計算機牽引供電模擬培訓系統設計與研究

杜銀龍

0 引言

利用計算機牽引供電模擬培訓系統可以更好地對電氣化技術、施工人員進行系統培訓。模擬牽引供電及其遠動控制采用工控機和單片機相結合的控制技術，并以壁掛式大屏幕準確顯示電氣化供電實時模擬沙盤（將現場實物按45∶1 的比例微縮而成），直接反映了鐵路接觸網的實際情況。模擬培訓系統較為全面地展現了計算機牽引供電模擬培訓系統的基本構成、工作原理、施工要點。

1 系統硬件組成

牽引供電及遠程監控模擬系統組成主要有控制計算機、燈控板、繼電板、顯示屏、接觸網及其相關設備等。

1.1 模擬沙盤

系統沙盤模擬了2 個標準的4 股道車站及區間。車站的一個咽喉采用“八”字形渡線，另外一個咽喉采用交叉渡線，區間設有道口和鐵路橋。沙盤上共有122 根接觸網支柱，設有腕臂，定位桿、定位器等支持裝置，車站接觸網一個采用硬橫跨，另一個采用軟橫跨，接觸網線均采用等高懸掛方式。行進中的模擬機車由具有遠動控制功能的牽引變電所、分區所、開閉所等供電設施通過接觸網供電。

線路采用底寬5 mm、寬3 mm、高7 mm 的模型，由銅質特制軌、特制的軌道基板、軌道墊板和軌道緊固件等組成。

支柱、支持裝置和定位裝置使接觸懸掛導線相對于線路保持在所要求的位置上，腕臂支持裝置采用標準腕臂和反向腕臂，兩車站多股道的接觸懸掛分別采用軟橫跨（借助于數根橫向線索懸掛于布置在線路兩側的2 根支柱上）、硬橫跨（固定在位于電氣化線路兩側支柱上的實腹鋼結構），外形與供電方式同實際現場。

采用單片計算機控制系統實現供電分段控制和模擬牽引顯示屏的顯示。供電方式完全采用現場實際運行方式，牽引機車采用單線供電，通過鋼軌作為牽引電流回流線。沙盤中機車牽引采用直流24 V，軌道電路采用直流5 V，其中一條鋼軌作為牽引電流回流軌，有效實現了機車動力電源的供給。

1.2 牽引供電控制系統

牽引供電控制系統采用高可靠性的工控機，利用工控機和單片機相結合的技術，成功模擬了鐵路電氣化供電及遠動控制，通過控制軟件實現燈控板和繼電器板對各牽引變電所、分區所、開閉所等供電設施的遠動控制，同時在顯示屏上對各區段供電情況進行實時顯示。

牽引供電主控計算機通過單片機串口對CPU板進行控制。CPU 板上主要有AT89C51 單片機、74LS573、74H245 等芯片，經3 個2×13 插槽與3個被控板相連接。由此進行I/O 擴展。3 個燈控板中1 個與繼電器板相連，實現上位機對繼電器板的控制，繼而實現對接觸網和顯示屏的控制。

牽引供電遠動控制軟件是基于Windows 操作系統，通過實時控制使操作員用鍵盤和鼠標進行各種命令操作，實現控制各牽引變電所、開閉所的斷路器分合、故障報警顯示、有限制的訪問數據庫等功能。

1.3 牽引變電站模擬屏

采用馬賽克與發光二極管組合光帶，接線圖采用光帶顯示。由單片機控制電路和驅動電路及電源轉換電路實現顯示供電狀態和對電氣化鐵道牽引供電網的控制，并可由操作主機進行控制。

1.4 牽引供電控制操作機

系統的牽引供電、接觸網、顯示屏控制機采用研華610H 工業控制計算機，P4 218GB，硬盤80 GB，內存512 MB，DVD 光驅，19 寸液晶顯示器。牽引供電控制操作機由牽引供電遠動控制模塊、用戶管理模塊、密碼管理模塊、日志管理模塊、交接班管理模塊等組成。牽引供電遠動控制模塊提供用戶操作界面對牽引變電所、開閉所和接觸網進行通電及斷電控制。

1.5 下位機

下位機（輸入/輸出和驅動隔離設備)即下層控制器和I/O 擴展模塊，為自行開發研制的專用單片機，其負責系統信息的采集輸入和發送控制指令，包括第二輸入/輸出接口板和第二驅動隔離接口板，第二輸入/輸出接口板用于完成輸出控制和輸入采集工作；第二驅動隔離接口板用于完成隔離開關及斷路器模擬控制、供電顯示屏的控制，開關量狀態的表示采集。

牽引供電控制操作機將控制流下發給第二輸入/輸出接口板，由其將控制流下發給第二驅動隔離接口板，通過它將控制流下發給供電顯示屏、牽引變電所和開閉所，由牽引變電所和開閉所控制接觸網供電；第二驅動隔離接口板接收供電顯示屏、牽引變電所和開閉所的返回信號流，將返回信號流發送到第二輸入/輸出接口板，其將返回信號流發送到牽引供電控制操作機。

