高速鐵路客車上水系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

黎 敏 上海鐵路局合肥給水公司

1 項(xiàng)目背景

隨著旅客列車運(yùn)行速度達(dá)到300 km/h以上，鐵路給水自動(dòng)化、系統(tǒng)化及信息化發(fā)展的戰(zhàn)略要求日益凸顯，而陳舊的客車上水作業(yè)及管理模式己嚴(yán)重阻礙鐵路客運(yùn)事業(yè)的發(fā)展。為了提升列車上水自動(dòng)化作業(yè)水平，提高上水作業(yè)勞動(dòng)效率，保證上水質(zhì)量安全可靠，現(xiàn)以某火車站為原型，研究客車上水的系統(tǒng)模型，并通過對高速客車上水分析、設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)高速鐵路列車上水系統(tǒng)控制自動(dòng)化。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括上水管路系統(tǒng)、上水設(shè)備系統(tǒng)、多通道遙控器、股道管理機(jī)。根據(jù)客車上水的功能需求、應(yīng)用環(huán)境及要求，采用PLC(可編程控制器)作為實(shí)時(shí)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(jī)，再加上無線通訊模塊，列車到發(fā)廣播系統(tǒng)，共同組成一個(gè)多方位信息采集、綜合、智能決策的系統(tǒng)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1.1 上水管路系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

包括上水管路（DN25）、進(jìn)水電磁閥和手動(dòng)開關(guān)，具有給客車水箱上水的功能。進(jìn)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(dòng)開關(guān)在停電時(shí)使用。

2.1.2 上水設(shè)備系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（ 1）上水軟管

上水軟管DN25，管長15 m，為雙層結(jié)構(gòu)，采用白皺片天然膠作為軟管及接頭的內(nèi)襯材料。膠管骨架材料選用高強(qiáng)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(dá)1年半以上等優(yōu)點(diǎn)；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(dòng)脫落功能，連接及脫落方便快速，不漏水。按動(dòng)遙控器開始上水時(shí)，快速上水接頭能夠與列車上水注入口緊密鎖緊。快速接頭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(yīng)目前國內(nèi)動(dòng)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(shí)連接牢靠，當(dāng)客車突然啟動(dòng)或出現(xiàn)其它非正常工況時(shí)，快速接頭能脫落，避免事故發(fā)生。

（ 3）卷管器

卷管器由卷筒、低速電機(jī)、定向?qū)л喲b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(jī)械式排空閥和上水電磁閥聯(lián)動(dòng)，上水結(jié)束后，機(jī)械式排空閥啟動(dòng)，排出上水膠管內(nèi)余水，流進(jìn)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(wèi)生，同時(shí)也防止了冬季上水管的凍損。

2.1.3 多通道遙控器方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)配置了多通道遙控器，通過遙控器對相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行操作。遙控器發(fā)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(tái)遙控器控制所有設(shè)備，遙控距離大于150 m，可在較大范圍內(nèi)安全操作設(shè)備，減少工人勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)界面，文本顯示操控，集成化高，操作方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置能保證系統(tǒng)運(yùn)行的整體性和穩(wěn)定性?？刂葡渲饕煽諝鈹嗦菲?、繼電器、開關(guān)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(shè)有緊急停機(jī)按鈕，停止誤操作；當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，控制面板上的文本顯示器將顯示故障點(diǎn)。正常工況下，文本顯示器將顯示各工作狀態(tài)。

無線遙控上水控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定時(shí)上水。時(shí)間到時(shí)自動(dòng)關(guān)閉水閥、自動(dòng)排余水、快速管接頭與列車注水口自動(dòng)分離。

2.1.4 股道管理機(jī)方案設(shè)計(jì)

鐵路客車自動(dòng)上水運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)股道管理機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊和通訊模塊，主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1)實(shí)時(shí)采集各上水機(jī)的工作狀態(tài)，并上傳至控制中心終端。

(2)實(shí)時(shí)采集上水機(jī)和股道計(jì)量的信息，上傳至控制中心終端，若通訊中斷，則有存儲(chǔ)信息功能。

(3)接收控制中心終端的命令，開閉股道上水電動(dòng)閥。

(4)接收控制中心終端的“急?！泵?，下傳至上水控制機(jī)，執(zhí)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(jī)，執(zhí)行整條股道的停止上水、脫管、收管程序。

