計(jì)算機(jī)牽引供電模擬培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

杜銀龍

0 引言

利用計(jì)算機(jī)牽引供電模擬培訓(xùn)系統(tǒng)可以更好地對(duì)電氣化技術(shù)、施工人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。模擬牽引供電及其遠(yuǎn)動(dòng)控制采用工控機(jī)和單片機(jī)相結(jié)合的控制技術(shù)，并以壁掛式大屏幕準(zhǔn)確顯示電氣化供電實(shí)時(shí)模擬沙盤(pán)（將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物按45∶1 的比例微縮而成），直接反映了鐵路接觸網(wǎng)的實(shí)際情況。模擬培訓(xùn)系統(tǒng)較為全面地展現(xiàn)了計(jì)算機(jī)牽引供電模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的基本構(gòu)成、工作原理、施工要點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件組成

牽引供電及遠(yuǎn)程監(jiān)控模擬系統(tǒng)組成主要有控制計(jì)算機(jī)、燈控板、繼電板、顯示屏、接觸網(wǎng)及其相關(guān)設(shè)備等。

1.1 模擬沙盤(pán)

系統(tǒng)沙盤(pán)模擬了2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的4 股道車(chē)站及區(qū)間。車(chē)站的一個(gè)咽喉采用“八”字形渡線(xiàn)，另外一個(gè)咽喉采用交叉渡線(xiàn)，區(qū)間設(shè)有道口和鐵路橋。沙盤(pán)上共有122 根接觸網(wǎng)支柱，設(shè)有腕臂，定位桿、定位器等支持裝置，車(chē)站接觸網(wǎng)一個(gè)采用硬橫跨，另一個(gè)采用軟橫跨，接觸網(wǎng)線(xiàn)均采用等高懸掛方式。行進(jìn)中的模擬機(jī)車(chē)由具有遠(yuǎn)動(dòng)控制功能的牽引變電所、分區(qū)所、開(kāi)閉所等供電設(shè)施通過(guò)接觸網(wǎng)供電。

線(xiàn)路采用底寬5 mm、寬3 mm、高7 mm 的模型，由銅質(zhì)特制軌、特制的軌道基板、軌道墊板和軌道緊固件等組成。

支柱、支持裝置和定位裝置使接觸懸掛導(dǎo)線(xiàn)相對(duì)于線(xiàn)路保持在所要求的位置上，腕臂支持裝置采用標(biāo)準(zhǔn)腕臂和反向腕臂，兩車(chē)站多股道的接觸懸掛分別采用軟橫跨（借助于數(shù)根橫向線(xiàn)索懸掛于布置在線(xiàn)路兩側(cè)的2 根支柱上）、硬橫跨（固定在位于電氣化線(xiàn)路兩側(cè)支柱上的實(shí)腹鋼結(jié)構(gòu)），外形與供電方式同實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。

采用單片計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供電分段控制和模擬牽引顯示屏的顯示。供電方式完全采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行方式，牽引機(jī)車(chē)采用單線(xiàn)供電，通過(guò)鋼軌作為牽引電流回流線(xiàn)。沙盤(pán)中機(jī)車(chē)牽引采用直流24 V，軌道電路采用直流5 V，其中一條鋼軌作為牽引電流回流軌，有效實(shí)現(xiàn)了機(jī)車(chē)動(dòng)力電源的供給。

1.2 牽引供電控制系統(tǒng)

牽引供電控制系統(tǒng)采用高可靠性的工控機(jī)，利用工控機(jī)和單片機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，成功模擬了鐵路電氣化供電及遠(yuǎn)動(dòng)控制，通過(guò)控制軟件實(shí)現(xiàn)燈控板和繼電器板對(duì)各牽引變電所、分區(qū)所、開(kāi)閉所等供電設(shè)施的遠(yuǎn)動(dòng)控制，同時(shí)在顯示屏上對(duì)各區(qū)段供電情況進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

牽引供電主控計(jì)算機(jī)通過(guò)單片機(jī)串口對(duì)CPU板進(jìn)行控制。CPU 板上主要有AT89C51 單片機(jī)、74LS573、74H245 等芯片，經(jīng)3 個(gè)2×13 插槽與3個(gè)被控板相連接。由此進(jìn)行I/O 擴(kuò)展。3 個(gè)燈控板中1 個(gè)與繼電器板相連，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)繼電器板的控制，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)和顯示屏的控制。

牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)控制軟件是基于Windows 操作系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)控制使操作員用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)進(jìn)行各種命令操作，實(shí)現(xiàn)控制各牽引變電所、開(kāi)閉所的斷路器分合、故障報(bào)警顯示、有限制的訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。

