[工学]毕业论文-黄翔.doc

毕业设计（论文）电力机车过分相装置的装车改造设计、安装与实验专业（系） 电气工程系电气自动化工业控制 班 级 工控091 学生姓名 黄翔 指导老师 周莹 完成日期 0湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书摘要 我国电气化铁路使用单相工频交流供电方式，为使电力系统三相负荷平衡和提高电网利用率，电气化铁道采用分段分相供电方式。目前我国大部分电力机车的过分相过程都通过手动操作实现，存在巨大的安全隐患，已经不能适应我国电气化铁路的发展需求，为此本文设计了铁路机车自动过分相装置。同时为达到铁路标准规定的可靠性要求，提高装置的稳定性，降低生产成本，本文对自动过分相装置进行了可靠性容差设计。本文根据车上自动控制断电方案，对自动过分相装置的软、硬件进行了设计。其中硬件方面，为降低装置成本，摒弃了传统方案中的埋点取信号方式，提出从机车监控装置 LKJ2000 以及全球卫星定位系统中获取过分相信息的方法；为提高装置可靠性，采用可编程控制器和混合继电器模块，完成对机车的操控。软件方面，分为微控制器程序设计和可编程控制器程序设计两部分。微控制器软件采用模块化程序设计方法，使用 C 语言编写代码；可编程控制器软件采用梯形图编写。自动过分相装置的工作地点较为特殊，其工作环境恶劣，对装置的可靠性和稳定性要求很高，需要对装置进行可靠性容差设计。为此，本文对传统容差设计方法进行了深入研究，将 EDA 技术、试验设计技术和回归分析技术引入到容差设计中，对传统容差设计方法进行了改进，提出了基于均匀试验的容差分配方法、基于应力-强度干涉模型的容差分析方法以及基于回归分析的容差分配方案选择方法，并通过实例分析验证了改进后的容差设计方法的有效性。利用改进后的容差设计方法，对铁路机车自动过分相装置进行可靠性容差设计。设计过程中给出了装置的关键元器件及其容差范围，并计算了装置各子模块的可靠度。最后通过耐环境试验以及电磁兼容性试验，对装置的稳定性和可靠性进行了验证。关键词 自动过分相；可靠性；容差设计摘要0第1章 自动过分相装置概述11.1前言11.2 装置的研究及现状2第2章 自动过分相装置的组成与设计62.1装置工作原理62.1.1 信息采集部分工作原理62.1.2 机车控制部分工作原理62.2装置改进方案82.2.1 技术指标82.2.2 总体方案设计8第3章 自动过分相装置的安装与使用103.1 装置使用说明103.2 机车检测系统113.3 自动过分相的检查程序123.4 装置安装要求133.4.1 定点设备133.4.2 信号接收设备133.4.3 车载控制设备13第4章 自动过分相装置的各部件改进方案144.1微控制器设计144.2通讯子模块设计154.3 GPS 辅助定位子模块174.4 语音处理子模块设计174.5 可编程控制器设计184.6混合继电器子模块设计194.7机车速度检测及控制子模块设计224.8网压检测及报警子模块设计23第5章 自动过分相装置的装车255.1车载装置简介255.2 车载控制装置的安装布线265.3车载装置与系统连接原理图（见附录二）26第6章 自动过分相装置的常见故障与处理276.1 日常维护276.2常见故障处理方法276.3 使用注意事项276.4 发展趋势总结、286.4.1 电力机车制动机的发展趋势286.4.2 电力机车动力控制系统发展趋势296.4.3 电力机车电器的发展趋势29致谢31参考文献32附录一：SS6B机车总原理图:33附录二：车载控制装置与系统连接原理图34湖南铁道职业技术学院毕业设计说明书第1章 自动过分相装置概述1.1前言在铁道电气化牵引区段，牵引供电网采用单相工频交流电供电方式。为使电力系统三相负荷平衡和提高电网的利用率，要求电气化铁路接触网分相供电，为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接触网上每隔20km一25km就有一长约30m的电分相区.传统的电力机车过分相技术是车上手动切换，即为了避免拖带电弧损坏供电设备，电力机车通过分相区时，司机必须按照线路上设置的断合标志进行操作。接近分相区时，先将机车操纵手柄回零，也称降流过程，再断开主断路器，通过分相区后，再以相反的顺序操作。这样受电弓是在无电流情况下进出分相区的，从而保证了受电弓和接触网的寿命。但这种手动操作通过分相区的主要问题是:一方面影响了行车速度，另一方面增加了司机的劳动强度，操作稍有疏忽就会拉电弧烧分相绝缘器。在准高速、高速线路上，机车每小时要通过十几个分相点，频繁通过分相区时，手动操作不仅耗费司机精力，增加劳动强度，而且过多地分散了司机行车的注意力，行车安全完全依赖于机车司机的注意力和技术水平，没有技术设备保障，对行车安全极为不利，稍有疏忽操作不当或了望不及时就会拉电弧烧分相绝缘器甚至造成断线，直接危及设备及行车安全。对高坡重载区段，手动过分相会引起列车大幅降速，延长咽喉区段的运行时间，降低线路运能。因此，传统的手动切换方式己无法适应我国电气化铁路的发展，尤其无法满足提速和高速电气化铁路的需要.