高速鐵路客車上水系統分析與設計

黎 敏 上海鐵路局合肥給水公司

1 項目背景

隨著旅客列車運行速度達到300 km/h以上，鐵路給水自動化、系統化及信息化發展的戰略要求日益凸顯，而陳舊的客車上水作業及管理模式己嚴重阻礙鐵路客運事業的發展。為了提升列車上水自動化作業水平，提高上水作業勞動效率，保證上水質量安全可靠，現以某火車站為原型，研究客車上水的系統模型，并通過對高速客車上水分析、設計，最終實現高速鐵路列車上水系統控制自動化。

2 系統方案設計

2.1 系統結構設計

圖1 系統結構設計圖

系統結構如圖1所示，包括上水管路系統、上水設備系統、多通道遙控器、股道管理機。根據客車上水的功能需求、應用環境及要求，采用PLC(可編程控制器)作為實時采集和控制模塊，帶觸摸屏功能的平板電腦作為與用戶交互的上位機，再加上無線通訊模塊，列車到發廣播系統，共同組成一個多方位信息采集、綜合、智能決策的系統平臺，從而實現設計目標。

2.1.1 上水管路系統方案設計

包括上水管路（DN25）、進水電磁閥和手動開關，具有給客車水箱上水的功能。進水電磁閥由PLC程控控制，也可由操作人員通過遙控器控制。手動開關在停電時使用。

2.1.2 上水設備系統方案設計

（ 1）上水軟管

上水軟管DN25，管長15 m，為雙層結構，采用白皺片天然膠作為軟管及接頭的內襯材料。膠管骨架材料選用高強力材料。具有耐老化、重量輕、軟管柔軟、彎曲半徑小、耐磨、抗拉、使用壽命大于普通輸水軟管，可達1年半以上等優點；軟管可以配裝快速接頭，方便安裝操作。

（ 2）快速接頭

上水接頭具備自動脫落功能，連接及脫落方便快速，不漏水。按動遙控器開始上水時，快速上水接頭能夠與列車上水注入口緊密鎖緊?？焖俳宇^安裝在上水軟管的端部，起到了客車注水口連接的作用，適應目前國內動車和注水口為A/B型等的客車，連接快速方便、易取下、不漏水，上水時連接牢靠，當客車突然啟動或出現其它非正常工況時，快速接頭能脫落，避免事故發生。

（ 3）卷管器

卷管器由卷筒、低速電機、定向導輪裝置和定位裝置組成。膠管卷繞在卷筒上，卷筒采用橫軸形式，可多方向出管，拉出軟管較省力。卷筒的筒緣高度和兩筒緣間距尺寸可以滿足上水軟管纏繞的要求，保證軟管全部回收。

（ 4）排空裝置

機械式排空閥和上水電磁閥聯動，上水結束后，機械式排空閥啟動，排出上水膠管內余水，流進下水管道。這樣既防止下次列車所上水的污染，保證了水的衛生，同時也防止了冬季上水管的凍損。

2.1.3 多通道遙控器方案設計

系統配置了多通道遙控器，通過遙控器對相應的設備進行操作。遙控器發射無線電波，控制上水開始及停止或中途中斷上水、控制軟管回收開始及停止和控制排空余水。每臺遙控器控制所有設備，遙控距離大于150 m，可在較大范圍內安全操作設備，減少工人勞動強度，提高工作效率。

控制單元由控制箱、文本顯示器和遙控器組成。采用PLC程序控制器，人機界面，文本顯示操控，集成化高，操作方便。系統設計和配置能保證系統運行的整體性和穩定性?？刂葡渲饕煽諝鈹嗦菲鳌⒗^電器、開關電源、PLC等組成，均采用通用的，可靠性較高的電器元件。

