受電弓控制管路風壓狀態實時監測報警系統的研究

李光耀，錢家強

（呼和浩特鐵路局 科研所，內蒙古呼和浩特010051）

電力機車受電弓是電力機車從接觸網上受取電流的裝置，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。由于接觸網自身特點：沿鐵路露天布置，線長點多，工作環境惡劣，極易發生弓網故障造成停電，中斷行車；同時由于受電弓升弓控制管路風壓不足造成受電弓碳滑板與接觸網虛接，產生火花導致接觸網燒損或損壞機車設備的事故，因此受電弓狀態的好壞直接影響到列車的安全運行。如何及時了解弓網故障，分析故障原因，實時監測弓網狀態，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實時監測報警系統，主要是防止受電弓升弓控制管路風壓不足造成機車的燒網故障以及故障發生后及時分析，得出處理結果，通過不斷從運行實踐中積累的經驗、數據，在理論分析弓網配合關系的基礎上，為改善和提高弓網穩定運行條件和方法提供依據。

1 系統組成及原理

系統主要由受電弓狀態實時監測主機、受電弓狀態實時監測子機、受電弓風壓采集、通信模塊及參數設定模塊組成。因為每臺機車、每個壓力傳感器的性能不完全相同，為了達到精確監控，要對每臺機車和其對應的傳感器進行配套試驗，將試驗測得的實際參數通過上位機（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司機室共用一套風壓管路），主機同時還負責通過RS-485總線將必要數據傳遞給從機，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缸系統，每個司機室的系統結構框圖如圖1所示。

SS3型電力機車的A、B司機室共用一個風缸系統，因此針對該電力機車受電弓狀態實時監測報警需要一套系統即可，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信息顯示的從機即可，它的結構框圖如圖2所示。

圖1 SS3型電力機車每個司機室的系統結構框圖

圖2 SS3型電力機車整體系統結構框圖

2 系統的設計與實現

本系統主要由受電弓狀態實時監測主機、受電弓狀態實時監測從機、受電弓風壓采集、參數設定模塊組成。

2.1 受電弓狀態實時監測報警系統主機的設計

受電弓狀態實時監測報警系統主機是本系統研制重點和難點之一。

2.1.1 主機設計方案

由上述系統對主機的要求可知，主機應由控制部分、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 主機整體結構框圖

（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，它性能穩定，技術比較成熟，在功能上也正好滿足此設計要求。它自帶8路200kb／s的10位逐次逼近型AD轉換，能夠精確地采集控制管路上的壓力，本設計利用其自帶的A／D轉換功能，將采集到的數據利用加權求平均值方法進行處理、計算，然后與基準值進行比較做出判斷，進而執行輸出控制；實時檢測“報警緩解”按鈕動作，當檢測到“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員注意）造成噪聲污染；此部分同時對整個系統的通信和數據存取進行控制與響應。

（2）通信部分

設計在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技術和自定通信協議保證了通信穩定、可靠。在參數設置時，也是利用此通信接口與計算機進行數據交換，所不同的是在計算機的RS-232端口處借助了一個RS-232轉RS-485模塊。

（3）時鐘及存儲

設計時鐘選用DS1302芯片，其精準度完全滿足設計要求，同時它自帶32字節數據存儲區，用來作為風壓報警警戒值等必要參數的備份儲區，避免了TF卡出現錯誤引起系統工作異常。其電路原理圖如圖4所示。本系統只需使用前通過上位機（計算機）對其參數進行一次設置，隨后均以此為標準進行判斷，每隔一秒鐘對其主要數據進行一次存儲，此外對于引起報警的數據即時進行保存，這些數據為故障發生后的及時分析、處理提供了重要依據，同時也為今后進一步研究弓網關系提供了第一手數據。存儲介質采用的是1GTF卡，以系統連續運行來計算，大概能保存一年的數據，一旦數據溢出，采取先進先出的原則；對于系統正常運行的必要參數，采用雙備份原則。

（4）電源部分

本設計的電源取自機車的110V電源，通過電壓轉換模塊為24V，它分為兩路，一路給傳感器供電，另一路經自設計電路，分別轉為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 受電弓狀態實時監測報警系統從機的設計

受電弓狀態實時監測報警系統從機在系統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，對接收信息進行處理和向主機發送相應信息。這些功能的實現方案與主機相應功能的實現基本相同。在與主機的通信中，采用時分復用方式，保證了信息正確、可靠地傳輸；在此設計中，無論是在A司機室，還是在B司機室都能對兩個室內的設備進行操作控制；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

系統所需壓力傳感器的技術指標是電源為DC24 V；精度為0.5%；量程為0～1.0；輸出為4～20mA；每個系統需要兩個壓力傳感器，分別安裝在總風缸管路和輔助風缸管路上，實時對管路上壓力進行測量，以電流形式傳遞給主機的AD采集通道，經過電流—電壓、AD轉換及處理、計算，然后與基準值進行比較做出判斷，進而執行輸出控制。

2.4 受電弓狀態實時監測報警系統參數設定模塊設計

圖5 受電弓控制管路風壓狀態實時監測報警系統參數設定模塊界面

受電弓狀態實時監測報警系統參數設定模塊是利用VB6.0編制的友好人機交互界面，如圖5所示。利用MSComm控件實現與設備之間的通信，串口設置默認波特率為9 600b／s，無奇偶校驗，8位數據位和1位停止位。

在設備剛上電時，等待30s，這期間可以對時間、車型車號、設備類型、主風缸和受電弓參數及SD卡存儲地址進行設置。工作人員只需輸入對應參數，然后點擊相應按鈕即可完成設置。同時在“接收區”能夠對參數設置情況及設備運行情況進行一個實時檢測。

3 系統主要特點

系統具備的主要特點如下：

（1）系統自成體系，與機車上既有設備無任何聯系與干擾。

（2）系統結構較簡單，使用的技術比較成熟，具有較好的可靠性和穩定性。

（3）系統操作十分簡單快捷，符合現場作業人員習慣，顯示直觀醒目。

（4）系統的主要部分如主機、子機等廣泛采用了新型單片機技術、RS-485有線通信技術、多重抗干擾技術等，設計新穎，技術先進，工作穩定可靠，智能化程度較高。

（5）系統作為安全行車設備，其屬性決定了其必須符合故障導向安全原則，即不管系統的任何部分出現故障，都絕對不會影響到機車正常運行和原有設備的正常使用。

4 結束語

系統在研制的同時，多次進行了室內的模擬試驗及聯機試驗，并有針對性的反復進行了室外或現場的通信試驗。結果表明，該系統完全能夠達到設計要求，并能夠滿足現場的應用環境。第一臺樣機已于2011-05在包頭西機務段試驗，自試驗以來運行良好，能夠對受電弓控制管路風壓狀態進行實時的監測，收到了很好的效果。