所以必须考虑列车自动过分相的方案，及早取消司机的手动过分相操作。在这种情况下，大力发展自动过分相装置技术的迫切性就日益显现出来，它是摆在我们广大科技工作者面前的一个重要课题.近年来，我国电气化铁路自动过分相装置的研制和应用已得到了不同程度的进展，但在设计、施工、制造技术方面还有一些薄弱环节，还有待于我们去进一步努力开发川。1.2 装置的研究及现状目前世界上仅有少数国家研究和采用自动过分相装置，技术方案基本上有三种类型:“车上自动切换”、“柱上开关自动切换”、“地面开关自动切换”我国自八十年代就开始研究相分段自动切换装置，由于受当时设备功能的限制，直到1994年底，才在咸阳西建成第一套实用型相分段地面开关自动切换装里，次年开始运行试验.1998年11月我国第一个相分段自动切换所在宝成线观音山站建成并投入正式运行。但列车在通过分相区时有明显的冲动现象，且开关拒动现象时有发生，运行可靠性低，成本高，时常因运行异常而退出运行。随后兰州铁路局选择瑞士AF公司的思路，进行了柱上开关自动切换装置的研究和改进，取得了实用性的进展，但在实际运用中效果仍不理想。这种方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同的通过速度，再加上对过分相后的电流冲击未采取相应措施，因而未能实际投入使用。在以后的广深准高速铁路建设中，车上自动切换方式得到了应用。由于车上自动过分相装置设备简单、造价低，广铁集团公司于2001年推出了车上自动切换装置的最新成果。据了解，目前国内整区段采用机车自动过分相的只有广深线。但此系统也不令人非常满意，也有很多缺点，如:机车定位采用磁铁感应定位，如果磁铁发生丢失，失效等现象时，将直接影响到系统的正常运行，系统的可靠性不高。再如，在机车进入分相区前，此系统直接封锁晶闸管的触发脉冲，而没有设计降流过程，这样将直接影响到旅客长乘坐的舒适度，再者该系统也无法满足不同车速的机车通过分相区等等。下面对这3种方案进行介绍、分析和比较。1、地面开关自动切换方案这种方案国际上以日本为代表，解决了东海道新干线上高速列车自动过分相的难题。国内郑州铁路局西安科研所在咸阳附近对这种方案进行了研究和试验。这种方案的工作原理见图1。在接触网分相处嵌入一个中性段，其两端分别由绝缘器JYI、JYZ与二相接触网绝缘。2台真空负荷开关QFI、QFZ分别跨接在JYI、JYZ上，使接触网两相能通过它们向中性段供电。在线路边设置4台无绝缘轨道电路CGI一CG4作为机车位置传感器。无车通过时，2台真空负荷开关均断开，中性段无电。当机车从A相驶来达到CGI处时，真空负荷开关QFI闭合，中性段接触网由A相供电。待机车进入中性段、到CG3处时，QFI分断，QFZ随即迅速闭合，完成中性段的换向过程。由于此时中性段已由B相供电，机车可以在不用任何附加操纵、负荷基本不变的条件下通过相分段。待机车驶离C以处后，QFZ分断、装置回零。反向来车时，由控制系统自动识别，控制2台真空负荷开关以相反顺序轮流闭合，采用这种方法过分相，断电时间约为0.150.155。这种方案的优点是:接触网无供电死区，无须司机操作，机车上主断路器无须动作，自动换相时接触网中性段瞬间断电时间很短，且此时间与行车速度无关，可适用于0一350km/h速度范围，对行车中可能出现的限速、一度停车等情况均能正常工作。这种方案的缺点是:(1)、真空负荷开关带负荷分断，因而必须考虑在线备份及检修备份。(2)、中性段的长度难于确定。对于只有1个受电弓的列车或是双机重联、2台机车紧靠的列车，中性段的长度可以按双机长度来确定。对于双机重联，机车分布在首尾的列车或是多弓动力分散型列车，中性段要按整个列车长度来考虑。中性段的长度必须考虑本区段运行模式的多样性。(3)、过分相区后合闸时的电流冲击比较大，如果机车上不采取措施限制合闸冲击电流，有可能造成电机环火，同时列车冲动也使乘客难于忍受。解决合闸时的电流冲击，可在机车上采取措施，即机车上检测到连续60ms无网压时，把司机给定拉回到O，延时0.55，然后再重新启动机车。司机给定由0到最高值约延时6s。(4)、投资巨大，要建分区所，需要有一批管理和操作维护人员。初步估算其投资比第3种方案超出2个数量级，而且后续的管理维护费用相对也较大。该方案经过试验改进，现已经在线路上投入使用。2、上开关自动断电方案这种方案以瑞士AF公司为代表。国内福州铁路分局曾从瑞士AF公司引进了2组自动分相装置，装于鹰厦线永安机务段管区内。其工作原理见图2。A、B两组真空开关在正常状态下均处于分断位置。当电力机车运行至a-b之间时，A组开关装置线圈有电流通过，磁铁吸合，真空开关在1sms时间内闭合使c-d段有电。当电力机车运行至c-d之间时，A组开关的线圈中无电流通过，磁铁释放，15ms时间内A组真空开关断开，使d-e-f-g为无电区，机车惰行。当电力机车运行至g-h之间时，B组开关装置线圈有电流通过，同理B组真空开关闭合;当机车驶离i点后，B组开关线圈失电使B组开关断开，但此时该开关不起分断电流作用。这样A、B两组开关回到初始状态。