（电力系统及其自动化专业论文）受电弓—受流靴受流方式转换系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a - b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht l l er 印i dd c v c l o p m e n t0 fu r b 柚m a s st m s i t ，s u b w a y1 0 c o m o t i v e a d o p t sv a r i o u sc u r r e n tc o l l e c t i o m o d e ，c v e i 0 n ec i t yd j 纸r c n tc i l r r c n t l l c c t j o n m o d e se x i s t s d i f f 打e n tc i l 玎c n tc o l l c c t i o nm o d e sh a v ed i f f e r e n t 印p l i e dr e s p e c t s ， w h i l eo v e t h e a dc o n t a c tl i n es y s t e ma d o p t c di nv e h i d es e c t i o nh a v cs a f c t yp r i v i l e g c o v e rc o n d u c tr a j l ，i nt h et l l e lc o n t a c tr a i lp d w c rs u p p l ym o d es h o w s0 b v i o u s a d v a n t a g e si l ll o wc o n s t n l c t i o nc o s t ，c n v i f o n m e n tc o n s e r v a t i o n 。l e s sm a i n t e n a l l c e w h c nt l l e 咖p o w c rs u p p l ym o d e ，o v e r h e a dc o n t a d1 i n es y s t e ma i l d n t a c tm i l e x j s to nt h es a m e1 i n e ，t h el e c h n i c 函p r 曲1 e mw h ic ：hh a s ob es o l v e di st h e c 0 一e x i s t a n c e 锄di l l t c r c h a n g co fs e v e r a lc i l r r e n t 1 1 e c t i o n a f t e rg i v j n ga c o m p r e h e n s i v ei i l t r o d u c t i o no ft h ep r e s e n ts t a t eo ft h e i n t e r c h a n g em e t h o d sb e t w e c nc o n t a c tr a ：i la n dp a n t o g r a p h0 fb o t hh o m ea n da b m a d ， t h ep a p e rp r e s e m st h co v e r a 儿s c h e m ao ft h es y s t e mw h i c hc o n c c n 仃a t e so nh o wt o i t e r c h a n g cb e 柳e e n 呐od i f f e r e n tc u c tc o l l e c t i o nm o d 髂w i t h o u tt u m i n go 任t h c p 0 、张ro rb r e a l ( i n gt h el o c o m o t i v e a n dt h e nt h ew h o l es y s t 锄i sd e s i 弘e da 1 1 d a n a l y z e d h lt h i ss y s t c mn e w t y p co f 粤0 u n ds c i l s o ra sw e l la st h er c c e i v i n gd e v i c cf o ri t a r ca d o p t e d ，a n dr e “n d a i l td e s i 印i sc o l l s i d e r e di no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b i l i t vo f w h e r et o i n t e r c h a g e