基于MCU的接觸網異物處理裝置的實現探析

顏偉，羅旭，劉玉寶，周小紅

（四川鐵道職業學院，四川 成都 611732）

接觸網是高（普）速鐵路、地鐵、城市軌道交通中的電力機車、動車、電客車等車輛供給電能的特殊供電線路。因環境制約，接觸網多為露天架設，“無防護罩、無備用”，受周圍環境影響較大，運行過程中極易受到侵限異物的干擾，嚴重時影響弓網運行質量，異物懸掛是導致弓網故障的因素之一。通過對接觸網異物懸掛的常見原因及事故案例分析，提出經濟實用性異物處置解決措施，如何提升效率及經濟實用性是一項具有重要價值和實用意義的研究課題。

1 接觸網懸掛異物的安全風險（圖1和圖2）

圖1 某供電段2021年接觸網異物統計圖及接觸網異物導致高鐵晚點新聞

1.1 懸掛異物易發生的地段、異物種類

露天架設接觸網的大型樞紐站場、區間、車輛段、停車場、居民居住較集中社區旁、人員活動密集地段、大型廠房建筑物旁的地段均是接觸網懸掛異物或異物侵入設備限界的多發地點。

懸掛異物類型主要有塑料袋、氣球、塑料袋、衣物、編織袋、孔明燈、風箏、地膜、織物、鳥窩、海報紙張、廣告橫幅等輕質物，還包括從列車車輛上、接觸網設備上方脫落、吹揚的其他異物，如車輛上脫落的繩索、帆布，接觸網上斷裂的吊弦、鐵絲、鋼絲繩等。

1.2 懸掛異物易發生時間、懸掛位置、危害程度、影響范圍

接觸網懸掛異物時間具有不確定性，可能發生在任何時間節點上。但根據氣候特征，春、夏兩季多風季節為異物入侵事故頻發節點，還有部分節假日也為接觸網異物事故頻繁發生的階段，如春節、清明節、端午節、中秋節等傳統節假日有燃放煙花爆竹、放飛氫氣球、點放孔明燈等習俗。接觸網異物多懸掛于支柱上部、接觸懸掛、承力索、接觸線、吊弦、腕臂、定位裝置、輔助線索等位置。

接觸網懸掛了異物或異物侵入接觸網設備限界會導致“弓網關系”嚴重惡化，會導致車輛取流質量變差，接觸網短路接地、變電所跳閘甚至直接中斷供電，還會發生碰弓、刮弓、脫弓、打火、拉弧、離線等弓網事故。輕則導致弓網一般故障、停車、列車晚點、延誤、甚至停運，重則造成嚴重行車事故人員傷亡、財產損失，影響整條線路列車安全運行，造成嚴重的社會影響。

2 接觸網異物的處置（圖3）

圖3 傳統異物處置、新型無人機處置、聚能激光發射器示意圖

2.1 傳統處置

發生接觸網異物侵入故障后，如果異物影響受電弓取流，電調會立即通知接觸網應急人員立即趕往故障現場進行處置搶修。傳統的接觸網異物清除方法主要有兩種：一是停電后人工上網摘除或異物棒摘除，需要調度命令，封鎖線路變電所倒閘停電；二是等間接帶電作業摘除（使用絕緣異物棒），也需封鎖行車線路。兩種方式都需要較大的人力物力，作業流程復雜、勞動強度大、效率低、用時長（1h以上），接觸網運行可靠性下降，搶修作業人員存在安全風險，影響行車時間較長。

2.2 無人機處置

目前，各維管單位解決清除接觸網上異物主要靠人工，效率低，費時長，且存在安全隱患的技術問題。無人機異物處置裝置包括無人機主體和異物清除裝置，以及飛行控制器、噴火控制器可地面進行互控，作業人員通過液晶操控面板控制器進行人機交互，給無人機下達指令以控制無人機飛行運動，異物清除裝置設噴火機構，噴火機構與異物清除控制器連接，異物清除控制器與地面控制器進行互控，實現遙控遠程控制噴油（汽油）和點火，作業員可在地面遙控點火異物清除，可有效避免作業員高空帶電作業，可有效消除作業員高空帶電作業形成的安全隱患，同時，異物清除效率高。利用無人機搭載噴火設備，對接觸網線路異物進行焚燒清除。該類方法的優點在于接觸網無須停電，處理速度較快；缺點是無人機價格較高、操作難度較大，易受電磁干擾，化纖品、織物等燃燒時可能殘留在接觸線上形成附著物變成接觸線硬點，造成受電弓運行到此部位發生離線燃弧，造成弓網故障。

