自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉曉梅, 王 朔, 魏立峰, 陳俊生

(1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110142; 2.沈陽鐵路信號廠, 遼寧 沈陽 110025)

自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)是針對微機(jī)控制電力機(jī)車而研制的自動(dòng)過分相控制產(chǎn)品[1].其主要功能是當(dāng)電力機(jī)車通過分相區(qū)時(shí),系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)機(jī)車速度、位置自動(dòng)平滑降牽引電流、斷輔助機(jī)組和分?jǐn)嘀鲾嗦菲?通過分相區(qū)后,自動(dòng)閉合主斷路器、閉合輔助機(jī)組和控制牽引電流平滑上升,從而實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車通過分相區(qū)時(shí)的自動(dòng)化操作,大大減輕司機(jī)的工作強(qiáng)度.

目前,世界上研究并使用的自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)大體有二種方式:第一種是地面開關(guān)自動(dòng)切換方式[2],該方案存在過分相后合閘時(shí)電流沖擊較大、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高等缺點(diǎn);第二種是柱上開關(guān)自動(dòng)斷電方式[3],該方案的優(yōu)點(diǎn)是比地面切換方式簡單,供電死區(qū)比現(xiàn)有的分相區(qū)短,無須司機(jī)操作,機(jī)車上的主斷路器不需分?jǐn)?但該方案存在真空負(fù)荷開關(guān)帶負(fù)荷分?jǐn)?過分相后機(jī)車電流有很大的沖擊等缺點(diǎn),這種方式不適應(yīng)我國的電壓制式.

本文研發(fā)的自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了電力機(jī)車的自動(dòng)過分相,而且相比其他的自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)成本低,只需將過分相主機(jī)安裝在控制臺,將車感器安裝在機(jī)車上,將地感器安裝在分相區(qū)的軌枕處即可.該系統(tǒng)可以對鐵路機(jī)車分相系統(tǒng)中主要部件和系統(tǒng)進(jìn)行性能分析和設(shè)計(jì),通過采集實(shí)驗(yàn)過程數(shù)據(jù),驗(yàn)證系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性,為鐵路機(jī)車的自動(dòng)過分相的經(jīng)濟(jì)化、量產(chǎn)化提供了有力的技術(shù)支持.

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)是以在分相區(qū)前后分別埋設(shè)地感器作為對分相區(qū)的定位,以安裝在機(jī)車下面的車感器接收地面定位信息來判斷機(jī)車所在的位置[4].當(dāng)自動(dòng)過分相車載系統(tǒng)主機(jī)識別到預(yù)告信息時(shí),系統(tǒng)主機(jī)向機(jī)車微機(jī)柜發(fā)送預(yù)告信號,機(jī)車隨即卸載、分主斷;當(dāng)系統(tǒng)主機(jī)識別到強(qiáng)迫信息時(shí),系統(tǒng)主機(jī)向機(jī)車微機(jī)柜發(fā)送強(qiáng)迫信號,機(jī)車立即分?jǐn)嘀鲾?當(dāng)機(jī)車惰行通過分相區(qū)后識別到恢復(fù)信息時(shí),系統(tǒng)主機(jī)向機(jī)車微機(jī)柜發(fā)送恢復(fù)信號,機(jī)車立即合主斷.自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)主機(jī)為機(jī)車控制系統(tǒng)提供了一個(gè)裝置狀態(tài)信號.當(dāng)該信號為110 V高電壓時(shí),表示裝置工作正常;當(dāng)該信號為0 V時(shí),表示裝置故障,此時(shí)系統(tǒng)主機(jī)自動(dòng)退出,可進(jìn)行手動(dòng)過分相.對于管理屏無法顯示自動(dòng)過分相過程的機(jī)車,系統(tǒng)主機(jī)可提供一個(gè)蜂鳴器提示信息和一個(gè)自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)正常與否的指示信息.為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,地感器和車感器均采用冗余備份方式.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)特點(diǎn)

與同類的自動(dòng)過分相系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)有以下特點(diǎn):

(1) 車感器信號為雙路輸入,可避免因單路輸入故障而使信號識別失效;

(2) 由于電氣化的線路軌道回流引起的電磁干擾大,對車載感應(yīng)器的信號回路加強(qiáng)了抗干擾設(shè)計(jì),因此,使用2.4 V的門限來限制牽引回流感應(yīng)電壓以及其他干擾;

(3) 系統(tǒng)具有自檢和故障診斷功能,極大地提高了裝置運(yùn)行的可靠性;

(4) 系統(tǒng)硬件集成度高,將濾波器、保護(hù)電路等都集成到一個(gè)電路板上;

(5) 硬件安裝容易,造價(jià)低,改造方便,利于推廣.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示,電力機(jī)車自動(dòng)過分相功能由自動(dòng)過分相信號輸入部分和自動(dòng)過分相控制輸出部分共同實(shí)現(xiàn),主機(jī)采用西門子S7-200 PLC[5].定位信息通過地感器與車感器的協(xié)調(diào)工作,通過整流器與比較器將信號傳給可編程控制器,可編程控制器通過既定好的程序識別定位信息,發(fā)出預(yù)告,發(fā)恢復(fù)以及強(qiáng)迫信號給分相器與記錄板.而且工作狀態(tài)也通過濾波器將信號顯示在控制面板上.

