受電弓控制管路風(fēng)壓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)的研究

李光耀，錢家強

（呼和浩特鐵路局 科研所，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

電力機車受電弓是電力機車從接觸網(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車使用。由于接觸網(wǎng)自身特點：沿鐵路露天布置，線長點多，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行。如何及時了解弓網(wǎng)故障，分析故障原因，實時監(jiān)測弓網(wǎng)狀態(tài)，保障運輸安全是電氣化鐵路運行要討論的課題。

由呼和浩特鐵路局科研所研制的電力機車受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)，主要是防止受電弓升弓控制管路風(fēng)壓不足造成機車的燒網(wǎng)故障以及故障發(fā)生后及時分析，得出處理結(jié)果，通過不斷從運行實踐中積累的經(jīng)驗、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)實時監(jiān)測主機、受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測子機、受電弓風(fēng)壓采集、通信模塊及參數(shù)設(shè)定模塊組成。因為每臺機車、每個壓力傳感器的性能不完全相同，為了達(dá)到精確監(jiān)控，要對每臺機車和其對應(yīng)的傳感器進(jìn)行配套試驗，將試驗測得的實際參數(shù)通過上位機（筆記本電腦）載入主機；運行中主機時刻對采集到的壓力信息進(jìn)行處理、判斷、存儲，對于SS3型電力機車（SS3型電力機車A、B司機室共用一套風(fēng)壓管路），主機同時還負(fù)責(zé)通過RS-485總線將必要數(shù)據(jù)傳遞給從機，保證主、從機顯示、報警保持一致。

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

SS3型電力機車的A、B司機室共用一個風(fēng)缸系統(tǒng)，因此針對該電力機車受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警需要一套系統(tǒng)即可，一端的司機室（如A司機室）為主機端，另一端（如B司機室）只需要一個受電弓狀態(tài)信息顯示的從機即可，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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

圖2 SS3型電力機車整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)主要由受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測主機、受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測從機、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)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)主機的設(shè)計

受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)主機是本系統(tǒng)研制重點和難點之一。

2.1.1 主機設(shè)計方案

由上述系統(tǒng)對主機的要求可知，主機應(yīng)由控制部分、通信、時鐘及存儲、電源部分組成。其整體框圖如圖3所示。

圖3 主機整體結(jié)構(gòu)框圖

（1）控制部分

主機的控制部分選用單片機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；實時檢測“報警緩解”按鈕動作，當(dāng)檢測到“報警緩解”按鈕動作，則解除聲音警報，在故障沒有解決前，指示燈報警一直正常指示，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；此部分同時對整個系統(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)計在SS3型電力機車A、B司機室的主、從機之間采用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，也是利用此通信接口與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所不同的是在計算機的RS-232端口處借助了一個RS-232轉(zhuǎn)RS-485模塊。

（3）時鐘及存儲

設(shè)計時鐘選用DS1302芯片，其精準(zhǔn)度完全滿足設(shè)計要求，同時它自帶32字節(jié)數(shù)據(jù)存儲區(qū)，用來作為風(fēng)壓報警警戒值等必要參數(shù)的備份儲區(qū)，避免了TF卡出現(xiàn)錯誤引起系統(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（計算機）對其參數(shù)進(jìn)行一次設(shè)置，隨后均以此為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，每隔一秒鐘對其主要數(shù)據(jù)進(jìn)行一次存儲，此外對于引起報警的數(shù)據(jù)即時進(jìn)行保存，這些數(shù)據(jù)為故障發(fā)生后的及時分析、處理提供了重要依據(jù)，同時也為今后進(jìn)一步研究弓網(wǎng)關(guān)系提供了第一手?jǐn)?shù)據(jù)。存儲介質(zhì)采用的是1GTF卡，以系統(tǒng)連續(xù)運行來計算，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；對于系統(tǒng)正常運行的必要參數(shù)，采用雙備份原則。

（4）電源部分

本設(shè)計的電源取自機車的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）主機程序流程圖

如圖4所示。

圖4 主機程序流程圖

2.2 受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)從機的設(shè)計

受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)從機在系統(tǒng)中的地位決定了它具有以下功能：正確接收主機傳遞過來的信息，對接收信息進(jìn)行處理和向主機發(fā)送相應(yīng)信息。這些功能的實現(xiàn)方案與主機相應(yīng)功能的實現(xiàn)基本相同。在與主機的通信中，采用時分復(fù)用方式，保證了信息正確、可靠地傳輸；在此設(shè)計中，無論是在A司機室，還是在B司機室都能對兩個室內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行操作控制；若是30s以上從機沒有接收到主機的任何信息，它將報警提示通信錯誤。

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；每個系統(tǒng)需要兩個壓力傳感器，分別安裝在總風(fēng)缸管路和輔助風(fēng)缸管路上，實時對管路上壓力進(jìn)行測量，以電流形式傳遞給主機的AD采集通道，經(jīng)過電流—電壓、AD轉(zhuǎn)換及處理、計算，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)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊設(shè)計

圖5 受電弓控制管路風(fēng)壓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊界面

受電弓狀態(tài)實時監(jiān)測報警系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定模塊是利用VB6.0編制的友好人機交互界面，如圖5所示。利用MSComm控件實現(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，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。

在設(shè)備剛上電時，等待30s，這期間可以對時間、車型車號、設(shè)備類型、主風(fēng)缸和受電弓參數(shù)及SD卡存儲地址進(jìn)行設(shè)置。工作人員只需輸入對應(yīng)參數(shù)，然后點擊相應(yīng)按鈕即可完成設(shè)置。同時在“接收區(qū)”能夠?qū)?shù)設(shè)置情況及設(shè)備運行情況進(jìn)行一個實時檢測。

3 系統(tǒng)主要特點

系統(tǒng)具備的主要特點如下：

（1）系統(tǒng)自成體系，與機車上既有設(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)操作十分簡單快捷，符合現(xiàn)場作業(yè)人員習(xí)慣，顯示直觀醒目。

（4）系統(tǒng)的主要部分如主機、子機等廣泛采用了新型單片機技術(shù)、RS-485有線通信技術(shù)、多重抗干擾技術(shù)等，設(shè)計新穎，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，都絕對不會影響到機車正常運行和原有設(shè)備的正常使用。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)在研制的同時，多次進(jìn)行了室內(nèi)的模擬試驗及聯(lián)機試驗，并有針對性的反復(fù)進(jìn)行了室外或現(xiàn)場的通信試驗。結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全能夠達(dá)到設(shè)計要求，并能夠滿足現(xiàn)場的應(yīng)用環(huán)境。第一臺樣機已于2011-05在包頭西機務(wù)段試驗，自試驗以來運行良好，能夠?qū)κ茈姽刂乒苈凤L(fēng)壓狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)測，收到了很好的效果。