圖2 股道管理機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控軟件結(jié)構(gòu)主要有四個(gè)部分：上位機(jī)管理軟件、股道管理機(jī)控制軟件、無線遙控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)軟件、列車到發(fā)信息發(fā)送軟件。其中上位機(jī)管理軟件是通過CAN（控制器局域網(wǎng)）總線與股道管理機(jī)連接，通過RS485與位于廣播室的列車到發(fā)信息發(fā)送軟件通信。無線遙控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)軟件運(yùn)行于上位機(jī)，通過進(jìn)程間通信與管理軟件交流數(shù)據(jù)。整個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

3.1 軟件開發(fā)平臺(tái)

股道管理機(jī)采用嵌入式控制模塊，該模塊采用軍品的設(shè)計(jì)方案，能在惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作，工作溫度為-20~70℃。控制軟件的實(shí)現(xiàn)采用C語言，能方便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)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(qiáng)。在系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)展或需求有變化時(shí)，可進(jìn)行軟件的擴(kuò)展、更新。

上位機(jī)軟件運(yùn)行在Windows平臺(tái)上，用Delphi開發(fā)實(shí)現(xiàn)，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(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。它同時(shí)提供了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、綜合信息判斷、聯(lián)網(wǎng)通信等功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

(1)上位機(jī)管理軟件

上位機(jī)管理軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。其實(shí)現(xiàn)的功能包括接收股道管理機(jī)的采集信息，在用戶界面上顯示控制系統(tǒng)狀態(tài)；接收用戶無線遙控信息或手工輸入，通過向股道管理機(jī)發(fā)送命令。接收廣播到發(fā)信息和攝像識(shí)別信息，分析判斷列車出入站信息，如果列車到站，自動(dòng)開大閥，如果列車出站，關(guān)大閥；以及事先設(shè)定的操作流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開閥；通過對從股道管理機(jī)獲取的各種信息的綜合分析，判斷系統(tǒng)中是否存在漏水等故障；對上水工作人員的交接班、操作進(jìn)行記錄，規(guī)范管理；對每列車的上水量，每道的上水量進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，從而生成詳細(xì)的日、月、季、年報(bào)；將現(xiàn)場信息轉(zhuǎn)發(fā)給調(diào)度系統(tǒng)的管理機(jī)。

圖4 上位機(jī)管理軟件結(jié)構(gòu)圖

（2）股道管理機(jī)控制軟件

股道管理機(jī)控制軟件主要是控制每個(gè)股道信息，采集每個(gè)股道的電流電壓信息，同時(shí)監(jiān)測各股道的壓力流量信息，控制股道大小閥的開關(guān)，通過與監(jiān)控中心通信，將壓力、流量、電流、電壓，閥的狀態(tài)信息上傳給監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心的指令，實(shí)現(xiàn)開閥、關(guān)閥等操作。邏輯控制圖如圖5所示。

圖5 股道管理機(jī)控制軟件邏輯控制框圖

(3)遙控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)模塊

遙控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)模塊通過從天線獲取用戶發(fā)送的命令編碼，然后轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的命令串發(fā)送給監(jiān)控中心，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 無線遙控?cái)?shù)據(jù)收發(fā)軟件結(jié)構(gòu)圖

(4)列車到發(fā)信息發(fā)送軟件

列車到發(fā)信息發(fā)送軟件主要是獲取列車什么時(shí)間到站和什么時(shí)間離站，從而能夠準(zhǔn)確地開關(guān)大閥，它從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的列車時(shí)刻表上查詢當(dāng)時(shí)各個(gè)軌道的列車到發(fā)記錄，然后通過RS485發(fā)送給監(jiān)控中心管理軟件。

4 結(jié)束語

隨著中國高速鐵路、客運(yùn)專線的興建，該套系統(tǒng)在多個(gè)火車站應(yīng)用，節(jié)約了用水，提高了工作效率及管理水平，在取得一定經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，對環(huán)境及社會(huì)也產(chǎn)生了很大效益。相關(guān)的技術(shù)研究有助于為新建客運(yùn)專線、高速鐵路及動(dòng)車段(所)建設(shè)以及既有鐵路客車上水系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)提供參考。