基于MCU的接觸網(wǎng)異物處理裝置的實(shí)現(xiàn)探析

顏偉，羅旭，劉玉寶，周小紅

（四川鐵道職業(yè)學(xué)院，四川 成都 611732）

接觸網(wǎng)是高（普）速鐵路、地鐵、城市軌道交通中的電力機(jī)車、動(dòng)車、電客車等車輛供給電能的特殊供電線路。因環(huán)境制約，接觸網(wǎng)多為露天架設(shè)，“無(wú)防護(hù)罩、無(wú)備用”，受周圍環(huán)境影響較大，運(yùn)行過(guò)程中極易受到侵限異物的干擾，嚴(yán)重時(shí)影響弓網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量，異物懸掛是導(dǎo)致弓網(wǎng)故障的因素之一。通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)異物懸掛的常見原因及事故案例分析，提出經(jīng)濟(jì)實(shí)用性異物處置解決措施，如何提升效率及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性是一項(xiàng)具有重要價(jià)值和實(shí)用意義的研究課題。

1 接觸網(wǎng)懸掛異物的安全風(fēng)險(xiǎn)（圖1和圖2）

圖1 某供電段2021年接觸網(wǎng)異物統(tǒng)計(jì)圖及接觸網(wǎng)異物導(dǎo)致高鐵晚點(diǎn)新聞

1.1 懸掛異物易發(fā)生的地段、異物種類

露天架設(shè)接觸網(wǎng)的大型樞紐站場(chǎng)、區(qū)間、車輛段、停車場(chǎng)、居民居住較集中社區(qū)旁、人員活動(dòng)密集地段、大型廠房建筑物旁的地段均是接觸網(wǎng)懸掛異物或異物侵入設(shè)備限界的多發(fā)地點(diǎn)。

懸掛異物類型主要有塑料袋、氣球、塑料袋、衣物、編織袋、孔明燈、風(fēng)箏、地膜、織物、鳥窩、海報(bào)紙張、廣告橫幅等輕質(zhì)物，還包括從列車車輛上、接觸網(wǎng)設(shè)備上方脫落、吹揚(yáng)的其他異物，如車輛上脫落的繩索、帆布，接觸網(wǎng)上斷裂的吊弦、鐵絲、鋼絲繩等。

1.2 懸掛異物易發(fā)生時(shí)間、懸掛位置、危害程度、影響范圍

接觸網(wǎng)懸掛異物時(shí)間具有不確定性，可能發(fā)生在任何時(shí)間節(jié)點(diǎn)上。但根據(jù)氣候特征，春、夏兩季多風(fēng)季節(jié)為異物入侵事故頻發(fā)節(jié)點(diǎn)，還有部分節(jié)假日也為接觸網(wǎng)異物事故頻繁發(fā)生的階段，如春節(jié)、清明節(jié)、端午節(jié)、中秋節(jié)等傳統(tǒng)節(jié)假日有燃放煙花爆竹、放飛氫氣球、點(diǎn)放孔明燈等習(xí)俗。接觸網(wǎng)異物多懸掛于支柱上部、接觸懸掛、承力索、接觸線、吊弦、腕臂、定位裝置、輔助線索等位置。

接觸網(wǎng)懸掛了異物或異物侵入接觸網(wǎng)設(shè)備限界會(huì)導(dǎo)致“弓網(wǎng)關(guān)系”嚴(yán)重惡化，會(huì)導(dǎo)致車輛取流質(zhì)量變差，接觸網(wǎng)短路接地、變電所跳閘甚至直接中斷供電，還會(huì)發(fā)生碰弓、刮弓、脫弓、打火、拉弧、離線等弓網(wǎng)事故。輕則導(dǎo)致弓網(wǎng)一般故障、停車、列車晚點(diǎn)、延誤、甚至停運(yùn)，重則造成嚴(yán)重行車事故人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失，影響整條線路列車安全運(yùn)行，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。

2 接觸網(wǎng)異物的處置（圖3）

圖3 傳統(tǒng)異物處置、新型無(wú)人機(jī)處置、聚能激光發(fā)射器示意圖

2.1 傳統(tǒng)處置

發(fā)生接觸網(wǎng)異物侵入故障后，如果異物影響受電弓取流，電調(diào)會(huì)立即通知接觸網(wǎng)應(yīng)急人員立即趕往故障現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置搶修。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)異物清除方法主要有兩種：一是停電后人工上網(wǎng)摘除或異物棒摘除，需要調(diào)度命令，封鎖線路變電所倒閘停電；二是等間接帶電作業(yè)摘除（使用絕緣異物棒），也需封鎖行車線路。兩種方式都需要較大的人力物力，作業(yè)流程復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、用時(shí)長(zhǎng)（1h以上），接觸網(wǎng)運(yùn)行可靠性下降，搶修作業(yè)人員存在安全風(fēng)險(xiǎn)，影響行車時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2 無(wú)人機(jī)處置

