CAN總線技術(shù)在軌道交通雜散電流監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉喜峰 許春香

(中州大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,450044,鄭州∥第一作者,副教授)

目前國(guó)內(nèi)外城市軌道交通的直流牽引供電系統(tǒng)中,普遍采用走行軌回流的供電方式。列車直流牽引供電系統(tǒng)采用正極接觸網(wǎng),走行軌兼作負(fù)回流線。由于走行軌不可能對(duì)地完全絕緣,且走行軌存在電壓降,因此有少量電流不會(huì)沿走行軌而是沿大地回到變電所或根本不回到變電所,從而形成雜散電流[1]。雜散電流對(duì)地下隧道主體結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地金屬管線和電纜金屬外鎧裝等金屬設(shè)施產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕(pH＜7時(shí)的析氫腐蝕,pH＞7時(shí)的吸氧腐蝕)。

1 道床雜散電流的分布規(guī)律

根據(jù)文獻(xiàn)[5-6]可知,單邊供電狀態(tài)下,列車處于某一處的雜散電流離散化數(shù)學(xué)模型為：式中：

is(x)——x處雜散電流,A;

x——距變電站的距離,km;

L——列車距變電站距離,km;

I——列車取流電流,A;

Rg——軌道對(duì)地的過渡電阻,Ω?km;

u(x)——x處的軌道電壓,V。

在雙邊供電的情況下,雜散電流和軌道電位滿足同樣的分布規(guī)律：

1)軌道電位、軌道電流直接影響雜散電流,以雙曲線規(guī)律分布。

2)軌道電流在列車和變電所區(qū)間的中點(diǎn)處為最小,在列車和變電所附近處為最大;雜散電流在列車和變電所中點(diǎn)處為最大,在列車和變電所附近處為最小。

3)變電所附近的軌道電位為最大負(fù)值(低于地電位),此處的雜散電流從埋地金屬流出,埋地金屬為陽極,雜散電流對(duì)埋地金屬的腐蝕嚴(yán)重。在該處應(yīng)設(shè)置雜散電流檢測(cè)點(diǎn)及排流點(diǎn)。在列車底部的軌道電位為最大正值,該處雜散電流流入埋地金屬,軌道為陽極,雜散電流腐蝕軌道。在列車和變電所中點(diǎn)處,埋地金屬電位為零(中性點(diǎn)),電流既不流出也不流入,但是列車是運(yùn)動(dòng)的,所以中性點(diǎn)是不固定的。

雜散電流及軌道電位隨著列車的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化。要了解雜散電流對(duì)埋地金屬、軌道及主體建筑物鋼筋的腐蝕情況,需要對(duì)整個(gè)線路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雜散電流的大小,需要沿線設(shè)置檢測(cè)點(diǎn),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。針對(duì)雜散電流的特點(diǎn),可采用CAN總線技術(shù)對(duì)雜散電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)研究。

2 CAN總線技術(shù)對(duì)雜散電流在線監(jiān)測(cè)的合理性分析

CAN模型結(jié)構(gòu)只有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層共3層。其應(yīng)用層數(shù)據(jù)可直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向數(shù)據(jù)鏈路層寫數(shù)據(jù),結(jié)構(gòu)層少,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可組建小范圍局域網(wǎng)。這一特點(diǎn)非常適合對(duì)軌道交通雜散電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

CAN總線為多主方式工作,網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從。這一特點(diǎn)在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到雜散電流超過許可值時(shí),可主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù),同時(shí)向排流裝置發(fā)送排流指令,以啟動(dòng)排流裝置。

CAN總線技術(shù)采用非破壞的總線仲裁技術(shù),當(dāng)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時(shí),優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)退出發(fā)送,而最高級(jí)的節(jié)點(diǎn)不受影響繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),從而大大節(jié)省總線仲裁時(shí)間,即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下,也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。因此,CAN總線技術(shù)可滿足雜散電流各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)申報(bào)的有序進(jìn)行。

CAN總線節(jié)點(diǎn)只需通過對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等的數(shù)據(jù)傳送、接收方式。CAN總線的直接通信距離可達(dá)10 km,節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。其通信介質(zhì)可以是光纖、同軸電纜或雙絞線。這些特點(diǎn)非常適合城市軌道交通的延伸建設(shè),以增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)約成本。

城市軌道交通沿線的干擾源多,干擾源的性質(zhì)多樣,但是CAN總線具有很強(qiáng)的抗干擾能力,以保證數(shù)據(jù)的正確無誤。因?yàn)镃AN總線的報(bào)文采用短楨結(jié)構(gòu),傳輸時(shí)間短,受干擾率低,每楨信息都有CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼校驗(yàn))及其他糾錯(cuò)措施,故CAN總線節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下,具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能,以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

3 迷流監(jiān)測(cè)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CAN總線控制器選用SJA1000芯片。它可以完成CAN總線通信協(xié)議所要求的全部特性,通過簡(jiǎn)單的總線連接即可完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能;它能夠提供總線仲裁和錯(cuò)誤檢測(cè)功能,并且在檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)能自動(dòng)重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù),從而減少數(shù)據(jù)的丟失,確保了系統(tǒng)的可靠性;它通過直接內(nèi)存映射方式訪問CAN總線控制器。

