受電弓控制電路故障檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

張俊達(dá)

（安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

受電弓系統(tǒng)是城軌車輛連接牽引供電回路中的關(guān)鍵系統(tǒng)之一[1-2]，高職院校城市軌道交通相關(guān)專業(yè)的學(xué)生需具備受電弓相關(guān)的專業(yè)理論知識(shí)和實(shí)踐操作技能[3]。車輛檢修中繼電器柜受電弓控制電路的故障檢修考驗(yàn)學(xué)生的理論和實(shí)踐水平，能夠快速處理設(shè)備故障對(duì)于相關(guān)專業(yè)學(xué)生參加軌道車輛技術(shù)職業(yè)技能競(jìng)賽有很大的幫助，也對(duì)學(xué)生未來從事相關(guān)領(lǐng)域工作有一定的幫助。但目前只能購(gòu)進(jìn)精密的繼電器控制柜，也沒有合適的繼電器實(shí)訓(xùn)設(shè)備[4]。因此，設(shè)計(jì)一套訓(xùn)練軌道交通專業(yè)學(xué)生的繼電器控制電路故障設(shè)置與恢復(fù)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，有助于提高學(xué)生的故障查找與檢修能力。

目前，軌道交通職業(yè)院校對(duì)受電弓控制電路故障檢修的能力訓(xùn)練，通常學(xué)習(xí)時(shí)只停留在電路圖的識(shí)別、設(shè)備的參觀，難以進(jìn)行實(shí)際的訓(xùn)練?；蛘哂芍笇?dǎo)教師手動(dòng)設(shè)置斷路或斷路故障[5]。學(xué)生對(duì)故障點(diǎn)的檢測(cè)完成后，教師對(duì)電路的故障進(jìn)行恢復(fù)又需要一定時(shí)間。

針對(duì)以上問題，課題組研究設(shè)計(jì)了一套受電弓控制電路故障檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用上位機(jī)軟件控制下位機(jī)快捷方便地設(shè)置和恢復(fù)受電弓控制電路故障，用以有效提高學(xué)生使用萬(wàn)用表等測(cè)量工具檢查受電弓控制電路系統(tǒng)故障的水平，而且能節(jié)約大量時(shí)間。

1 受電弓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動(dòng)作原理

本受電弓系統(tǒng)由受電弓、氣泵、氣閥箱和受電弓控制電路組成，如圖1所示。電磁閥在氣閥箱中，當(dāng)電磁閥得電時(shí)，氣泵中的壓縮空氣從電磁閥通過，受電弓氣囊充氣升起；當(dāng)控制閥失電時(shí)，受電弓在重力作用下排出氣囊中的空氣，實(shí)現(xiàn)降弓[6]。所以可以通過升、降弓按鈕來控制受電弓控制電路通電或者斷電，從而實(shí)現(xiàn)受電弓的升與降[7]。

圖1 受電弓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)受電弓實(shí)際控制電路邏輯與原理，設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)受電弓控制電路，如圖2所示。

圖2 受電弓控制電路

1.1 升弓控制原理

閉合允許升弓旋鈕，允許升弓繼電器K1得電，常開觸點(diǎn)閉合。閉合受電弓控制微型斷路器，按下升弓按鈕S1，執(zhí)行升弓指令，升弓繼電器K3得電，自閉電路使升弓繼電器K3得電保持。使升弓閥控制繼電器K4得電，控制升弓閥動(dòng)作升弓[8]。

1.2 降弓原理

按下降弓按鈕S2，執(zhí)行降弓指令。降弓繼電器得電，K2常閉觸點(diǎn)斷開，升弓閥繼電器K4失電，受電弓降弓。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

受電弓故障檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)由上位機(jī)軟件和下位機(jī)故障設(shè)置與恢復(fù)系統(tǒng)組成，下位機(jī)與上位機(jī)通過串口連接。通過上位機(jī)受電弓控制電路應(yīng)用軟件下達(dá)故障設(shè)置與恢復(fù)的命令，傳輸?shù)较挛粰C(jī)系統(tǒng)，串口將指令交給微處理器模塊，控制故障設(shè)置與恢復(fù)繼電電路板上的對(duì)應(yīng)微型繼電器動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)置故障或清除故障。下位機(jī)采集受電弓控制電路狀態(tài)信息，通過串口上傳給上位機(jī)顯示指令狀態(tài)。受電弓控制電路繼電器選用中間繼電器，故以直流24 V供電。下位機(jī)系統(tǒng)采用5 V供電[9]。

圖3 受電弓故障檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)框圖

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)受電弓控制電路應(yīng)用軟件主要分為三個(gè)模塊，其主要組成如下。

1）受電弓圖元：受電弓控制電路中的各種器件。用戶根據(jù)受電弓控制電路來仿真受電弓控制電路工作狀態(tài)，分為教師設(shè)置故障和學(xué)生恢復(fù)故障兩個(gè)界面。