1.3 牽引變電站模擬屏

采用馬賽克與發(fā)光二極管組合光帶，接線(xiàn)圖采用光帶顯示。由單片機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路及電源轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)顯示供電狀態(tài)和對(duì)電氣化鐵道牽引供電網(wǎng)的控制，并可由操作主機(jī)進(jìn)行控制。

1.4 牽引供電控制操作機(jī)

系統(tǒng)的牽引供電、接觸網(wǎng)、顯示屏控制機(jī)采用研華610H 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，P4 218GB，硬盤(pán)80 GB，內(nèi)存512 MB，DVD 光驅(qū)，19 寸液晶顯示器。牽引供電控制操作機(jī)由牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)控制模塊、用戶(hù)管理模塊、密碼管理模塊、日志管理模塊、交接班管理模塊等組成。牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)控制模塊提供用戶(hù)操作界面對(duì)牽引變電所、開(kāi)閉所和接觸網(wǎng)進(jìn)行通電及斷電控制。

1.5 下位機(jī)

下位機(jī)（輸入/輸出和驅(qū)動(dòng)隔離設(shè)備)即下層控制器和I/O 擴(kuò)展模塊，為自行開(kāi)發(fā)研制的專(zhuān)用單片機(jī)，其負(fù)責(zé)系統(tǒng)信息的采集輸入和發(fā)送控制指令，包括第二輸入/輸出接口板和第二驅(qū)動(dòng)隔離接口板，第二輸入/輸出接口板用于完成輸出控制和輸入采集工作；第二驅(qū)動(dòng)隔離接口板用于完成隔離開(kāi)關(guān)及斷路器模擬控制、供電顯示屏的控制，開(kāi)關(guān)量狀態(tài)的表示采集。

牽引供電控制操作機(jī)將控制流下發(fā)給第二輸入/輸出接口板，由其將控制流下發(fā)給第二驅(qū)動(dòng)隔離接口板，通過(guò)它將控制流下發(fā)給供電顯示屏、牽引變電所和開(kāi)閉所，由牽引變電所和開(kāi)閉所控制接觸網(wǎng)供電；第二驅(qū)動(dòng)隔離接口板接收供電顯示屏、牽引變電所和開(kāi)閉所的返回信號(hào)流，將返回信號(hào)流發(fā)送到第二輸入/輸出接口板，其將返回信號(hào)流發(fā)送到牽引供電控制操作機(jī)。

圖1 中3 個(gè)燈控板和繼電器板用來(lái)模擬牽引變電所和開(kāi)閉所內(nèi)部和接觸網(wǎng)上使用的隔離開(kāi)關(guān)和斷路器。牽引供電控制操作機(jī)通過(guò)單片機(jī)串口對(duì)位機(jī)進(jìn)行控制。下位機(jī)與3 個(gè)燈控板相連接。由此進(jìn)行輸入輸出擴(kuò)展。3 個(gè)燈控板中一個(gè)與繼電器板相連，實(shí)現(xiàn)牽引供電控制操作機(jī)對(duì)繼電器的控制。燈控板和繼電器板完成模擬接觸網(wǎng)，牽引變電所、分區(qū)所及開(kāi)閉所通電和斷電。

圖1 牽引供電控制結(jié)構(gòu)圖

牽引供電控制操作機(jī)控制信號(hào)經(jīng)MAX232 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入位機(jī)，下位機(jī)將處理后的控制信息與地址信息分時(shí)輸出。地址信息經(jīng)74LS573 鎖存輸出并由74L245 驅(qū)動(dòng)后送往各燈控制板，而控制信號(hào)由下位機(jī)發(fā)出后直接經(jīng)74L245 驅(qū)動(dòng)送各燈控制板。

（1）燈控板。由第二下位機(jī)傳送來(lái)的地址信息如果與燈控板編碼相符，則該板被選通?？刂菩畔⒔?jīng)74LS245 與2003 驅(qū)動(dòng)送至各74LS138 三頭插針，以便控制各燈的開(kāi)關(guān)。事實(shí)上，具體控制哪個(gè)燈是要選擇的，選擇信息是由第二下位機(jī)發(fā)送的地址信息經(jīng)燈控制板上74LS138 譯碼后得到。該信息可以控制使各插針有效或無(wú)效。