CAN總線收發(fā)器采用PCA82C250芯片。它是CAN總線控制器與物理總線之間的接口,提供向總線的差動(dòng)發(fā)送功能和對(duì)CAN總線控制器的差動(dòng)接收功能。在SJA1000與PCA82C250芯片中采用光電耦合器6N137將網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)內(nèi)部隔離,以提高抗干擾能力。

CAN總線節(jié)點(diǎn)的主控制芯片采用H T66FB50。該芯片具有8通道12位A/D(模擬/數(shù)字)輸入,USB接口,256×8EEPROM(電可擦寫編程只讀存儲(chǔ)器),42個(gè)I/O(輸入/輸出)口。

CAN總線節(jié)點(diǎn)可以接3～8個(gè)采樣用傳感器(參比電極和監(jiān)測(cè)測(cè)試點(diǎn)處),分別對(duì)雜散電流收集網(wǎng)、主體結(jié)構(gòu)鋼的電位進(jìn)行測(cè)量,以監(jiān)測(cè)雜散電流,上傳測(cè)量結(jié)果,及時(shí)啟動(dòng)排流柜排流。雜散電流CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖1。

圖1 雜散電流CAN總線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有存儲(chǔ)單元,保存24 h內(nèi)的測(cè)量結(jié)果。為確保測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,每次連續(xù)采樣9個(gè)結(jié)果,去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,然后求平均值。該平均值作為本次采樣結(jié)果而上傳,保存。

4 模擬試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[7]介紹的方法,實(shí)驗(yàn)室模擬地鐵運(yùn)行及建筑環(huán)境,構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?見圖2)。在一個(gè)塑料或有機(jī)玻璃制作的容器內(nèi),按照地鐵實(shí)際的采樣結(jié)果充填一些腐蝕介質(zhì),例如土壤或食鹽溶液;將幾個(gè)阻值相等的電阻串聯(lián)起來,代替走行軌;同時(shí)在每個(gè)電阻連接點(diǎn)向下引出一段導(dǎo)線,將導(dǎo)線插入腐蝕介質(zhì)中,在腐蝕介質(zhì)里埋入一段導(dǎo)線模擬雜散電流收集網(wǎng);導(dǎo)線的一端與電源的負(fù)極接通,同時(shí)在腐蝕介質(zhì)中埋入一段鐵質(zhì)金屬。當(dāng)給實(shí)驗(yàn)電路加上直流電源后,代替走行軌的串聯(lián)電阻就會(huì)有電流流過。這個(gè)電流在串聯(lián)電阻上形成一定的電壓降,在該電壓的作用下,會(huì)形成流過腐蝕介質(zhì)的模擬雜散電流。該雜散電流的一部分經(jīng)收集網(wǎng)返回電源,另一部分就會(huì)流經(jīng)埋在其中的鐵質(zhì)金屬后返回電源;金屬在電流的作用下就產(chǎn)生電腐蝕作用。

圖2 實(shí)驗(yàn)室模擬裝置

在模擬實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置3組測(cè)試點(diǎn),每組有3個(gè)測(cè)試點(diǎn)：a1,b1,c1;a2,b2,c2;a3,b3,c3。在a1,a2,a3測(cè)試點(diǎn)各接一個(gè)參比電極,其他測(cè)試點(diǎn)放置相應(yīng)的測(cè)試電極。第一組和第三組測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在靠近電源端和模擬列車端,第二組測(cè)試點(diǎn)放置在中間。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)b對(duì)a和c對(duì)a的電位差,以對(duì)該地鐵雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。電源電壓為15 V,電流為500 mA。

切斷電源,測(cè)量b和c、a的自然本底電位,采樣間隔取10 min,采樣5組數(shù)據(jù)(見表 1所示)。

表1 測(cè)試點(diǎn)的本底電位 V

接通電源后,測(cè)量b、c對(duì)a的極化電位,采樣間隔取10 min,采樣5組數(shù)據(jù)(見表2所示)。

數(shù)據(jù)顯示：埋地金屬的電化學(xué)電池陽極區(qū)的極化電位高于本底電位,陰極區(qū)的極化電位低于本底電位;在陽極區(qū),埋地金屬被腐蝕。隨著電源電壓的提升,極化電位逐漸提高。根據(jù)資料顯示,當(dāng)陽極極化電位高于0.3 V時(shí),金屬就不在鈍化區(qū)而處于腐蝕狀態(tài)。

模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)CAN總線的數(shù)據(jù)通信和傳輸進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明,數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確,系統(tǒng)軟件運(yùn)行可靠,符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

表2 測(cè)試點(diǎn)的極化電位 V

5 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)室的模擬實(shí)驗(yàn),可得出以下結(jié)論：

1)地鐵周邊的埋地金屬管線或結(jié)構(gòu)鋼筋在地鐵列車運(yùn)行時(shí)引起的泄漏電流(雜散電流)作用下,改變了其自身的本底電位,從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕,使得混凝土爆裂,縮短了使用壽命。

2)CAN總線技術(shù)應(yīng)用于軌道交通雜散電流的在線監(jiān)測(cè)是可行的。

3)節(jié)點(diǎn)可以組網(wǎng),也可以獨(dú)立使用。獨(dú)立使用時(shí),工作人員可定期讀取數(shù)據(jù),報(bào)送控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以制定控制方案。

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