这种方案的优点是:比第1种方案来得简单，无须设立分区所，相应投资要少些，供电死区（d-e-f-g或c-d-e-f)比现有的分相区来得短，无需司机操作，机车上的主断路器不需分断。这种方案的缺点是:(1)、真空开关带负荷分断，需要经常维护，由于是柱式安装，难于实现10既备份。(2)、该方案运行的可靠性与机车通过分相区时的速度有关，即通过速度必须在一定范围内。如果机车速度太低，机车尚未到达d点就过早地断电，靠惯性闯过供电死区时的速度损失很大，严重时甚至接近停车;如果机车速度太高，机车通过a-c段的时间太短，A组开关线圈得电时间太短，导致A组开关不能正常闭合。所以这种方案难于适应临时限速、一度停车等特殊情况。(3)、过分相后机车电流有很大的冲击，造成机车主断路器跳闸，如果机车上未采取措施，势必造成机车冲动，使乘客感到不舒适。这点与第1方案类似。(4)、试验中发现在靠近分相两端产生了一些明显的电弧。这主要是机车进入分相区犷c段时，由于真空开关线圈的接入，引起加到机车上的网压突降，产生了电弧.这是本方案不可克服的弊病。(5)、分相区中接触网分段比较多，接触网结构复杂。(6)、当机车向一个方向行驶时，A、B2组开关中只有一组开关动作是必要的，另一组开关动作是多余的。(7)、难于适应多弓运行的列车，一列车过分相会造成真空开关多次动作，且与弓的位置有关。(8)、存在着一定长度的供电死区，因而断电时间比第1种方案长，且与速度有关。这种方案由于其本身的缺陷，特别是难于适应不同的通过速度，再加上对过分相后的电流冲击未采取相应措施，因而未能实际投入使用。3、车上自动控制断电方案该方案的工作原理是在离分相区两端约60m处的线路上，左、右各埋1块磁铁，一个分相区只需要4块磁铁。机车头部靠近铁轨处左右各设l个感应器，当机车通过磁铁时，感应器就接收到信号，再由感应器向机车微机控制系统发送110V电平的预告信号.当机车得到过分相预告信号后，首先进行确认，然后封锁触发脉冲，延时断开主断路器，使机车惰行通过无电区。在通过无电区后，由机车自动检测网压从无到有的跳变并确认，再合主断路器，顺序启动辅机，然后限制电流上升率，启动机车。该方案中，除分相预告信号与地面设施有关外，其余一切操作都由机车自动完成，无需人工干预。广深线全线都采用这一方案自动过分相。该方案的优点是:(1)、投资最低，仅需解决过分相的预告信号问题。(2)、过分相区后能自动控制电流上升率，不会有冲击电流，对列车造成的冲动也比较小，提高了乘客的舒适度。(3)、过分相的自动控制与列车速度无关，可适应低速、常速、准高速和高速的要求。该方案的缺点是:机车上有一段时间是断电的，且断电时间比第1方案长，而断电时间的长短与通过速度有关，无法适应各种速度的机车通过分相区。机车过完分相、主断路器合后的情况，不论采用哪一方案都是相同的。电机电流上升到额定电流约需4s。相对于4s而言，第3方案比第1方案断电时间长的缺点，在高速时影响甚微，而在低速时影响比较明显。通过以上分析比较，认为:在准高速和高速线路上，采用车上自动控制断电方案结构最为简单，可靠性高，投资最小，工作可靠。在换相过程中，机车的启动电流及换相过程的过电压都非常小，弓网受流性能好，比较适合于我国的国情。第2章 自动过分相装置的组成与设计2.1装置工作原理自动过分相装置通过 CAN 总线从 LKJ2000 型监控装置过滤得到分相点信息，并结合 GPS 定位系统中的经、纬度信息对机车进行定位，利用 PLC 控制器以及混合继电器，实现对机车的自动过分相控制。2.1.1 信息采集部分工作原理我国车上自动控制断电过分相中，通常采用过分相点现场埋点的方法来获取分相点信息。为了给机车提供足够准确的控制信息, 需要在每一个分相点两侧事先埋下磁铁，这无疑是一项巨大工程。埋点方式虽经几经改进，但仍无法满足机车在不同速度下过分相的要求。本课题过分相预告信号的获取方法进行了改进，无需在地下埋设传感器，而是利用机车上既有的机车安全信息综合监测装置 LKJ2000 获取机车当前的速度和位置信息，综合线路上的分相点公里标，得到所需的分相点信息。该方案既节省了附加设备和费用又提高了机车过分相的自动化程度。LKJ2000 型监测装置是保证机车运行安全的监控设备，它能协助司机有效地防止部分事故的发生。它是在信号设备的发展及铁路大提速的形势下，在LKJ93 型机车运行监控记录装置的成功应用基础上，借鉴国外先进技术，并结合我国多年来监控装置的运行经验，研制而成的更新换代产品。在机车运行过程中, LKJ2000 监测装置周期性的向CAN总线上发送机车当前速度和公里标数据。自动过分相系统利用这些数据进行机车定位，最终实现自动过分相的过程。另外，为了提高自动过分相过程的可靠性，本装置增加了GPS辅助定位装置，当由于通讯故障或其它故障过分相装置无法从LKJ2000 得到机车过分相信息时，GPS辅助定位模块可以根据机车当前的经纬度信息得出机车当前公里标保证自动过分相的顺利进行。2.1.2 机车控制部分工作原理图 2-6 为机车自动过分相工作原理示意图。在铁路术语中，定义各地机车向北京方向行驶为“上行”，背离北京方向行驶为“下行”。上行时机车实时公里标数据是递减的，下行时实时公里标数据是递增的，机车公里标的计算必须结合机车上下行状态才能得到正确结果。