目前，各維管單位解決清除接觸網(wǎng)上異物主要靠人工，效率低，費(fèi)時(shí)長(zhǎng)，且存在安全隱患的技術(shù)問(wèn)題。無(wú)人機(jī)異物處置裝置包括無(wú)人機(jī)主體和異物清除裝置，以及飛行控制器、噴火控制器可地面進(jìn)行互控，作業(yè)人員通過(guò)液晶操控面板控制器進(jìn)行人機(jī)交互，給無(wú)人機(jī)下達(dá)指令以控制無(wú)人機(jī)飛行運(yùn)動(dòng)，異物清除裝置設(shè)噴火機(jī)構(gòu)，噴火機(jī)構(gòu)與異物清除控制器連接，異物清除控制器與地面控制器進(jìn)行互控，實(shí)現(xiàn)遙控遠(yuǎn)程控制噴油（汽油）和點(diǎn)火，作業(yè)員可在地面遙控點(diǎn)火異物清除，可有效避免作業(yè)員高空帶電作業(yè)，可有效消除作業(yè)員高空帶電作業(yè)形成的安全隱患，同時(shí)，異物清除效率高。利用無(wú)人機(jī)搭載噴火設(shè)備，對(duì)接觸網(wǎng)線路異物進(jìn)行焚燒清除。該類方法的優(yōu)點(diǎn)在于接觸網(wǎng)無(wú)須停電，處理速度較快；缺點(diǎn)是無(wú)人機(jī)價(jià)格較高、操作難度較大，易受電磁干擾，化纖品、織物等燃燒時(shí)可能殘留在接觸線上形成附著物變成接觸線硬點(diǎn)，造成受電弓運(yùn)行到此部位發(fā)生離線燃弧，造成弓網(wǎng)故障。

2.3 聚能激光處置

作業(yè)人員在地面利用大功率激光發(fā)射器對(duì)接觸網(wǎng)上異物進(jìn)行遠(yuǎn)距激光照射，進(jìn)行非接觸式的切割燒蝕，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離作業(yè)清除。該方法的優(yōu)點(diǎn)是地面操作、不用停電、無(wú)明火，不會(huì)造成人員安全隱患。缺點(diǎn)是設(shè)備價(jià)格昂貴，大功率聚能激光設(shè)備較為笨重、搬運(yùn)較困難、耗電量大、存在激光照射盲區(qū)、價(jià)格較昂貴等問(wèn)題。經(jīng)濟(jì)便宜、小巧便攜、低能耗、高功效聚能激光器的開發(fā)尚需迭代。

3 基于MCU的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型多功能接觸網(wǎng)異物處理器的設(shè)計(jì)

上述幾種接觸網(wǎng)異物處置方法各有優(yōu)劣，目前，各基層接觸網(wǎng)工區(qū)在接觸網(wǎng)異物事故處理過(guò)程中多采用傳統(tǒng)處置方式，作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，影響行車時(shí)間也長(zhǎng)，效率低，尤其是對(duì)異物與接觸網(wǎng)糾纏在一起的情況更難處理。為克服上述技術(shù)難題，關(guān)鍵點(diǎn)是在接觸網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)不停電狀態(tài)下進(jìn)行間接帶電作業(yè)，使用簡(jiǎn)便、實(shí)用的工具對(duì)懸掛物、纏繞物進(jìn)行快速處理。經(jīng)濟(jì)實(shí)用型多功能接觸網(wǎng)異物處理器的構(gòu)想特點(diǎn)是：在工區(qū)既有的異物棒的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，使用簡(jiǎn)便、快捷、經(jīng)濟(jì)、便攜型的異物處理工具，減少異物處理的時(shí)間，較好地提升接觸網(wǎng)異物處置效率。

3.1 整體方案設(shè)計(jì)