文本顯示器上設有緊急停機按鈕，停止誤操作；當出現故障時，控制面板上的文本顯示器將顯示故障點。正常工況下，文本顯示器將顯示各工作狀態。

無線遙控上水控制系統實現了定時上水。時間到時自動關閉水閥、自動排余水、快速管接頭與列車注水口自動分離。

2.1.4 股道管理機方案設計

鐵路客車自動上水運行監控系統股道管理機結構如圖2所示，包括數據采集存儲模塊和通訊模塊，主要實現以下功能：

(1)實時采集各上水機的工作狀態，并上傳至控制中心終端。

(2)實時采集上水機和股道計量的信息，上傳至控制中心終端，若通訊中斷，則有存儲信息功能。

(3)接收控制中心終端的命令，開閉股道上水電動閥。

(4)接收控制中心終端的“急停”命令，下傳至上水控制機，執行整條股道的停止上水、脫管、收管程序。

(5)接收遙控器的“急?！泵?，下傳至上水控制機，執行整條股道的停止上水、脫管、收管程序。

圖2 股道管理機結構框圖

3 監控軟件設計

監控軟件結構主要有四個部分：上位機管理軟件、股道管理機控制軟件、無線遙控數據收發軟件、列車到發信息發送軟件。其中上位機管理軟件是通過CAN（控制器局域網）總線與股道管理機連接，通過RS485與位于廣播室的列車到發信息發送軟件通信。無線遙控數據收發軟件運行于上位機，通過進程間通信與管理軟件交流數據。整個軟件體系結構如圖3所示。

圖3 控制系統體系結構

3.1 軟件開發平臺

股道管理機采用嵌入式控制模塊，該模塊采用軍品的設計方案，能在惡劣的環境下穩定工作，工作溫度為-20~70℃。控制軟件的實現采用C語言，能方便實現數據采集和自動控制的功能。該程序可多次改寫，靈活性好，可靠性高，開放性強。在系統進一步發展或需求有變化時，可進行軟件的擴展、更新。

上位機軟件運行在Windows平臺上，用Delphi開發實現，軟件的界面友好，操作方便，信息顯示直觀明了，可以通過屏幕畫面觀察車站所用檢測點的實時狀態。它同時提供了數據實時記錄、綜合信息判斷、聯網通信等功能。

3.2 軟件設計

(1)上位機管理軟件

上位機管理軟件結構如圖4所示。其實現的功能包括接收股道管理機的采集信息，在用戶界面上顯示控制系統狀態；接收用戶無線遙控信息或手工輸入，通過向股道管理機發送命令。接收廣播到發信息和攝像識別信息，分析判斷列車出入站信息，如果列車到站，自動開大閥，如果列車出站，關大閥；以及事先設定的操作流程，實現自動開閥；通過對從股道管理機獲取的各種信息的綜合分析，判斷系統中是否存在漏水等故障；對上水工作人員的交接班、操作進行記錄，規范管理；對每列車的上水量，每道的上水量進行記錄統計，從而生成詳細的日、月、季、年報；將現場信息轉發給調度系統的管理機。

圖4 上位機管理軟件結構圖

（2）股道管理機控制軟件

股道管理機控制軟件主要是控制每個股道信息，采集每個股道的電流電壓信息，同時監測各股道的壓力流量信息，控制股道大小閥的開關，通過與監控中心通信，將壓力、流量、電流、電壓，閥的狀態信息上傳給監控中心，同時接收監控中心的指令，實現開閥、關閥等操作。邏輯控制圖如圖5所示。

圖5 股道管理機控制軟件邏輯控制框圖

(3)遙控數據收發模塊

遙控數據收發模塊通過從天線獲取用戶發送的命令編碼，然后轉換成標準的命令串發送給監控中心，其結構如圖6所示。

圖6 無線遙控數據收發軟件結構圖

(4)列車到發信息發送軟件

列車到發信息發送軟件主要是獲取列車什么時間到站和什么時間離站，從而能夠準確地開關大閥，它從數據庫服務器上的列車時刻表上查詢當時各個軌道的列車到發記錄，然后通過RS485發送給監控中心管理軟件。

4 結束語

隨著中國高速鐵路、客運專線的興建，該套系統在多個火車站應用，節約了用水，提高了工作效率及管理水平，在取得一定經濟效益的同時，對環境及社會也產生了很大效益。相關的技術研究有助于為新建客運專線、高速鐵路及動車段(所)建設以及既有鐵路客車上水系統改造設計提供參考。