假设机车目前处于上行线路上。C点为铁路线上挂有“断”标识的位置点，机车必须在此点之前完成过分相操作，即断开机车主断路器操作，否则机车受电弓将带电冲进无电区造成拉电弧烧损分相绝缘器事故；A、B位置点是自动过分相装置根据机车实时公里标和速度经过计算得出的位置点，在这些位置点处自动过分相须进行预定的相应操作。图中SAB由式(2-1)计算得出，SBC由式(2-2)计算得出。 SAB=vAtAB （2-1） SBC=vAtBC （2-2） tAB=t归零+t断辅助+t断主断+t断劈相机+tAB预 （2-3） tBC=t断主断+t降受电弓+tBC预 （2-4）式中 VA机车在A点的速度，单位：m/s；tAB机车完成过分相切断操作需要的时间，单位：s；tBC机车完成断主断和降受电弓所需时间，单位：s。图中C点对应的公里标信息预先存储在自动过分相装置中，设其公里标为C0，设机车当前公里标信息是l，速度是Vo在公式(2-3)、(2-4)中时间参量tAB 、tBC需根据机车的过分相操纵机构特性来选定。如果式(2-5)中J1结果小于 0，说明机车运行到达A点，此时自动过分相装置进行过分相操作。机车继续运行，如果式 (2-6)中J2结果小于 0，说明机车运行到达B点，此时自动过分相装置将检测机车主断路器状态。如果机车主断路器断开，机车继续运行；如果主断路器没有断开，装置马上执行强制断开主断路器操作。如果再检测到主断路器没有断开则执行降受电弓操作，以避免机车受电弓带电进入无电区。机车继续运行通过电分相区至D点时，受电弓重新带电，系统检测到网压跳变时，依次闭合主断路器、劈相机和辅助电机。E点表示此次自动过分相操作完成，自动过分相系统将准备下一次过分相操作。机车下行的操作过程与上行类似。 J1=(l-C0)-v（tAB+tBC） （2-5） J2=（l-C0）-vtBC （2-6）不同的机车交路有时会出现相同的公里标，为了防止过分相操作判断错误，在判断是否进入有效操作距离后，加上了一个附加条件：车站号。即车站号和进入有效操作距离两个条件同时满足时才允许进行过分相操作。2.2装置改进方案2.2.1 技术指标根据 2002 年铁道部颁布的铁道标准及相应国标的规定，铁路机车自动过分相装置的相关技术指标如下：(1) 工作电压：使用标准车载电压 DC110V 电源，波动范围 DC77VDC132V；(2) 工作温度：机车内部工作温度-4080；(3) 主回路电流：机车信号电流不大于 5A，要求保证 4 倍额定过电流的余量，即要求主回路能够承受 20A 电流；(4) 电磁兼容性要求：符合铁标 TB/T3034 与国标 GB/T17626 相关标准；(5) 可靠度要求：0.9998。2.2.2 总体方案设计依据自动过分相的工作原理，本课题针对 SS4 改型电力机车制定了自动过分相装置的总体方案。整个自动过分相硬件装置划分为微控制器功能模块和可编程控制器功能模块两部分。微控制器功能模块完成通讯、数据处理、语音报警等功能；可编程控制器功能模块完成数据处理、机车控制操作以及状态检测等功能。软件部分亦包括两个方面的内容：微控制器软件和可编程控制器软件。微控制器软件采用模块化程序设计方法，使用 C 语言编写代码；可编程控制器软件采用梯形图编写。图 2-7 为自动过分相装置的原理框图。图中虚线内所示即为自动过分相装置各部份结构框图。微控制器通过 CAN总线从 LKJ2000 型监控装置读取机车公里标数据，通过 RS232 从 GPS 辅助定位模块中读取机车的经、纬度信息，然后将这些信息与可编程控制器共享。过分相操作时，由微控制器和可编程控制器同时进行过分相位置的判断，如果两者判断需要进行过分相动作，则由可编程控制器功能模块根据 SS4 改型机车的电气原理来执行相应操作。本文设计的自动过分相装置采用模块化设计思想，装置总体分为微控制器和可编程控制器两个模块，各模块又跟据功能不同划分为多个子模块，具体划分如下。微控制器模块完成数据通讯、数据处理与语音报警等功能，其下又分为通讯子模块、GPS辅助定位子模块以及语音处理子模块三部分。通讯子模块包括两部分：(1) 与LKJ2000 型监控装置的基于CAN总线的通讯。LKJ2000 型监控装置周期性的向该设备的CAN总线上发送机车当前速度和公里标数据，通讯子模块通过CAN总线获知这些信息；(2) 与PLC的基于RS485串口总线的通讯。RS485总线基于差分信号传输模式，最大传输距离可达 1200m，最大传输速率达2.5Mbps，能够很好的满足本装置的需求。GPS模块负责机车的辅助定位作用，它与微处理器单元使用RS232 通讯。语音处理子模块的主要功能是实现装置的语音提示，包括语音的录放音控制，音量调节等。可编程控制器模块主要完成数据处理、机车控制、状态检测以及报警等功能。该模块包括混合继电器子模块、机车速度检测及控制子模块、网压检测以及报警子模块三部分。混合继电器子模块用来实现对机车的控制，包括对主断路器、劈相机、辅助电机以及其他相关器件的控制。速度检测及控制子模块用于自动过分相过程中对机车速度的自动控制。网压检测及报警子模块用于接触网分相点的检测以及故障报警等功能。