在4節(jié)組裝式便攜輕便絕緣棒異物桿（耐壓25kV，4×2=8m長(zhǎng)）的基礎(chǔ)上，在絕緣棒頭部設(shè)置多功能轉(zhuǎn)換頭，更換不同的多功能轉(zhuǎn)頭可實(shí)現(xiàn)“鉤、拉、割、挑”等異物處置，更換“遙控火焰噴射焚燒裝置”實(shí)現(xiàn)多種功能異物處理（圖4）。主其中火焰噴射焚燒裝置屬于設(shè)備亮點(diǎn)，該裝置采用丁烷氣瓶及噴火槍，配置遙控點(diǎn)火及可調(diào)節(jié)火焰大小控制裝置，MAC由單片機(jī)構(gòu)成，配合遙控接收器編程控制電子高壓點(diǎn)火裝置，燃?xì)饪刂蒲b置遙控制舵機(jī)實(shí)時(shí)控制燃?xì)忾y門開關(guān)并調(diào)節(jié)燃?xì)獯笮?gòu)成。異物機(jī)械裝置集成了丁烷氣瓶控制設(shè)備噴火嘴等零件設(shè)備，可較好地實(shí)現(xiàn)地面無(wú)線控制點(diǎn)火并調(diào)節(jié)火焰大小，操作異物桿進(jìn)行焚燒處置。多功能異物處理器可實(shí)現(xiàn)帶電操作，視異物懸掛位置及類型可采用多種方法，接觸線以外的懸掛物可不停電采用“火焰噴射焚燒去除”的方式，處置流程簡(jiǎn)便、安全、快速、經(jīng)濟(jì)、設(shè)備攜帶方便，具有較好的經(jīng)濟(jì)實(shí)用效果。

圖4 遙控火焰噴射焚燒裝置框架圖

3.2 電源充電接口及電子點(diǎn)火裝置電路

充電電路：電源采用220V市電進(jìn)行充電，由4個(gè)IN4007二極管組成的橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，充電發(fā)光二極管LED3指示電路正在充電，R2電阻為限流電阻。B1為充電蓄電池。

照明電路：為方便夜間作業(yè)，發(fā)光二極管LED1照明燈，按下開關(guān)SW2后電路接通，照明燈亮起，100Ω電阻為限流電阻。電源指示電路：一個(gè)簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管LED2指示電路，按下開關(guān)后電路接通，指示燈亮起，100Ω電阻為限流電阻。

振蕩電路：這是由三極管Q1和變壓器繞組組成的單管自激振蕩電路，三極管的集電極電壓通過(guò)10k電阻和變壓器上面的反饋繞組形成正反饋。通電后，由于電感兩端的電流不能突變，三極管由截止?fàn)顟B(tài)迅速進(jìn)入飽和狀態(tài)，此時(shí)，集電極電壓下降又引起基極電流減小，三極管又從飽和狀態(tài)迅速進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，整個(gè)過(guò)程周而復(fù)始，從而將直流電轉(zhuǎn)換為高頻交流電施加在變壓器初級(jí)繞組上。

升壓電路：圖中的變壓器是一個(gè)升壓變壓器，高頻交流電經(jīng)過(guò)變壓器升壓后，又經(jīng)過(guò)一個(gè)三倍壓整流電路進(jìn)行升壓整流，倍壓電路的原理就是利用了二極管導(dǎo)引作用，將電壓分別儲(chǔ)存在各自的電容中，然后，將幾個(gè)電容串聯(lián)起來(lái)形成電壓的疊加，最后將得到的高壓直流電施加在點(diǎn)火槍頭上。

圖5 單片機(jī)控制原理圖

3.3 單片機(jī)系統(tǒng)組成

在整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)中，MCU單片機(jī)系統(tǒng)是最核心的控制裝置，其由51單片機(jī)、電源、時(shí)鐘電路及復(fù)位電路等組成。選用AT89c51微控制器芯片，并將晶振電路接其入XTALl、2端口，將復(fù)位電路接入RST端口，在P2口處安裝上然氣控制舵機(jī)后與點(diǎn)火裝置，再加上射頻無(wú)線按鍵電路、12倍壓點(diǎn)火電路和數(shù)據(jù)采集電路等外圍線路，組成單片機(jī)系統(tǒng)，點(diǎn)火電路如圖6所示。