2）編輯工具：用來對(duì)受電弓控制電路中繼電器接點(diǎn)、繼電器、導(dǎo)線、熔斷器等進(jìn)行模塊化設(shè)置，便于組態(tài)。教師設(shè)置故障界面可以通過點(diǎn)擊編輯工具設(shè)置對(duì)應(yīng)的故障，學(xué)生恢復(fù)故障界面可以通過點(diǎn)擊相應(yīng)編輯工具改變對(duì)應(yīng)故障設(shè)置與恢復(fù)繼電電路板上的相應(yīng)微型控制繼電器的工作狀態(tài)。

3）元器件圖元屬性：根據(jù)電路圖中不同元器件來劃分不同的屬性。用顏色、虛實(shí)、特點(diǎn)等屬性的設(shè)置、修改、保存等來顯示對(duì)應(yīng)故障設(shè)置與恢復(fù)繼電電路板上的相應(yīng)微型控制繼電器的工作狀態(tài)[10]。

上位機(jī)軟件操作流程如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件操作流程圖

2.2 下位機(jī)故障設(shè)置與恢復(fù)系統(tǒng)

系統(tǒng)由微處理器模塊、串口通信模塊、故障設(shè)置與恢復(fù)繼電電路模塊組成。本故障設(shè)置與恢復(fù)電路模塊主要負(fù)責(zé)受電弓控制電路的斷開或接通。

如圖5所示，實(shí)心黑點(diǎn)為設(shè)置故障點(diǎn)的位置，實(shí)心黑點(diǎn)兩端的線分別接在故障設(shè)置與恢復(fù)電路的繼電器接點(diǎn)兩端。

圖5 受電弓控制電路故障設(shè)置點(diǎn)

若需要在實(shí)心黑點(diǎn)位置設(shè)置故障，在軟件操作界面點(diǎn)擊設(shè)置，發(fā)送指令，串口將指令發(fā)給微控制器。微處理器控制電路板上的微型繼電器吸起，斷開常閉觸點(diǎn)，產(chǎn)生斷路故障；接通常閉觸點(diǎn)，產(chǎn)生短路故障。若需要恢復(fù)電路正常通路，上位機(jī)軟件點(diǎn)擊恢復(fù)，控制電路板上微型繼電器落下，則故障點(diǎn)消除，電路恢復(fù)正常。

微處理器模塊使用高性能、低功耗的STM32F103微處理器作為控制核心，通過串口RS485的通信方式與上位機(jī)連接[11]。接口程序的主要功能通過控件串行端口實(shí)現(xiàn)，串口接口設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 串口接口設(shè)計(jì)流程圖

故障設(shè)置與恢復(fù)繼電電路模塊主要由NPN型三極管2N2222、微型繼電器TEXTELL和光耦PC847A組成。STM32微處理器的I/O口通過電阻R1與光耦U1連接，Q1為繼電器驅(qū)動(dòng)三極管。

以設(shè)置單個(gè)斷路故障為例，如圖7所示，STM32微處理器I/O口輸出高電平，光耦U1導(dǎo)通，控制三極管Q1導(dǎo)通，繼電器吸起使受電弓的控制電路斷開，實(shí)現(xiàn)受電弓控制電路斷路故障的設(shè)置；當(dāng)學(xué)生在電路上檢查出故障的位置和故障類型，在上位機(jī)軟件界面點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)故障位置和操作，STM32微處理器輸出低電平，三極管Q1截止，繼電器閉合，電路恢復(fù)。

圖7 故障設(shè)置與恢復(fù)電路

2.3 狀態(tài)采集電路

電路采集升弓按鈕指令001、降弓按鈕指令002以及升弓繼電器狀態(tài)003，如圖8所示。該電路由光耦連接微處理器和受電弓控制電路的測(cè)試點(diǎn)組成。當(dāng)狀態(tài)電平輸出，驅(qū)動(dòng)光耦動(dòng)作，LED小燈亮，使得高電平輸入到微處理器對(duì)應(yīng)引腳，實(shí)現(xiàn)指令和狀態(tài)的采集。

圖8 狀態(tài)采集電路

3 結(jié)語(yǔ)

受電弓控制電路故障檢修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)能根據(jù)需求設(shè)置受電弓控制電路的斷路與短路故障，學(xué)生檢測(cè)出故障后在上位機(jī)進(jìn)行恢復(fù)，并能采集受電弓控制電路指令狀態(tài)，實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)故障的設(shè)置與恢復(fù)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在模擬故障時(shí)，僅需要在上位機(jī)操作并用萬(wàn)用表等工具測(cè)量就能完成實(shí)訓(xùn)的訓(xùn)練目的，在教學(xué)中能有效提高學(xué)生在繼電器電路維修中查找故障的水平以及恢復(fù)電路的速度。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可為軌道交通信號(hào)和控制等方向的課程提供實(shí)訓(xùn)幫助，也可擴(kuò)展到為城市軌道交通服務(wù)，幫助企業(yè)員工培訓(xùn)等。