圖2 硬件連接電路

機(jī)車通過地面感應(yīng)定位信號確定機(jī)車與分相點(diǎn)的相對位置,地面定位和機(jī)車感應(yīng)信號分別采用斜對稱埋設(shè)和備份方式接收,以保證自動(dòng)過分相的安全和可靠[6].預(yù)先根據(jù)要求在每個(gè)分相區(qū)前后分別埋設(shè)兩個(gè)地感器.分相區(qū)前方放置2個(gè)地感器,一個(gè)在軌道右邊為G1,一個(gè)在軌道左邊為G2;分相區(qū)后面也放置2個(gè)地感器,一個(gè)在軌道右邊為G3,一個(gè)在軌道左邊為G4,具體如圖3所示.

圖3 地感器位置示意

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由PLC控制軟件和記錄器分析處理軟件組成,軟件均采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì).

系統(tǒng)軟件程序主要是采用PLC專用的梯形圖進(jìn)行編寫,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).程序通過地感器的定位來判斷接收到何種信號，根據(jù)此信號來自動(dòng)分主斷與合主斷.系統(tǒng)開機(jī)后即運(yùn)行主程序,其主要功能包括:完成開機(jī)后系統(tǒng)的初始化操作,調(diào)用報(bào)警程序,以及調(diào)用系統(tǒng)的各功能模塊.系統(tǒng)流程如圖4所示.

圖4 系統(tǒng)流程

初始化程序包括調(diào)用自檢程序、功能程序預(yù)處理、輸入點(diǎn)清零、標(biāo)志位清零、數(shù)據(jù)寄存器清零等.初始化之后程序自檢,檢查光耦、感應(yīng)器是否異常,異常會報(bào)警.繼續(xù)工作狀態(tài)輸出,檢查感應(yīng)器的短路與斷線情況,如果有問題,那么啟動(dòng)延時(shí)器,輸出報(bào)警信號,反之程序繼續(xù)工作.定位程序?yàn)橄缺鎰e是向前輸入還是向后輸入,之后通過4個(gè)地感器對車感器的每個(gè)雙路輸入信號來判斷位置信息.

流程圖中“車感器恢復(fù)信號識別”為高電壓,則取G4地感器信號,機(jī)車 “反方向”運(yùn)行時(shí),G4為預(yù)告,G3為強(qiáng)迫,G2為近點(diǎn)恢復(fù),G1為遠(yuǎn)點(diǎn)恢復(fù).

5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)

在單軌回流1 000 A、車感器標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí),車感器記錄的牽引回流感應(yīng)電壓的圖形見圖5.

圖5 鋼軌回流感應(yīng)電壓

車感器下表面距地感器上表面150 mm、機(jī)車速度10 km/h時(shí),車感器對地感器的感應(yīng)電壓見圖6.其中,線條a為感應(yīng)電壓變化曲線,線條b表示磁鏈變化曲線.

圖6 機(jī)車速度10 km/h車感器感應(yīng)電壓

車感器下表面距地感器上表面150 mm、機(jī)車速度250 km/h時(shí),車感器對地感器的感應(yīng)電壓見圖7.其中,線條a表示感應(yīng)電壓的變化情況曲線,線條b表示磁鏈的變化情況曲線.

圖7 機(jī)車速度250 km/h車感器感應(yīng)電壓

由圖5可知牽引回流干擾電壓峰值約400 mV,而由圖6、圖7可知機(jī)車速度在10 km/h和250 km/h時(shí),車感器對地感器感應(yīng)電壓峰值分別為13 V和350 V.主機(jī)采用2.4 V的接收門限,限制牽引回流感應(yīng)電壓,既排除了干擾又使有用信號可靠接收.

6 應(yīng)用情況

在株洲電力機(jī)車有限公司HXD10178號電力機(jī)車上安裝自動(dòng)過分相控制系統(tǒng),在大秦線承運(yùn)2萬噸貨物,在經(jīng)歷32個(gè)分相區(qū)過程中,自動(dòng)過分相控制系統(tǒng)控制準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠,無任何誤動(dòng)、錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,司機(jī)反映很好.實(shí)踐證明:該裝置分相效果好,并且安全可靠,安裝維護(hù)也比較方便,完全可以滿足目前電力機(jī)車的自動(dòng)過分相要求.