圖1 中3 個燈控板和繼電器板用來模擬牽引變電所和開閉所內部和接觸網上使用的隔離開關和斷路器。牽引供電控制操作機通過單片機串口對位機進行控制。下位機與3 個燈控板相連接。由此進行輸入輸出擴展。3 個燈控板中一個與繼電器板相連，實現牽引供電控制操作機對繼電器的控制。燈控板和繼電器板完成模擬接觸網，牽引變電所、分區所及開閉所通電和斷電。

圖1 牽引供電控制結構圖

牽引供電控制操作機控制信號經MAX232 驅動器進入位機，下位機將處理后的控制信息與地址信息分時輸出。地址信息經74LS573 鎖存輸出并由74L245 驅動后送往各燈控制板，而控制信號由下位機發出后直接經74L245 驅動送各燈控制板。

（1）燈控板。由第二下位機傳送來的地址信息如果與燈控板編碼相符，則該板被選通。控制信息經74LS245 與2003 驅動送至各74LS138 三頭插針，以便控制各燈的開關。事實上，具體控制哪個燈是要選擇的，選擇信息是由第二下位機發送的地址信息經燈控制板上74LS138 譯碼后得到。該信息可以控制使各插針有效或無效。

（2）繼電器板。若接觸網通電，則由繼電器開關控制的相應供電顯示屏光帶須同時點亮。

2 軟件組成

牽引供電遠動監控軟件運行在中文Windows NT Workstation 4.0 環境下，通過實時控制，使操作員用鍵盤和鼠標進行各種Windows 標準操作，實現控制各牽引變電所、開閉所的斷路器分合、故障報警顯示、有限制地訪問數據庫等功能。

采用Visual Basic6.0 可視化編程語言進行設計。通過該語言設計了包括2 個變電所、2 個分區亭、1 個開閉所的環形電氣化鐵道的遠動監控系統，系統的主要功能是通過計算機模擬實現電氣化鐵道供電系統的自動化監控，并且具有實時數據、歷史數據的處理能力和簡單數據的通信能力。系統設計中所用到的畫面生成技術全部使用Flash6.0 進行設計。該系統的輔助功能是：進入該系統必須先進行注冊才能進行操作。

進入系統后，每一次操作都有記錄，并且存放在一個特定的數據庫中，可供瀏覽。每一次操作也可通過實時記錄顯示在操作屏幕的上方。系統的主要操作包括對變電所、分區亭、開閉所中隔離開關以及斷路器的操作，通過對隔離開關和斷路器的操作實現對區間接觸網的供電。該系統的結構如圖2所示。

圖2 電力遠動監控系統結構圖

3 牽引供電系統主電路

電氣化鐵道供電系統總電路包括2 個變電所（變電所1、2）、2 個分區亭（分區亭1、2）、1個開閉所。其中變電所1 采用的是雙母線、內橋接線方式，2 臺變壓器并列運行；變電所2 采用的是單母線分段、內橋接線方式，2 臺變壓器并列運行；在兩變電所之間分別設置2 個分區亭。變電所2 連接1 個開閉所。

在主界面中顯示沙盤的電網運行情況，線路為黃色表示當前線路是A 相帶電運行，線路為綠色表示當前線路是B 相帶電運行，線路為黑色表示當前線路沒有電；在主界面中還有“牽引變電所1”、“牽引變電所2”、“分區所1”、“分區所2”、“開閉所”5 個圖標，當鼠標移動到這些圖標上，鼠標變成小手形狀，單擊這些圖標即可進入相應的控制界面。牽引變電所操作規則：通電順序的總體方向必須由上至下，斷電順序的總體方向必須是由下至上。

2 個電源是備份關系，同時只能由其中之一為系統供電；2 臺牽引變壓器也是備份關系同時只能由其中之一為系統工作。

4 結束語

采用工控機和單片機相結合的技術，成功模擬了鐵路電氣化供電及遠動控制，并以壁掛式大屏幕準確顯示電氣化供電實時模擬沙盤。

集牽引變電自動化、供變電保護和遠程控制于一體的牽引供電系統，具有很高的應用價值和發展前景，尤其是遠程送變電控制技術將在未來的高速鐵路、客運專線中普遍采用。

牽引供電培訓模擬系統的顯示界面和操作方法與現實設備一致，該平臺也可以很好地將鐵路牽引供電和遠動控制按現場實際模擬出來，可以對電氣化技術、施工人員進行系統培訓和模擬演練，能為牽引供電、接觸網人員提供較為詳細的牽引供電操作知識，從而提高公司的整體實力和技術水平，對于企業發展具有持續的推動作用。