第3章 自动过分相装置的安装与使用3.1 装置使用说明自动过分相装置原理接线图如图2一l。正常时由两个四跨绝缘锚段关节及其间的中性段组成电分相，QFI、QFZ处于分闸位置，QF3处于合闸位置，QS4处于合闸位置，QSS处于分闸位置，中性段不带电。当有电力机车驶过电分相时，假设机车由传感器1向传感器3方向行驶，其首先到达传感器1位置，检测到机车位置信号后，控制系统发命令在电力机车进入四跨绝缘锚段关节前合上QFI，使中性段带上A相电压;当机车驶入中性段到达传感器2位置时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开QFI同时用QFI的位置反馈信号触发QFZ合闸，使中性段带上B相电压;当机车驶出中性段到达传感器3时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开QFZ，实现电力机车在过分相时的不停电通过，并等待下一列车到来。当机车由传感器3向传感器卜方向行驶，其首先到达传感器3位置，检测到机车位置信号后，控制系统发命令在电力机车进入四跨绝缘锚段关节前合上QFZ，使中性段带上B相电压;当机车驶入中性段到达传感器2位置时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开QFZ同时经过短时延时后合上时QFI，使中性段带上A相电压;当机车驶出中性段到达传感器1时，检测到机车位置信号后，控制系统发命令分开QFI，完成一次机车不停电过分相。在所有的断路器(QFI、QFZ)合闸操作中，开关的合闸均在待合相电压过零点时合闸，可有效的抑制过电压。当自动过分相装置故障时，控制系统将自动切换至人工过分相状态，控制系统将打开QS4、合上QSS，使得无电区缩短，并同时将可变“合”、“分”标志点亮，此时机车可按一般过电分相的程序断电通过。当发生传感器信号丢失时，控制系统首先进行故障处理、完成本次机车自动过分相并报警、恢复人工过分相，然后检测系统硬件是否良好，若下一列车运行良好则认为是偶然丢失，否则维持人工过分相状态。当发生断路器故障时，若产生两相短路故障，控制系统在检测到两电流互感器(TAI、TAZ)同时有电流时，分断真空断路器QF3。3.2 机车检测系统机车检测系统是自动过分相装置的信息传感系统，其功能和工作原理如下:电子标签存储电力机车的信息(车型、车号等)并安装于机车底部的前后位置，传感器分别安装于自动过分相段的两端和中部的股道中间，如图所示。当机车到达传感器位置时传感器接收到电子标签的机车信息，通过信息处理单元对标签信息进行识别，当确认为电力机车时，将控制信号送给逻辑控制单元，由逻辑控制单元控制触发继电器(Gl、G2、G3、G4)的工作状态，然后通过一定的编码形式传输给控制系统。机车检测系统的工作过程说明如下:当自动分相区没有电力机车通过时，各触发继电器的工作状态为:Gl、GZ为断开状态，G3、G4为吸合状态。假设由传感器A到传感器C的方向为正方向。当有机车到达A传感器位置，A传感器检测到机车信息，信息处理单元A将控制信号送给逻辑控制单元，逻辑控制电路使G1触发继电器吸合，GZ触发继电器保持断开，G3触发继电器断开，G4触发继电器保持吸合。当机车到达B传感器位置时，B传感器检测到机车信息，信息处理单元B将控制信号送给逻辑控制单元，逻辑控制单元使GZ触发继电器吸起，G1触发继电器断开。当机车到达C传感器位置时，C传感器检测到机车信息，信息处理单元C将控制信号送到逻辑控制单元，逻辑控制单元使GZ触发继电器断开，G3触发继电器吸合。当列车反向运行时，则反向重复上面的过程。当两个或三个电力机车同时位于编组的前部时，传感器根据通过机车数量向逻辑控制单元输出相应的控制信号，由于机车信号同时只来自一个传感器，因此逻辑控制单元只向继电器发出一个状态控制信号，其过程与一个机车牵引的过程一样。当一台机车位于列车的前部，另一台机车位于列车的尾部时，如果前部机车全部通过自动分相区，尾部机车才进入自动分相区时，其工作过程与一个机车通过自动分相区的过程一样。当前部机车通过分相区中部而没有通过分相区尾部的C传感器位置时，尾部机车已经进入分相区的A传感器位置时，逻辑控制单元将把尾部机车的信号封掉，只以前部机车信息作为控制信号。因此在列车编组中，不允许距前部第一台机车尾部70m至30Om之内的机车张弓通过。3.3 自动过分相的检查程序1、 车下部件检查测试1.1打开车下部自动过分相装置信号接收器部件的地板，并对其进行清理。1.2外观检查各感应接收器配件齐全、紧固良好。1.3清理感应接收器外部，做到外观整洁，接受效果良好。1.4 外观检查各感应接收器及安装支架、信号处理器的紧固状况，各紧固件安装螺栓不得松动、断裂。1.5 相关连接电缆无断裂、破损，街头连接紧固状况良好，电缆线固定卡紧良好。1.6测量感应接收器底面中心距钢轨面的高度满足测量感应接收器底面中心距钢轨中心满足1.7 安装裙板和地板车下各地板和裙板安装紧固、无松动。安装力矩为25N.M,安装前注意安装螺栓组成技术状态，丝扣良好，钢垫无并口，平垫无变形开裂。