受電弓控制管路風(fēng)壓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的研究

李光耀，錢家強(qiáng)

（呼和浩特鐵路局 科研所，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

電力機(jī)車受電弓是電力機(jī)車從接觸網(wǎng)上受取電流的裝置，其滑板條與接觸線直接接觸，從接觸線上受取電流供機(jī)車使用。由于接觸網(wǎng)自身特點(diǎn)：沿鐵路露天布置，線長(zhǎng)點(diǎn)多，工作環(huán)境惡劣，極易發(fā)生弓網(wǎng)故障造成停電，中斷行車；同時(shí)由于受電弓升弓控制管路風(fēng)壓不足造成受電弓碳滑板與接觸網(wǎng)虛接，產(chǎn)生火花導(dǎo)致接觸網(wǎng)燒損或損壞機(jī)車設(shè)備的事故，因此受電弓狀態(tài)的好壞直接影響到列車的安全運(yùn)行。如何及時(shí)了解弓網(wǎng)故障，分析故障原因，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)弓網(wǎng)狀態(tài)，保障運(yùn)輸安全是電氣化鐵路運(yùn)行要討論的課題。

由呼和浩特鐵路局科研所研制的電力機(jī)車受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，主要是防止受電弓升弓控制管路風(fēng)壓不足造成機(jī)車的燒網(wǎng)故障以及故障發(fā)生后及時(shí)分析，得出處理結(jié)果，通過不斷從運(yùn)行實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)，在理論分析弓網(wǎng)配合關(guān)系的基礎(chǔ)上，為改善和提高弓網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行條件和方法提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)主要由受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)、受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子機(jī)、受電弓風(fēng)壓采集、通信模塊及參數(shù)設(shè)定模塊組成。因?yàn)槊颗_(tái)機(jī)車、每個(gè)壓力傳感器的性能不完全相同，為了達(dá)到精確監(jiān)控，要對(duì)每臺(tái)機(jī)車和其對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行配套試驗(yàn)，將試驗(yàn)測(cè)得的實(shí)際參數(shù)通過上位機(jī)（筆記本電腦）載入主機(jī)；運(yùn)行中主機(jī)時(shí)刻對(duì)采集到的壓力信息進(jìn)行處理、判斷、存儲(chǔ)，對(duì)于SS3型電力機(jī)車（SS3型電力機(jī)車A、B司機(jī)室共用一套風(fēng)壓管路），主機(jī)同時(shí)還負(fù)責(zé)通過RS-485總線將必要數(shù)據(jù)傳遞給從機(jī)，保證主、從機(jī)顯示、報(bào)警保持一致。

SS4型電力機(jī)車的A、B司機(jī)室擁有各自的風(fēng)缸系統(tǒng)，每個(gè)司機(jī)室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

SS3型電力機(jī)車的A、B司機(jī)室共用一個(gè)風(fēng)缸系統(tǒng)，因此針對(duì)該電力機(jī)車受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警需要一套系統(tǒng)即可，一端的司機(jī)室（如A司機(jī)室）為主機(jī)端，另一端（如B司機(jī)室）只需要一個(gè)受電弓狀態(tài)信息顯示的從機(jī)即可，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖1 SS3型電力機(jī)車每個(gè)司機(jī)室的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 SS3型電力機(jī)車整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主機(jī)、受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從機(jī)、受電弓風(fēng)壓采集、參數(shù)設(shè)定模塊組成。

2.1 受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)的設(shè)計(jì)

受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)是本系統(tǒng)研制重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2.1.1 主機(jī)設(shè)計(jì)方案

由上述系統(tǒng)對(duì)主機(jī)的要求可知，主機(jī)應(yīng)由控制部分、通信、時(shí)鐘及存儲(chǔ)、電源部分組成。其整體框圖如圖3所示。

圖3 主機(jī)整體結(jié)構(gòu)框圖

（1）控制部分

主機(jī)的控制部分選用單片機(jī)C8051F320作為中央處理器，它性能穩(wěn)定，技術(shù)比較成熟，在功能上也正好滿足此設(shè)計(jì)要求。它自帶8路200kb／s的10位逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換，能夠精確地采集控制管路上的壓力，本設(shè)計(jì)利用其自帶的A／D轉(zhuǎn)換功能，將采集到的數(shù)據(jù)利用加權(quán)求平均值方法進(jìn)行處理、計(jì)算，然后與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較做出判斷，進(jìn)而執(zhí)行輸出控制；實(shí)時(shí)檢測(cè)“報(bào)警緩解”按鈕動(dòng)作，當(dāng)檢測(cè)到“報(bào)警緩解”按鈕動(dòng)作，則解除聲音警報(bào)，在故障沒有解決前，指示燈報(bào)警一直正常指示，這樣避免了在不需要情況下（如已成功提醒了乘務(wù)員注意）造成噪聲污染；此部分同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的通信和數(shù)據(jù)存取進(jìn)行控制與響應(yīng)。

（2）通信部分

設(shè)計(jì)在SS3型電力機(jī)車A、B司機(jī)室的主、從機(jī)之間采用RS-485通信，成熟的RS-485技術(shù)和自定通信協(xié)議保證了通信穩(wěn)定、可靠。在參數(shù)設(shè)置時(shí)，也是利用此通信接口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所不同的是在計(jì)算機(jī)的RS-232端口處借助了一個(gè)RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊。

（3）時(shí)鐘及存儲(chǔ)