（2）繼電器板。若接觸網(wǎng)通電，則由繼電器開(kāi)關(guān)控制的相應(yīng)供電顯示屏光帶須同時(shí)點(diǎn)亮。

2 軟件組成

牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控軟件運(yùn)行在中文Windows NT Workstation 4.0 環(huán)境下，通過(guò)實(shí)時(shí)控制，使操作員用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)進(jìn)行各種Windows 標(biāo)準(zhǔn)操作，實(shí)現(xiàn)控制各牽引變電所、開(kāi)閉所的斷路器分合、故障報(bào)警顯示、有限制地訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)等功能。

采用Visual Basic6.0 可視化編程語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)該語(yǔ)言設(shè)計(jì)了包括2 個(gè)變電所、2 個(gè)分區(qū)亭、1 個(gè)開(kāi)閉所的環(huán)形電氣化鐵道的遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)電氣化鐵道供電系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)控，并且具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)的處理能力和簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)的通信能力。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用到的畫(huà)面生成技術(shù)全部使用Flash6.0 進(jìn)行設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的輔助功能是：進(jìn)入該系統(tǒng)必須先進(jìn)行注冊(cè)才能進(jìn)行操作。

進(jìn)入系統(tǒng)后，每一次操作都有記錄，并且存放在一個(gè)特定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，可供瀏覽。每一次操作也可通過(guò)實(shí)時(shí)記錄顯示在操作屏幕的上方。系統(tǒng)的主要操作包括對(duì)變電所、分區(qū)亭、開(kāi)閉所中隔離開(kāi)關(guān)以及斷路器的操作，通過(guò)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)和斷路器的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)間接觸網(wǎng)的供電。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 牽引供電系統(tǒng)主電路

電氣化鐵道供電系統(tǒng)總電路包括2 個(gè)變電所（變電所1、2）、2 個(gè)分區(qū)亭（分區(qū)亭1、2）、1個(gè)開(kāi)閉所。其中變電所1 采用的是雙母線(xiàn)、內(nèi)橋接線(xiàn)方式，2 臺(tái)變壓器并列運(yùn)行；變電所2 采用的是單母線(xiàn)分段、內(nèi)橋接線(xiàn)方式，2 臺(tái)變壓器并列運(yùn)行；在兩變電所之間分別設(shè)置2 個(gè)分區(qū)亭。變電所2 連接1 個(gè)開(kāi)閉所。

在主界面中顯示沙盤(pán)的電網(wǎng)運(yùn)行情況，線(xiàn)路為黃色表示當(dāng)前線(xiàn)路是A 相帶電運(yùn)行，線(xiàn)路為綠色表示當(dāng)前線(xiàn)路是B 相帶電運(yùn)行，線(xiàn)路為黑色表示當(dāng)前線(xiàn)路沒(méi)有電；在主界面中還有“牽引變電所1”、“牽引變電所2”、“分區(qū)所1”、“分區(qū)所2”、“開(kāi)閉所”5 個(gè)圖標(biāo)，當(dāng)鼠標(biāo)移動(dòng)到這些圖標(biāo)上，鼠標(biāo)變成小手形狀，單擊這些圖標(biāo)即可進(jìn)入相應(yīng)的控制界面。牽引變電所操作規(guī)則：通電順序的總體方向必須由上至下，斷電順序的總體方向必須是由下至上。

2 個(gè)電源是備份關(guān)系，同時(shí)只能由其中之一為系統(tǒng)供電；2 臺(tái)牽引變壓器也是備份關(guān)系同時(shí)只能由其中之一為系統(tǒng)工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用工控機(jī)和單片機(jī)相結(jié)合的技術(shù)，成功模擬了鐵路電氣化供電及遠(yuǎn)動(dòng)控制，并以壁掛式大屏幕準(zhǔn)確顯示電氣化供電實(shí)時(shí)模擬沙盤(pán)。

集牽引變電自動(dòng)化、供變電保護(hù)和遠(yuǎn)程控制于一體的牽引供電系統(tǒng)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景，尤其是遠(yuǎn)程送變電控制技術(shù)將在未來(lái)的高速鐵路、客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)中普遍采用。

牽引供電培訓(xùn)模擬系統(tǒng)的顯示界面和操作方法與現(xiàn)實(shí)設(shè)備一致，該平臺(tái)也可以很好地將鐵路牽引供電和遠(yuǎn)動(dòng)控制按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際模擬出來(lái)，可以對(duì)電氣化技術(shù)、施工人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)和模擬演練，能為牽引供電、接觸網(wǎng)人員提供較為詳細(xì)的牽引供電操作知識(shí)，從而提高公司的整體實(shí)力和技術(shù)水平，對(duì)于企業(yè)發(fā)展具有持續(xù)的推動(dòng)作用。