本仿真系统即对上述二次微保设备进行仿真。
本文讲述了应用PLC的保护原理，硬件结构、数据采集、特征量和保护动作、软件流程、及PLC仿真的应用等内容。
一、系统设计的原则
任何一种电气控制系统都是为了实现被控对象的功能要求，以提高使用效率和产品质量为目的，本系统设计应当遵循以下原则：
1.满足要求原则
最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计控制系统的首要前提。满足教学需要是设计中最重要的一条原则之一。
2.经济实用原则
经济，也是系统设计的一项重要原则，不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护即方便又低成本，一台PLC的价格只是“TA21型铁路牵引变电所安全监控及综合自动化系统”的1/70。
3.适应发展原则
仿真系统的要求也一定会不断地在提高、不断地在完善。在仿真系统的设计时要考虑到今后的发展、完善、升级。这就要求在选择PLC机型和输入/输出模块要能适应发展的需要，要适当留有余量，为此我们增加一块CQM1-ID212模块为备用。
二、系统工作的原理
仿真系统的核心为一台欧姆龙PLC，用它完成了真牵引变电所TA21型的6类典型的监控功能，在保证仿真效果的前提下，大大降低了成本。各种传感器和执行器、报警电路均采用实物，可以为一、二次检修人员演练，解决了纯软件仿真不能为一、二次维修人员学习和演练的问题，提高了系统的利用率。显示人机界面的上位机采用一台PC机进行人与仿真系统的交流，其断路器，隔离开关与现场相对应，真实反应现场的变化，可对现场进行监控，在上位机内制作有图表、趋势曲线，可设置报警上限值，并记录断路器变化情况，监控内容框图如图1所示。
用PLC编程软件，根据IN/OUT输入、输出口，传感器和执行器之间的逻辑关系进行编程，PLC经RS232接口和上位机进行通信，将传感器的信号送至上位机，将操控者的键盘信号通过RS232接口送至PLC，通过输出模块送至执行器。命令处理顺序如图2所示，传感器按照设定时间间隔对变化的量进行取样，送入A/D转换，通过PLC送至上位机，上位机将送入信号与按要求与设定值进行比较，如果不超设定值，刷新，重新通过传感器采样，重复上述过程。如果超过设定值，上位机通知下位机，输出执行信号给相关执行器，切断相关断路器并报警。
三、系统的组成
1.PLC的选型
从上述的被控对象（变压器、断路器、隔离开关）的电气特性看出，这个系统是对开关量和电流、电压、温度等模拟量进行监控，因此，PLC只需选用基本及通讯模块，而不需特殊模块。以降低成本。以下应确定PLC输入/输出点数，统计可编程控制器对变压器及配套设备的监控点数，一般输入不超过32点数，输出不超过20点，在实际中我们选用了OMRON公司的系列PLC产品。该产品采用先进的16位CPU，可实现采集、运算、逻辑、定时、控制、通讯等功能，详列如下；
中央处理器：CQM1-CPU21-E程序尺寸：3.2K字DM区尺寸：1K字RS232接口：最大I/O点数：128点（自带16点开关量输入）电源：CQM1-PA203：24 VDC 0.75A（18W）
开关量输入：CQM1-ID212：16点输入，16点共通，输入电压24VDC备用
模拟量输入：AD042 4点，电流4—20mA
开关量输出：CQM1-OC222：16点，接点输出，16点共通，负载能力2A（8A/Unit）
2.传感器及仪表
传感器及仪表是PLC监测现场信号的“眼睛”是PLC监测现场信号的“眼睛”，现场所有信号都需经过互感器、传感器及仪表的转换，才能输出标准信号，被PLC终端所接受。系统主要用于测量电压、电流、温度、及耗电量等参数的设备，要求为现场标准设备，便于学生仿真演练。
3.PLC控制软件
PLC软件采用梯形图语言编写，以保证控制操作的正确性和可靠性。程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展。控制软件主要由下列模块程序组成：
a.初始化程序；设定各寄存器、计数器、PLC工作模式、通信方式等参数初始值。
b.数据采集子程序；对各路开关量、模拟量数据采集、滤波、平均等处理。
c.累计运行时间子程序；对变压器等设备的运行时间进行累计。
d.脉冲量累计子程序；对电耗进行累计。
e.遥信子程序；检测驱动电机、断路器、报警开关等设备的运行状态。
f.置初值子程序；对时间、电耗等累计参数按用户的要求设定初始值。
g.控制子程序：根据监控上位机的命令，或现场自控条件输出相应的操作。
4.PLC的I/O点分配
在本系统中，除了上电、断电控制外，还有对变压器的过流，欠压和瓦斯保护。我们以欧姆龙CQM1-CPU21的PLC为例进行I/O分配，如图3所示。上电、断电控制是开关量，选用干接点即可，过流，欠压和瓦斯保护，如条件允许，要求精度，可选用智能互感器、传感器来实现，可以提高保护的可靠性。
四、结束语
本仿真系统的核心为一台PLC，配置上位机的人机界面、趋势曲线分析、各种报表、报警设置等功能，用它完成了真牵引变电所TA21型的6类典型的监控功能，上述方案在保证仿真效果的前提下，大大降低了成本。各类传感器和执行器、报警电路均采用实物，可以为一、二次检修人员学习演练，解决了纯软件仿真不能为一、二次维修人员实训的问题，提高了系统的利用率。在满足教学要求的前提下，节约教学成本是本系统设计的特点，有助于仿真系统在铁路基层供电段及相关教学培训学校推广。
参考文献
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本项目为吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字[2011]第464号）。
作者简介：
向宏典（1956—），男，吉林铁道职业技术学院实验师，从事仿真实验设备的研究。
刘洪波（1960—），男，吉林铁道职业技术学院教师。