受電弓控制電路故障檢修實訓平臺設計*

張俊達

（安徽機電職業技術學院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

受電弓系統是城軌車輛連接牽引供電回路中的關鍵系統之一[1-2]，高職院校城市軌道交通相關專業的學生需具備受電弓相關的專業理論知識和實踐操作技能[3]。車輛檢修中繼電器柜受電弓控制電路的故障檢修考驗學生的理論和實踐水平，能夠快速處理設備故障對于相關專業學生參加軌道車輛技術職業技能競賽有很大的幫助，也對學生未來從事相關領域工作有一定的幫助。但目前只能購進精密的繼電器控制柜，也沒有合適的繼電器實訓設備[4]。因此，設計一套訓練軌道交通專業學生的繼電器控制電路故障設置與恢復實訓平臺，有助于提高學生的故障查找與檢修能力。

目前，軌道交通職業院校對受電弓控制電路故障檢修的能力訓練，通常學習時只停留在電路圖的識別、設備的參觀，難以進行實際的訓練。或者由指導教師手動設置斷路或斷路故障[5]。學生對故障點的檢測完成后，教師對電路的故障進行恢復又需要一定時間。

針對以上問題，課題組研究設計了一套受電弓控制電路故障檢修實訓平臺，采用上位機軟件控制下位機快捷方便地設置和恢復受電弓控制電路故障，用以有效提高學生使用萬用表等測量工具檢查受電弓控制電路系統故障的水平，而且能節約大量時間。

1 受電弓系統結構與動作原理

本受電弓系統由受電弓、氣泵、氣閥箱和受電弓控制電路組成，如圖1所示。電磁閥在氣閥箱中，當電磁閥得電時，氣泵中的壓縮空氣從電磁閥通過，受電弓氣囊充氣升起；當控制閥失電時，受電弓在重力作用下排出氣囊中的空氣，實現降弓[6]。所以可以通過升、降弓按鈕來控制受電弓控制電路通電或者斷電，從而實現受電弓的升與降[7]。

圖1 受電弓系統結構

根據受電弓實際控制電路邏輯與原理，設計實訓平臺受電弓控制電路，如圖2所示。

圖2 受電弓控制電路

1.1 升弓控制原理

閉合允許升弓旋鈕，允許升弓繼電器K1得電，常開觸點閉合。閉合受電弓控制微型斷路器，按下升弓按鈕S1，執行升弓指令，升弓繼電器K3得電，自閉電路使升弓繼電器K3得電保持。使升弓閥控制繼電器K4得電，控制升弓閥動作升弓[8]。

1.2 降弓原理

按下降弓按鈕S2，執行降弓指令。降弓繼電器得電，K2常閉觸點斷開，升弓閥繼電器K4失電，受電弓降弓。

2 平臺設計

受電弓故障檢修實訓平臺結構如圖3所示。系統由上位機軟件和下位機故障設置與恢復系統組成，下位機與上位機通過串口連接。通過上位機受電弓控制電路應用軟件下達故障設置與恢復的命令，傳輸到下位機系統，串口將指令交給微處理器模塊，控制故障設置與恢復繼電電路板上的對應微型繼電器動作，進而實現設置故障或清除故障。下位機采集受電弓控制電路狀態信息，通過串口上傳給上位機顯示指令狀態。受電弓控制電路繼電器選用中間繼電器，故以直流24 V供電。下位機系統采用5 V供電[9]。

圖3 受電弓故障檢修實訓平臺系統框圖

2.1 上位機軟件設計

上位機受電弓控制電路應用軟件主要分為三個模塊，其主要組成如下。

1）受電弓圖元：受電弓控制電路中的各種器件。用戶根據受電弓控制電路來仿真受電弓控制電路工作狀態，分為教師設置故障和學生恢復故障兩個界面。

2）編輯工具：用來對受電弓控制電路中繼電器接點、繼電器、導線、熔斷器等進行模塊化設置，便于組態。教師設置故障界面可以通過點擊編輯工具設置對應的故障，學生恢復故障界面可以通過點擊相應編輯工具改變對應故障設置與恢復繼電電路板上的相應微型控制繼電器的工作狀態。

3）元器件圖元屬性：根據電路圖中不同元器件來劃分不同的屬性。用顏色、虛實、特點等屬性的設置、修改、保存等來顯示對應故障設置與恢復繼電電路板上的相應微型控制繼電器的工作狀態[10]。

上位機軟件操作流程如圖4所示。

圖4 上位機軟件操作流程圖

2.2 下位機故障設置與恢復系統

系統由微處理器模塊、串口通信模塊、故障設置與恢復繼電電路模塊組成。本故障設置與恢復電路模塊主要負責受電弓控制電路的斷開或接通。

如圖5所示，實心黑點為設置故障點的位置，實心黑點兩端的線分別接在故障設置與恢復電路的繼電器接點兩端。

圖5 受電弓控制電路故障設置點

若需要在實心黑點位置設置故障，在軟件操作界面點擊設置，發送指令，串口將指令發給微控制器。微處理器控制電路板上的微型繼電器吸起，斷開常閉觸點，產生斷路故障；接通常閉觸點，產生短路故障。若需要恢復電路正常通路，上位機軟件點擊恢復，控制電路板上微型繼電器落下，則故障點消除，電路恢復正常。

微處理器模塊使用高性能、低功耗的STM32F103微處理器作為控制核心，通過串口RS485的通信方式與上位機連接[11]。接口程序的主要功能通過控件串行端口實現，串口接口設計流程圖如圖6所示。

圖6 串口接口設計流程圖

故障設置與恢復繼電電路模塊主要由NPN型三極管2N2222、微型繼電器TEXTELL和光耦PC847A組成。STM32微處理器的I/O口通過電阻R1與光耦U1連接，Q1為繼電器驅動三極管。

以設置單個斷路故障為例，如圖7所示，STM32微處理器I/O口輸出高電平，光耦U1導通，控制三極管Q1導通，繼電器吸起使受電弓的控制電路斷開，實現受電弓控制電路斷路故障的設置；當學生在電路上檢查出故障的位置和故障類型，在上位機軟件界面點擊對應故障位置和操作，STM32微處理器輸出低電平，三極管Q1截止，繼電器閉合，電路恢復。

圖7 故障設置與恢復電路

2.3 狀態采集電路

電路采集升弓按鈕指令001、降弓按鈕指令002以及升弓繼電器狀態003，如圖8所示。該電路由光耦連接微處理器和受電弓控制電路的測試點組成。當狀態電平輸出，驅動光耦動作，LED小燈亮，使得高電平輸入到微處理器對應引腳，實現指令和狀態的采集。

圖8 狀態采集電路

3 結語

受電弓控制電路故障檢修實訓平臺能根據需求設置受電弓控制電路的斷路與短路故障，學生檢測出故障后在上位機進行恢復，并能采集受電弓控制電路指令狀態，實訓平臺可以實現故障的設置與恢復。實訓平臺在模擬故障時，僅需要在上位機操作并用萬用表等工具測量就能完成實訓的訓練目的，在教學中能有效提高學生在繼電器電路維修中查找故障的水平以及恢復電路的速度。該實訓平臺可為軌道交通信號和控制等方向的課程提供實訓幫助，也可擴展到為城市軌道交通服務，幫助企業員工培訓等。