2、车上信号处理器检查测试2.1打开车自动过分相装置信号处理器安装箱2.2在该信号处理器不使用的状态下，关闭电源开关。2.3外观检查信号处理器紧固良好，各紧固件安装螺栓无松动。2.4将信号处理器后部内侧的连接插头X松开（拆下时注意位置方向，并轻拿轻放，防止插针受损）。2.5用万用表分别测量其插孔1和2、3和4、6和7以及19和20之间的直流电阻，观测其电阻值是否在正常范围（550650欧姆）内。2.6检查完毕后，恢复X接插头，确认安装状态良好。2.7接通DC100v电源，检查信号处理器的指示灯和开关是否能正常工作3.4 装置安装要求3.4.1 定点设备定点设备安装于接触网或轨道时，应保证不易损坏、不易丢失、易于施工，安装位置符合GB146.2-1983 中对各种建筑物的限界要求。 设备安装后不能干扰其它设备的工作。3.4.2 信号接收设备设备安装于机车下部时，应符合 GB/T 16904.5-1997 的要求。 设备安装于机车上部时，应符合 GB/T 16904.3-1997 的要求。 设备安装时应确保稳定、牢固、易于更换，安装位置不能妨碍和干扰其它设备。3.4.3 车载控制设备车载控制设备应安装在能防止风、霜、雨、雪直接侵袭的车体内。第4章 自动过分相装置的各部件改进方案4.1 微控制器设计微控制器采用PHILIPS公司的LPC2119 单片机芯片。这是一款基于支持实时仿真和跟踪的 16/32 位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并带有 128kB嵌入的高速片内Flash存储器。该型号单片机具有较小的 64 脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、4 路 10 位ADC以及 9 个外部中断，特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和POS机等场合。由于内置了宽范围的串行通信接口，它非常适用于自动过分相装置在工业环境下的通讯控制。根据微控制器 LPC2119 的上述特性，设计微控制器外围电路如图所示。其中(a)图所示是微控制器电源电路，LPC2119 单片机芯片需双电源供电，分别为 1.8V 和 3.3V。为提高电路可靠性，在变压之前，采用 DC-DC 电源隔离模块与外部电源隔离，并接入去耦电容和平波电容。(b)图所示是微控制器复位、时钟以及 JTAG 电路。由于该型号单片机芯片高速、低功耗以及低工作电压等特点，导致其噪声容限较低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面提出了更高的要求。为此，本次设计的复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片 SP708S，以提高装置的可靠性。本模块适用外部晶振，频率为 11.0592MHz，调试接口采用 ARM 公司提出的标准 20 脚 JTAG仿真调试接口。4.2通讯子模块设计通讯模块完成微控制器与 LKJ2000 型监控装置、GPS 辅助定位子模块以及可编程控制器的通讯功能。微控制器与LKJ2000 型监控装置之间的通讯采用CAN(Controller AreaNetwork)总线。CAN总线采用串行数据通信协议，是一种多主总线，具有较强的纠错能力，支持差分收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离，是广泛应用的一种现场总线。本装置与LKJ2000 型监控装置通讯使用CAN总线是为了提高装置的抗干扰能力及可靠性。微控制器 LPC2119 内集成 2 路 CAN 控制器，并带有验收滤波器，简化了CAN 通讯模块的硬件和软件设计。如图 3-2 所示，是 CAN 总线接口电路图。CTM1050 是一款带隔离的高速 CAN 收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的 CAN 隔离及 CAN 收发器件。该芯片的主要功能是将 CAN 控制器的逻辑电平转换为 CAN 总线的差分电平并且具有 DC2500V 的隔离功能及 ESD 保护作用。该芯片符合 ISO11898 标准，因此它可以和其他遵从 ISO11898 标准的 CAN收发器产品互操作。微控制器与 GPS 辅助定位子模块之间的通讯使用 RS232 串口总线。RS232是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。RS232 串行接口总线的通讯距离不大于 15m，传输速率最大为 20kBps。本装置的 RS32接口电路采用 MAX232 芯片，如图 3-3 所示。微控制器与可编程控制器之间的通讯使用 RS485 串口总线。RS485 总线标准是美国电气工业联合会(EIA)制定的利用平衡双绞线作传输线的多点通讯标准。它采用差分信号进行传输，最大传输距离可以达到 1200m，接收器最小灵敏度可以达到200mV，最大传输速率可达 2.5Mbps。