2.3 聚能激光處置

作業人員在地面利用大功率激光發射器對接觸網上異物進行遠距激光照射，進行非接觸式的切割燒蝕，可以實現遠距離作業清除。該方法的優點是地面操作、不用停電、無明火，不會造成人員安全隱患。缺點是設備價格昂貴，大功率聚能激光設備較為笨重、搬運較困難、耗電量大、存在激光照射盲區、價格較昂貴等問題。經濟便宜、小巧便攜、低能耗、高功效聚能激光器的開發尚需迭代。

3 基于MCU的經濟實用型多功能接觸網異物處理器的設計

上述幾種接觸網異物處置方法各有優劣，目前，各基層接觸網工區在接觸網異物事故處理過程中多采用傳統處置方式，作業時間較長，影響行車時間也長，效率低，尤其是對異物與接觸網糾纏在一起的情況更難處理。為克服上述技術難題，關鍵點是在接觸網可實現不停電狀態下進行間接帶電作業，使用簡便、實用的工具對懸掛物、纏繞物進行快速處理。經濟實用型多功能接觸網異物處理器的構想特點是：在工區既有的異物棒的基礎上進行改造設計，使用簡便、快捷、經濟、便攜型的異物處理工具，減少異物處理的時間，較好地提升接觸網異物處置效率。

3.1 整體方案設計

在4節組裝式便攜輕便絕緣棒異物桿（耐壓25kV，4×2=8m長）的基礎上，在絕緣棒頭部設置多功能轉換頭，更換不同的多功能轉頭可實現“鉤、拉、割、挑”等異物處置，更換“遙控火焰噴射焚燒裝置”實現多種功能異物處理（圖4）。主其中火焰噴射焚燒裝置屬于設備亮點，該裝置采用丁烷氣瓶及噴火槍，配置遙控點火及可調節火焰大小控制裝置，MAC由單片機構成，配合遙控接收器編程控制電子高壓點火裝置，燃氣控制裝置遙控制舵機實時控制燃氣閥門開關并調節燃氣大小構成。異物機械裝置集成了丁烷氣瓶控制設備噴火嘴等零件設備，可較好地實現地面無線控制點火并調節火焰大小，操作異物桿進行焚燒處置。多功能異物處理器可實現帶電操作，視異物懸掛位置及類型可采用多種方法，接觸線以外的懸掛物可不停電采用“火焰噴射焚燒去除”的方式，處置流程簡便、安全、快速、經濟、設備攜帶方便，具有較好的經濟實用效果。

圖4 遙控火焰噴射焚燒裝置框架圖

3.2 電源充電接口及電子點火裝置電路

充電電路：電源采用220V市電進行充電，由4個IN4007二極管組成的橋式整流電路將交流電轉換為直流電，充電發光二極管LED3指示電路正在充電，R2電阻為限流電阻。B1為充電蓄電池。

照明電路：為方便夜間作業，發光二極管LED1照明燈，按下開關SW2后電路接通，照明燈亮起，100Ω電阻為限流電阻。電源指示電路：一個簡單的發光二極管LED2指示電路，按下開關后電路接通，指示燈亮起，100Ω電阻為限流電阻。

振蕩電路：這是由三極管Q1和變壓器繞組組成的單管自激振蕩電路，三極管的集電極電壓通過10k電阻和變壓器上面的反饋繞組形成正反饋。通電后，由于電感兩端的電流不能突變，三極管由截止狀態迅速進入飽和狀態，此時，集電極電壓下降又引起基極電流減小，三極管又從飽和狀態迅速進入截止狀態，整個過程周而復始，從而將直流電轉換為高頻交流電施加在變壓器初級繞組上。

