自動過分相控制系統設計與實現

劉曉梅, 王 朔, 魏立峰, 陳俊生

(1.沈陽化工大學 信息工程學院, 遼寧 沈陽 110142; 2.沈陽鐵路信號廠, 遼寧 沈陽 110025)

自動過分相控制系統是針對微機控制電力機車而研制的自動過分相控制產品[1].其主要功能是當電力機車通過分相區時,系統根據當時機車速度、位置自動平滑降牽引電流、斷輔助機組和分斷主斷路器;通過分相區后,自動閉合主斷路器、閉合輔助機組和控制牽引電流平滑上升,從而實現電力機車通過分相區時的自動化操作,大大減輕司機的工作強度.

目前,世界上研究并使用的自動過分相控制系統大體有二種方式:第一種是地面開關自動切換方式[2],該方案存在過分相后合閘時電流沖擊較大、運行維護費用較高等缺點;第二種是柱上開關自動斷電方式[3],該方案的優點是比地面切換方式簡單,供電死區比現有的分相區短,無須司機操作,機車上的主斷路器不需分斷,但該方案存在真空負荷開關帶負荷分斷,過分相后機車電流有很大的沖擊等缺點,這種方式不適應我國的電壓制式.

本文研發的自動過分相控制系統不僅實現了電力機車的自動過分相,而且相比其他的自動過分相控制系統成本低,只需將過分相主機安裝在控制臺,將車感器安裝在機車上,將地感器安裝在分相區的軌枕處即可.該系統可以對鐵路機車分相系統中主要部件和系統進行性能分析和設計,通過采集實驗過程數據,驗證系統穩定性與可靠性,為鐵路機車的自動過分相的經濟化、量產化提供了有力的技術支持.

1 系統原理與結構

系統總體結構如圖1所示.系統是以在分相區前后分別埋設地感器作為對分相區的定位,以安裝在機車下面的車感器接收地面定位信息來判斷機車所在的位置[4].當自動過分相車載系統主機識別到預告信息時,系統主機向機車微機柜發送預告信號,機車隨即卸載、分主斷;當系統主機識別到強迫信息時,系統主機向機車微機柜發送強迫信號,機車立即分斷主斷;當機車惰行通過分相區后識別到恢復信息時,系統主機向機車微機柜發送恢復信號,機車立即合主斷.自動過分相控制系統主機為機車控制系統提供了一個裝置狀態信號.當該信號為110 V高電壓時,表示裝置工作正常;當該信號為0 V時,表示裝置故障,此時系統主機自動退出,可進行手動過分相.對于管理屏無法顯示自動過分相過程的機車,系統主機可提供一個蜂鳴器提示信息和一個自動過分相控制系統正常與否的指示信息.為提高系統的安全性和可靠性,地感器和車感器均采用冗余備份方式.

圖1 系統總體設計框圖

2 系統特點

與同類的自動過分相系統相比,該系統有以下特點:

(1) 車感器信號為雙路輸入,可避免因單路輸入故障而使信號識別失效;

(2) 由于電氣化的線路軌道回流引起的電磁干擾大,對車載感應器的信號回路加強了抗干擾設計,因此,使用2.4 V的門限來限制牽引回流感應電壓以及其他干擾;

(3) 系統具有自檢和故障診斷功能,極大地提高了裝置運行的可靠性;

(4) 系統硬件集成度高,將濾波器、保護電路等都集成到一個電路板上;

(5) 硬件安裝容易,造價低,改造方便,利于推廣.

3 系統硬件設計

如圖2所示,電力機車自動過分相功能由自動過分相信號輸入部分和自動過分相控制輸出部分共同實現,主機采用西門子S7-200 PLC[5].定位信息通過地感器與車感器的協調工作,通過整流器與比較器將信號傳給可編程控制器,可編程控制器通過既定好的程序識別定位信息,發出預告,發恢復以及強迫信號給分相器與記錄板.而且工作狀態也通過濾波器將信號顯示在控制面板上.

圖2 硬件連接電路

機車通過地面感應定位信號確定機車與分相點的相對位置,地面定位和機車感應信號分別采用斜對稱埋設和備份方式接收,以保證自動過分相的安全和可靠[6].預先根據要求在每個分相區前后分別埋設兩個地感器.分相區前方放置2個地感器,一個在軌道右邊為G1,一個在軌道左邊為G2;分相區后面也放置2個地感器,一個在軌道右邊為G3,一個在軌道左邊為G4,具體如圖3所示.

圖3 地感器位置示意

4 系統軟件設計

系統軟件由PLC控制軟件和記錄器分析處理軟件組成,軟件均采用結構化和模塊化設計.

系統軟件程序主要是采用PLC專用的梯形圖進行編寫,采用模塊化結構設計.程序通過地感器的定位來判斷接收到何種信號，根據此信號來自動分主斷與合主斷.系統開機后即運行主程序,其主要功能包括:完成開機后系統的初始化操作,調用報警程序,以及調用系統的各功能模塊.系統流程如圖4所示.

圖4 系統流程

初始化程序包括調用自檢程序、功能程序預處理、輸入點清零、標志位清零、數據寄存器清零等.初始化之后程序自檢,檢查光耦、感應器是否異常,異常會報警.繼續工作狀態輸出,檢查感應器的短路與斷線情況,如果有問題,那么啟動延時器,輸出報警信號,反之程序繼續工作.定位程序為先辨別是向前輸入還是向后輸入,之后通過4個地感器對車感器的每個雙路輸入信號來判斷位置信息.

流程圖中“車感器恢復信號識別”為高電壓,則取G4地感器信號,機車 “反方向”運行時,G4為預告,G3為強迫,G2為近點恢復,G1為遠點恢復.

5 實驗模擬數據

在單軌回流1 000 A、車感器標準位置時,車感器記錄的牽引回流感應電壓的圖形見圖5.

圖5 鋼軌回流感應電壓

車感器下表面距地感器上表面150 mm、機車速度10 km/h時,車感器對地感器的感應電壓見圖6.其中,線條a為感應電壓變化曲線,線條b表示磁鏈變化曲線.

圖6 機車速度10 km/h車感器感應電壓

車感器下表面距地感器上表面150 mm、機車速度250 km/h時,車感器對地感器的感應電壓見圖7.其中,線條a表示感應電壓的變化情況曲線,線條b表示磁鏈的變化情況曲線.

圖7 機車速度250 km/h車感器感應電壓

由圖5可知牽引回流干擾電壓峰值約400 mV,而由圖6、圖7可知機車速度在10 km/h和250 km/h時,車感器對地感器感應電壓峰值分別為13 V和350 V.主機采用2.4 V的接收門限,限制牽引回流感應電壓,既排除了干擾又使有用信號可靠接收.

6 應用情況

在株洲電力機車有限公司HXD10178號電力機車上安裝自動過分相控制系統,在大秦線承運2萬噸貨物,在經歷32個分相區過程中,自動過分相控制系統控制準確、穩定、可靠,無任何誤動、錯動現象,司機反映很好.實踐證明:該裝置分相效果好,并且安全可靠,安裝維護也比較方便,完全可以滿足目前電力機車的自動過分相要求.