本装置使用的 RS485 收发器是 Sipex 公司的 SP3485EN 芯片，如图 3-3 所示。4.3 GPS 辅助定位子模块自动过分相装置应用于环境比较复杂的电力机车上，可靠性是首要考虑的因素。机车运行中的实时位置信息是判断机车是否进行过分相操作的前提条件，如果机车运行中自动过分相装置未收到 LKJ2000 型监控装置的公里标和速度数据，或者监控装置中的数据误差较大，自动过分相装置将不能根据这些信息进行正确的过分相操作。为了应对这种情况，本装置设计了 GPS 辅助定位子模块，该模块能实时的将机车当前的经、纬度信息发送给微控制器，经过数据处理，微控制器能够将这些经、纬度信息转换为公里标数据。当监控装置数据不可靠时，自动过分相装置可以根据 GPS 信息进行正确的过分相判断，从而提高装置的可靠性。本装置的 GPS 辅助定位子模块采用 GARMIN 的 12 通道 GPS15L 接收机。该型号接收机能够同时跟踪多达 12 颗 GPS 卫星，从而能够实现快速定位。该型号接收机功耗非常小，数据更新率为每秒一次，其性能完全能够满足陆地导航的灵敏度需求。在设计上，该 GPS 接收机使用了最新的科技和高水平的电路集成技术，在达到高性能的同时减小了体积和功耗。其中全部的重要元器件，包括 RF/IF 接收机硬件和数字基带部分，都是由 GARMIN 设计和生产的，以保证其质量和性能。除 GPS 接收机外，该子模块还要包括外部电源和 GPS 天线。微控制器与 GPS 接收机的通讯通过 RS232 串行口实现。自动过分相装置主要从GPS 模块中接收机车运行的经、纬度信息，速度信息以及时间日期信息等。4.4 语音处理子模块设计语音处理子模块的主要功能是实现装置的语音提示，包括语音的录放音控制，音量调节，功率放大等部分。该模块主要采用 ISD4004-16 语音芯片。该芯片的工作电压是 3V，单片录放时间8至16分钟，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。芯片所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口(SPI)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存 100 年(典型值)，可反复录音 10 万次。语音功率放大电路选用 TDA2003 功率放大器，电路图如图 3-4 所示。该芯片电流处理能力强，谐波失真和交越失真小，各引脚都有交、直流保护电路，使用安全，负载电压最大可达 40V。由于功放芯片长时间上电会出现发热现象，所以在电源端加入控制电路，由单片机 I/O 引脚控制，在需要语音播放时才对芯片供电。4.5 可编程控制器设计可编程控制器，即 PLC(Programmable Logic Controller)，广泛地应用于工业控制领域。它通过用户存储的应用程序来控制生产过程，具有可靠性高、稳定性和实时处理能力强的优点。可编程序控制器是把计算机技术与继电器控制技术有机结合起来，为工业自动化提供的几乎完美的现代化自动控制装置。本课题从功能需求、可靠性、价格等方面考虑，主要选用台达公司的 DVP-SS系列小型 PLC 产品，采用不同功能模块级联的方式，实现主 CPU 对各数字 I/O单元以及模拟 I/O 单元的控制。该系列 PLC 提供 1432 点数的主机及 832 点扩充机，最大输入/输出扩展可达 128 点。另外提供 I/O 点数、电源、输出模块及A/D、D/A 转换模块等各类扩展机型，满足各种应用场合。自动过分相装置选用的 PLC 单元包括：DVP14SS11R2、DVP06XA-S、DVP08SN11R、DVP08SM11N。DVP14SS11R2 可编程序控制器是 14 点数的 CPU 主机，包括 8 个输入点，6 个输出点；该主机还可以外挂 816 点 I/O 模块，以及模拟、温度等扩展单元；该主机电源单元与主机体分离，具有体积小，安装容易等优点。DVP06XA-S 是 6点数 A/D 模拟扩展单元，包括 4 点模拟输入，2 点模拟输出，电压电流均可； DVP08SN11R 和 DVP08SM11N 是数字 I/O 点扩展单元。PLC 模块从微控制器处获得机车运行的当前位置、速度以及下一个分相点的公里标信息，通过数据处理判断机车是否到达分相区。若到达分相区，则使用数字和模拟 I/O 控制混合继电器以及调速电路执行调速、断开主断路器、断开劈相机、断开辅助电机等操作；待机车不带电通过分相区以后再依次闭合主断路器、劈相机和辅助电机，完成过分相操作。4.6混合继电器子模块设计控制机车进行过分相动作需要对机车电路进行操控，在保证装置可靠性的前提下，为降低装置成本，对机车电路的控制采用 OMRON 公司的 JQX-13F 型28V/5A 继电器。机车控制信号的额定电压为 110V，4 倍额定过电流瞬时能够达到 10A 以上，所以采用该型号继电器属于超额设计。继电器的容量主要受机械触点通断电弧的影响，若触点通断时无电弧产生，则该继电器能够承受上述的负载。为此，该控制继电器采用混合式继电器结构。