設(shè)計(jì)時(shí)鐘選用DS1302芯片，其精準(zhǔn)度完全滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)它自帶32字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，用來作為風(fēng)壓報(bào)警警戒值等必要參數(shù)的備份儲(chǔ)區(qū)，避免了TF卡出現(xiàn)錯(cuò)誤引起系統(tǒng)工作異常。其電路原理圖如圖4所示。本系統(tǒng)只需使用前通過上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）對(duì)其參數(shù)進(jìn)行一次設(shè)置，隨后均以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，每隔一秒鐘對(duì)其主要數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲(chǔ)，此外對(duì)于引起報(bào)警的數(shù)據(jù)即時(shí)進(jìn)行保存，這些數(shù)據(jù)為故障發(fā)生后的及時(shí)分析、處理提供了重要依據(jù)，同時(shí)也為今后進(jìn)一步研究弓網(wǎng)關(guān)系提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)。存儲(chǔ)介質(zhì)采用的是1GTF卡，以系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行來計(jì)算，大概能保存一年的數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)溢出，采取先進(jìn)先出的原則；對(duì)于系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要參數(shù)，采用雙備份原則。

（4）電源部分

本設(shè)計(jì)的電源取自機(jī)車的110V電源，通過電壓轉(zhuǎn)換模塊為24V，它分為兩路，一路給傳感器供電，另一路經(jīng)自設(shè)計(jì)電路，分別轉(zhuǎn)為3.3V和5V供控制電路使用，其中3.3V給CPU供電，5V給外圍器件供電。

（5）主機(jī)程序流程圖

如圖4所示。

圖4 主機(jī)程序流程圖

2.2 受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)從機(jī)的設(shè)計(jì)

受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)從機(jī)在系統(tǒng)中的地位決定了它具有以下功能：正確接收主機(jī)傳遞過來的信息，對(duì)接收信息進(jìn)行處理和向主機(jī)發(fā)送相應(yīng)信息。這些功能的實(shí)現(xiàn)方案與主機(jī)相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)基本相同。在與主機(jī)的通信中，采用時(shí)分復(fù)用方式，保證了信息正確、可靠地傳輸；在此設(shè)計(jì)中，無論是在A司機(jī)室，還是在B司機(jī)室都能對(duì)兩個(gè)室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操作控制；若是30s以上從機(jī)沒有接收到主機(jī)的任何信息，它將報(bào)警提示通信錯(cuò)誤。

2.3 壓力傳感器

系統(tǒng)所需壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo)是電源為DC24 V；精度為0.5%；量程為0～1.0；輸出為4～20mA；每個(gè)系統(tǒng)需要兩個(gè)壓力傳感器，分別安裝在總風(fēng)缸管路和輔助風(fēng)缸管路上，實(shí)時(shí)對(duì)管路上壓力進(jìn)行測(cè)量，以電流形式傳遞給主機(jī)的AD采集通道，經(jīng)過電流—電壓、AD轉(zhuǎn)換及處理、計(jì)算，然后與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較做出判斷，進(jìn)而執(zhí)行輸出控制。

2.4 受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)計(jì)

圖5 受電弓控制管路風(fēng)壓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊界面

受電弓狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊是利用VB6.0編制的友好人機(jī)交互界面，如圖5所示。利用MSComm控件實(shí)現(xiàn)與設(shè)備之間的通信，串口設(shè)置默認(rèn)波特率為9 600b／s，無奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

在設(shè)備剛上電時(shí)，等待30s，這期間可以對(duì)時(shí)間、車型車號(hào)、設(shè)備類型、主風(fēng)缸和受電弓參數(shù)及SD卡存儲(chǔ)地址進(jìn)行設(shè)置。工作人員只需輸入對(duì)應(yīng)參數(shù)，然后點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕即可完成設(shè)置。同時(shí)在“接收區(qū)”能夠?qū)?shù)設(shè)置情況及設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)。

3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

系統(tǒng)具備的主要特點(diǎn)如下：

（1）系統(tǒng)自成體系，與機(jī)車上既有設(shè)備無任何聯(lián)系與干擾。

（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用的技術(shù)比較成熟，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)操作十分簡(jiǎn)單快捷，符合現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員習(xí)慣，顯示直觀醒目。

（4）系統(tǒng)的主要部分如主機(jī)、子機(jī)等廣泛采用了新型單片機(jī)技術(shù)、RS-485有線通信技術(shù)、多重抗干擾技術(shù)等，設(shè)計(jì)新穎，技術(shù)先進(jìn)，工作穩(wěn)定可靠，智能化程度較高。

（5）系統(tǒng)作為安全行車設(shè)備，其屬性決定了其必須符合故障導(dǎo)向安全原則，即不管系統(tǒng)的任何部分出現(xiàn)故障，都絕對(duì)不會(huì)影響到機(jī)車正常運(yùn)行和原有設(shè)備的正常使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)在研制的同時(shí)，多次進(jìn)行了室內(nèi)的模擬試驗(yàn)及聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，并有針對(duì)性的反復(fù)進(jìn)行了室外或現(xiàn)場(chǎng)的通信試驗(yàn)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用環(huán)境。第一臺(tái)樣機(jī)已于2011-05在包頭西機(jī)務(wù)段試驗(yàn)，自試驗(yàn)以來運(yùn)行良好，能夠?qū)κ茈姽刂乒苈凤L(fēng)壓狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，收到了很好的效果。