p i c a st h ec e n t r a lc o n t r 0 1 1 c ro fs y s t c m 妇p r o v e st 1 1 e r e l i a b i l i t ya n da l l t i - i n t c r f e r e n c 印a c i t y0 ft h es y s t e m t h ep 印c rp r e s e n t sa ni d ls c h c m af o rs o l v i n gt h cp f o b l 锄o fi n t e r c h a l l g i n g b e m e e np a n t o 铲a p ha i l dc o l l e c t i o ns h o e s ，w h i c hh a sp o s i t i v ci n n u e n c et oo u i c d u n t r y sm e t r 0c o n s t m c t i o ni ni m p v i n gt h ee 伍c i e n c ya n ds a f e t yo fm e t r 0 o d e r a t j o n k e yw b r d s ：s u b w a y ；c u i r c n tc o l l c c t i o n ；i n t e r c h a i l g e ；f c s e a r c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究的背景及其意义 1 9 9 8 年以来，我国大城市的轨道交通正逐渐进入个建设高峰时期，全国 已有3 0 多个城市计划或正在修建城市轨道交通。城市轨道交通建设中的一个重 要问题就是采取哪一种供电制式。目前主要有架空接触网和第三轨两种方式。 理论上，两者方式都适用；而在不设专用车道的系统中，出于安全等因素，应 优先考虑采用架空接触网方式，但是考虑到架空式接触网需要架设支柱、安装 腕臂和软硬横跨等，影响市容，有碍观瞻1 1 】f 2 1 。而第三轨供电，接触轨位置低， 没有明显的高大部件( 如立柱、横向承力索、横跨等) ，对城市景观影响小，对 电磁污染较易采取防护措施，并且第三轨占用净空小、投资小、维修工作量少， 这也是工程中所考虑的重要因素m 1 。 架空接触网供电方式和第三轨供电方式都有其各自优势和弱点。如果同一 线路的列车既能从架空接触网受流，又能从第三轨受流，只要在对应区段采用 其相适应的受流方式，既可扬长避短，又能将各自的优势发挥得最好。如在隧 道内、地面正线、地面高架线路采用第三轨受流，而在车辆段采用架空接触网 受流。这样既发挥了两种受流方式的优势，又克服了各自的缺点阿阿。 1 2 国内外地铁弓一靴受流转换方式及存在的问题 从1 9 9 2 年通过海底隧道连接英国和法国之间的“欧洲之星”开通到现在， 弓一靴受流转换方式的技术在国外已经有十余年的发展历程；而在中国，这项 技术却刚刚起步。下面就针对国内外已采用这种技术的系统来分析它们的优点 及不足之处。 1 “欧洲之星”高速列车。 欧洲之星高速列车从1 9 9 4 年起通过英吉利海峡海底隧道把三国( 英国、法 国和比利时) 首都伦敦、巴黎和布鲁塞尔连接起来。在英国伦敦市区，受隧 道净空等工程条件的限制，在直流7 5 0v 下，由受流靴从第三轨上受流运行。 在法国和海底隧道：列车受电弓从单相交流2 5k v5 0h z 的接触网上受流。在 比利时：在3 k v 直流电网下运行l 删。 在英国境内，列车进入海底隧道前，由司机手动进行受流转换，列车由受 流靴从第三轨受流改变为由受电弓从接触网受流；在比利时境内，列车也是由 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 受电弓从接触网上受流。 2 德国s a a r b m c c k e n 市新建的轻辘交通系统列车。 该市周边地区有若干条大铁路线路可供轻轨交通车辆运转使用，此时列车 由受电弓从接触网由受流；而在市区内，轻轨车辆由受流靴从第三轨上受流。 当列车进入大铁路线路和第三轨的过渡段时，列车停靠站台，由司机手动 进行受流方式转换。 3 希腊雅典市在新建的机场延伸线路上采用双制式列车。 a t t i k o 地铁将从韩国h a n wa hr o t 锄联合体接收2 1 列6 辆编组列车，其 中7 列将安装双制式电压设备，以便能在现有遂道的d c 7 5 0v 第三轨受流的电 气化线路上和通往e l e 舳e d o sv c n i z c l o s 机场的2 5k v 5 0 供电的电气化线路上 运行。 当列车当从市内的遂道线路驶向机场线路时，在过渡段由列车司机升起受 电弓，牧回受流靴，手动完成受流方式的转换。 4 荷兰鹿特丹城轨列车。 