本课题设计了混合式继电器的灭弧控制，隔离和驱动电路，实现了继电器在 110V/10A 下的无弧通断。首先需要了解一下混合继电器的工作以及灭弧原理。本装置中的混合继电器依据铁路机车的使用环境，采用电力电子器件，由逻辑电路控制，实现了在给定条件下的无弧通断。由继电器的吸合特性和释放特性可知，从控制线圈上电到机械触点开始动作，这段过程存在一定的延时(即吸合延时时间，掉电时也存在一定的延时，称为释放延时时间)，而电弧的产生是在机械触点闭合和断开的转化瞬间。选择合适的电力电子器件作为电子开关(电力电子器件通断的延时一般是微秒甚至是纳秒级的)，与机械开关并联，在吸合与释放的这两段时间内先导通电子开关，大部分的电流迅速通过电子开关，经过机械开关固有的延时达到完全闭合或断开之后，再关闭电子开关，这就是混合继电器的总体设计原理。其总体设计框图如图 3-5 所示。电子开关和继电器机械开关配合动作的实现是严格按照各个逻辑环节的时序配合顺序完成的。各环节的时序控制逻辑模型如图 3-6 所示。以继电器线圈上电作为动作信号，控制单元输出高电平，电子开关导通，导通开始时间与线圈上电时间同步；继电器机械触点闭合后，控制单元输出低电平，电子开关关断，导通结束时间t1必须大于吸合时间tc1。同理，继电器线圈断电时，电子开关的导通结束时间t2必须大于释放时间tcu。整个混合模块由电子控制单元和执行单元两部分组成。前者检测动作时序，并提供触发控制脉冲，后者接受触发控制，并产生快速动作响应。执行单元是电子开关和继电器机械开关并联结构，这个部分基本上就是连线的问题，连接成可靠的并联部分即可。其中，电力开关采用的功率 MOSFET 器件是 IXYS 公司生产的 IXFE80N20，其额定电压为 200V，额定电流 80A。电子控制单元的主要作用是对执行单元中的电子开关进行定时触发控制，该单元是混合继电器设计的关键，细分为四个部分：电平检测电路，控制信号触发电路，隔离电路以及驱动电路。(1) 电平检测电路 用来检测继电器线圈闭合和断开时的起始和结束边沿信号，传输到逻辑控制部分，发生逻辑触发信号，从而实现对 MOSFET 的导通和关断的控制。继电器的线圈电压为直流 24V，而逻辑控制电路中需要的电压为 12V。必须通过降压来实现，同时必须保证整个转换电路没有延时，而且需要保证边沿基本上是垂直的变化；另一方面，此电平信号，又是触发信号和芯片供电的能量，需要足够的电流达到正常工作的功率。但又不能很大，否则会在检测电路上损耗很大的能量，带来发热，甚至发生电磁干扰。具体电路采用15V 稳压二级管分压，输出的电压加到 LM7812 转换为 12V。具体元器件参数需要计算和试验校正，直到最佳。(2) 控制信号触发电路 设计这部分的电路，主要是根据继电器吸合延时时间和释放延时时间较长、分散性较大等特性。通过电平脉冲来触发 MOSFET 预先导通一段的时间，待继电器机械触点完全闭合/断开后再关断。为确保电子开关的可靠完成深度分流，MOSFET 导通时间要大于继电器的吸合延时时间与释放延时时间。同时，考虑到运行时间延长后因发热而导致的性能下降，所以需要尽量减少 MOSFET 上的损耗。综合考虑上述两个因素，应尽可能的设计MOSFET 导通的时间合理，以致最佳配合。设计数模混合电路的控制方式，利用 RC 充放电延时电路来确定 MOSFET 的导通时间，再与逻辑门电路配合，完成高低电平的转换。由于门电路在电平分辨上有一个阈值电压，所以使用电平触发控制方案，易于实现闭合定时回路的时间控制，时间精确度较高。图 3-7 为电平检测以及控制信号触发电路原理图，其中电路主要由闭合导通电路、断开导通电路以及掉电储能电路三部分组成。“PLC信号”表示PLC数字接口给出的 24V电平触发信号，用来控制继电器动作。R28和C17构成上电导通电路，控制闭合时MOSFET导通结束时间t1 ；R30，C18组成线圈掉电导通电路，控制断开时MOSFET导通结束时间t2；二极管的作用是为隔离开关信号；核心数字芯片CD4001 是四路两输入或非门，配合模拟RC电路，用以分别产生上电导通电平和掉电导通电平信号；470uF的钽电容是储能电路的核心部件，其作用是在上电时充电，掉电时供给CD4001 芯片工作电压及输出的电流功率。输出端把信号传递给隔离电路，用以控制电子开关触发动作。 (3) 隔离电路与驱动电路 安全隔离模块采用 TLP191 光伏集成电路，该模块最大输入电流 13 毫安，输出电流 50 微安。根据 MOSFET 的驱动电压，需采用两路光伏的串联使用方法，才能保证足够的输出电压来触发驱动 MOSFET 达到最佳饱和工作状态。经过光伏隔离后输出的电流可以直接驱动所选的MOSFET。隔离与驱动电路原理图如图 3-8 所示。图中“control”信号是经过控制信号触发电路传递过来的电子开关触发信号，Q6为快速关断三极管(PNP型)，它的作用是加速关断，释放电荷，这样可以实现MOSFET关断延时时间最短。4.7机车速度检测及控制子模块设计电力机车进行自动过分相前，需完成机车减速的过程，这是通过逐渐降低牵引电机电流来实现的。手动过分相时，司机通过调节司机控制器上的调速手轮来实现机车减速。在