升壓電路：圖中的變壓器是一個升壓變壓器，高頻交流電經過變壓器升壓后，又經過一個三倍壓整流電路進行升壓整流，倍壓電路的原理就是利用了二極管導引作用，將電壓分別儲存在各自的電容中，然后，將幾個電容串聯起來形成電壓的疊加，最后將得到的高壓直流電施加在點火槍頭上。

圖5 單片機控制原理圖

3.3 單片機系統組成

在整個閉環控制系統中，MCU單片機系統是最核心的控制裝置，其由51單片機、電源、時鐘電路及復位電路等組成。選用AT89c51微控制器芯片，并將晶振電路接其入XTALl、2端口，將復位電路接入RST端口，在P2口處安裝上然氣控制舵機后與點火裝置，再加上射頻無線按鍵電路、12倍壓點火電路和數據采集電路等外圍線路，組成單片機系統，點火電路如圖6所示。

圖6 電子點火電路圖

3.4 單片機控制程序設計

針對異物處理器控制精度低的問題，所設計的控制程序需要結合上位機給定參數和實際測量數據進行考慮。對舵機的控制可進一步歸納為對液化天然氣的控制．考慮到然氣閥的實際轉動角度和舵機給定角度之間存在一定誤差，控制器除了編寫舵機關節的動作指令，還要根據然氣點火成功反饋的運動數據執行中斷、比較和誤差補償等程序，進而完成點火設定的動作。異物處理器通電后，系統進行初始化，在未接受到射頻遙控的指令或鍵盤操作指令前，舵機會自動到關閉位置，持續等待射頻遙控發送控制指令。當指令信號通過射頻發送到控制器時．舵機開始運動，固定在絕緣桿上的然氣罐閥門會實時打開，然氣氣量大小反饋到控制器，當反饋角度達到目標值時，控制器執行中斷指令，驅動點火裝置，由于舵機的慣性大，制動后得到的實際角度和給定角度之間存在一定偏差。如果這個差值在預設范圍內，那么，控制就完成了，否則，就會由控制器根據所得差值調整控制量，驅動偏差關節向著指定目標運動，直至達到偏差允許范圍內點火出氣。異物處理器程序流程如圖7所示。

圖7 異物處理器程序流程圖

（1）舵機控制程序。在整個驅動過程中，傳感器實時監測舵機的動態情況是控制系統實現PWM控制的關鍵。控制器通過外部中斷來統計舵機的PWM，中斷觸發時根據信號線的PWM_Value來判斷舵機的旋轉方向。PWM為500時，舵機旋轉直關閉位：PWM為2500時，舵機旋轉至最大打開位。舵機PWM_Value并判定旋轉方向的程序環節如圖8所示。

圖8

（2）按鍵控制程序。除了機械控制點火，該設計還在單片機系統里添加了鍵盤操作和無線控制功能。在單片機的P3.4 I／0端口上接入獨立鍵盤按鍵，標注為sl，并采用315MHZ射頻遙控方式進行遠程打火，由s1控制舵機程序的執行，當S1被一直按下，舵機進入中斷程序，舵機開始從0°旋轉至180°，期間12倍壓點火裝置，進行不間斷點火，在2s內連續進行數30余次的點火，直至點火成功。在任何情況下，只要S1開關被斷開，舵機立刻開始從180°旋轉至0°，熄滅天然氣火苗。其中按鍵及初始設置及部分按鍵操作程序環節如圖9所示。

圖9

4 結語

經濟實用型多功能快速處置異物的新型裝置，能實現便捷、經濟、安全、不停電短時間處置入侵懸掛物。 本文就基于MCU的接觸網異物處理裝置實現其功能的方案進行了探索，裝置通過便攜式輕便絕緣異物桿端部可更換式底座，既可搭載鉤、拉、割、挑的異物處置頭，也可針對懸掛在接觸網上的可燃性異物在便攜式絕緣異物桿頭部搭載遙控火焰噴射焚燒裝置，接近到接觸網懸掛異物附近，作業人員對處理器進行距離調整后，地面進行點火指令發送，遙控噴火焚燒裝置進行遙控點火及火焰大小可調式的噴火焚燒裝置。在實際的操作過程中，可間接帶電操作，節省停電倒閘時間，減少人力的投入，改裝工區既有的異物處理工具設備，能做到減小經濟投入、方便快捷，降低安全操作風險，提升效率。