圖6 電子點(diǎn)火電路圖

3.4 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

針對(duì)異物處理器控制精度低的問(wèn)題，所設(shè)計(jì)的控制程序需要結(jié)合上位機(jī)給定參數(shù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行考慮。對(duì)舵機(jī)的控制可進(jìn)一步歸納為對(duì)液化天然氣的控制．考慮到然氣閥的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度和舵機(jī)給定角度之間存在一定誤差，控制器除了編寫舵機(jī)關(guān)節(jié)的動(dòng)作指令，還要根據(jù)然氣點(diǎn)火成功反饋的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)執(zhí)行中斷、比較和誤差補(bǔ)償?shù)瘸绦?，進(jìn)而完成點(diǎn)火設(shè)定的動(dòng)作。異物處理器通電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，在未接受到射頻遙控的指令或鍵盤操作指令前，舵機(jī)會(huì)自動(dòng)到關(guān)閉位置，持續(xù)等待射頻遙控發(fā)送控制指令。當(dāng)指令信號(hào)通過(guò)射頻發(fā)送到控制器時(shí)．舵機(jī)開始運(yùn)動(dòng)，固定在絕緣桿上的然氣罐閥門會(huì)實(shí)時(shí)打開，然氣氣量大小反饋到控制器，當(dāng)反饋角度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，控制器執(zhí)行中斷指令，驅(qū)動(dòng)點(diǎn)火裝置，由于舵機(jī)的慣性大，制動(dòng)后得到的實(shí)際角度和給定角度之間存在一定偏差。如果這個(gè)差值在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，那么，控制就完成了，否則，就會(huì)由控制器根據(jù)所得差值調(diào)整控制量，驅(qū)動(dòng)偏差關(guān)節(jié)向著指定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到偏差允許范圍內(nèi)點(diǎn)火出氣。異物處理器程序流程如圖7所示。

圖7 異物處理器程序流程圖

（1）舵機(jī)控制程序。在整個(gè)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)舵機(jī)的動(dòng)態(tài)情況是控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PWM控制的關(guān)鍵。控制器通過(guò)外部中斷來(lái)統(tǒng)計(jì)舵機(jī)的PWM，中斷觸發(fā)時(shí)根據(jù)信號(hào)線的PWM_Value來(lái)判斷舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。PWM為500時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)直關(guān)閉位：PWM為2500時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)至最大打開位。舵機(jī)PWM_Value并判定旋轉(zhuǎn)方向的程序環(huán)節(jié)如圖8所示。

圖8

（2）按鍵控制程序。除了機(jī)械控制點(diǎn)火，該設(shè)計(jì)還在單片機(jī)系統(tǒng)里添加了鍵盤操作和無(wú)線控制功能。在單片機(jī)的P3.4 I／0端口上接入獨(dú)立鍵盤按鍵，標(biāo)注為sl，并采用315MHZ射頻遙控方式進(jìn)行遠(yuǎn)程打火，由s1控制舵機(jī)程序的執(zhí)行，當(dāng)S1被一直按下，舵機(jī)進(jìn)入中斷程序，舵機(jī)開始從0°旋轉(zhuǎn)至180°，期間12倍壓點(diǎn)火裝置，進(jìn)行不間斷點(diǎn)火，在2s內(nèi)連續(xù)進(jìn)行數(shù)30余次的點(diǎn)火，直至點(diǎn)火成功。在任何情況下，只要S1開關(guān)被斷開，舵機(jī)立刻開始從180°旋轉(zhuǎn)至0°，熄滅天然氣火苗。其中按鍵及初始設(shè)置及部分按鍵操作程序環(huán)節(jié)如圖9所示。

圖9

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)濟(jì)實(shí)用型多功能快速處置異物的新型裝置，能實(shí)現(xiàn)便捷、經(jīng)濟(jì)、安全、不停電短時(shí)間處置入侵懸掛物。 本文就基于MCU的接觸網(wǎng)異物處理裝置實(shí)現(xiàn)其功能的方案進(jìn)行了探索，裝置通過(guò)便攜式輕便絕緣異物桿端部可更換式底座，既可搭載鉤、拉、割、挑的異物處置頭，也可針對(duì)懸掛在接觸網(wǎng)上的可燃性異物在便攜式絕緣異物桿頭部搭載遙控火焰噴射焚燒裝置，接近到接觸網(wǎng)懸掛異物附近，作業(yè)人員對(duì)處理器進(jìn)行距離調(diào)整后，地面進(jìn)行點(diǎn)火指令發(fā)送，遙控噴火焚燒裝置進(jìn)行遙控點(diǎn)火及火焰大小可調(diào)式的噴火焚燒裝置。在實(shí)際的操作過(guò)程中，可間接帶電操作，節(jié)省停電倒閘時(shí)間，減少人力的投入，改裝工區(qū)既有的異物處理工具設(shè)備，能做到減小經(jīng)濟(jì)投入、方便快捷，降低安全操作風(fēng)險(xiǎn)，提升效率。