荷兰鹿特丹市在采用轻轨交通系统对有轨电车线路进行现代化改造并将市 内一些有轨电车主于线路改成她铁线路对，采用了普通铁道车辆，此种车辆的 受流器在地下地铁线网内通过第三轨受流，而在轻轨交通系统的地面线路上则 采用受电弓通过架空接触网受流。 在地铁线路上和轻轨交通的隧道区段线路上驶出的列车在到达第一个轻轨 交通系统地面车站后，列车司机将列车受流方式由受流器受流转换成受电弓受 流l 目【9 l i l 0 1 。 5 广州地铁4 号线列车。 列车在区间从第三轨受流，而在车辆段则从架空式接触网受流。在过渡段 转换时，由列车司机进行人工操作，并且列车内部主电路断电，这对列车内部 的逆变器、空调机组等的产生很大的影响【1 1 】。 以上各种转换系统，都是在列车停靠站台时，由司机进行手动转换，在此 转换时间，由于手动操作比较多，也就会引起误操作。除“欧洲之星”高速列车 转换系统外，其它列车的转换系统都是基于停电方式来完成受流方式的转换， 这对列车内部电气设备有一定的危害。 1 3 本论文的主要研究内容 通过对国内外列车受流转换方式的深入研究后，针对广州地铁4 号线的实 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 际情况，本论文提出了一种基于p l c 的弓一靴受流方式自动转换系统。该系统 的主要作用是在列车进入过渡段，当安装在机车转向架的感应信号接收器接收 到地面感应器的信号时，通过启动自动转换系统实现弓一靴受流方式转换。利 用这套系统既可避免列车主电路的失电，又可避免司机手动误操作。 本文主要研究内容包括四个部分： 第一部分：通过研究受流器工作原理，确定了自动转换系统的总体结构， 并给出了相应部分的设计方案。 第二部分：针对自动转换系统的总体结构和功能要求，选择了合适的p l c ， 完成了各单元的硬件电路设计，对p i _ c 的i ，o 口分配给予了说明。 第三部分：完成了自动转换系统的软件设计。 第四部分：完成了自动转换系统的抗干扰设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章受流方式转换系统的构成 广州地铁4 号线直线电机车辆同时具备d c l 5 0 0 v 第三轨和架空接触网两 种受流方式。线路大部分为高架，为了满足高架桥景观的要求区间上采用了 第三轨供电方案，4 辆编组的列车在每节车辆的两侧各设有1 个受流靴。在车 辆段，为了保证段内工作人员的安全，避免受到第三轨d c l 5 0 0 v 电压的危害， 采用架空接触网向地铁列车供电，在带司机室的车辆上安装受电弓。 广州地铁4 号线现有的转换方式为停车手动转换，转换过程中列车内部主 电路要断电，这对车上的电气设各，特别是空调系统有着一定的危害，而且手 动转换过程中有可能发生人为的误操作；为了避免这种情况发生，要求转换系 统能实现自动转换，并且转换过程中列车不断电。 2 1 转换系统的基本要求 受流方式转换的过程中，转换系统应能满足吼下几个方面的基本要求： 1 地铁列车不能断电。 因为断电将对列车上逆变器产生冲击，并且影响车上空调及照明等电气设 备。 2 受电弓与接触网脱离和接触过程中不能拉弧。 离线瞬间产生的电弧或火花，会增加接触导线和受电弓滑板的电磨损，缩 短其使用寿命，甚至威胁机车的运行安全。 3 受流靴与第三轨脱离和接触过程中不能有拉弧现象。 当列车运行时，车辆受流靴和第三轨之间的接触可靠，一般情况下不会产 生拉弧现象。 4 在过渡区段外，列车确保只有一种受流器处于工作状态。 在车辆段，受电弓从接触网上受流时，受流靴上不能带电，受流靴带电很 容易造成车辆段内工作人员触电事故。 5 确认受电弓一定升降。 如果受电弓没有降下或者没有完全降下时，机车进入隧道，就有可能打坏 受电弓，引起一系列的事故。 6 必须确定受电弓负荷开关和受流靴负荷开关的分合状态，如果不能确定 就很容易引起受电弓和受流靴同时断电或者同时带电。 7 整列车的受流靴必须行动一致，否则会引起拉弧或者导致车辆段工作人 7 整列车的受流靴必须行动一致，否则会引起拉弧或者导致车辆段工作人 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 员触电事故。 2 2 转换系统的工作原理 列车受流方式转换的的整个过程，必须在过渡段内完成。列车进入过渡段 就必须迸行自动转换，这通过在线路轨道上埋设地面感应器来实现，当列车通 过地面感应器上方时，车载感应信号接收器接收到定位信号，转换系统开始自 动操作。机车上的感应信号接收器安装如图2 1 所示。 t 4咒 图2 1 列车感应信号接收器安装示意图 2 2 1 过渡段的分析 列车运行中完成受流方式的转换，最重要的是过渡段( 如图2 2 所示) 的长度 和整个转换完成所需要的时间。列车以一定的速度运行，转换时间过长，列车 将驶出过渡段。发生事故，所以必须在过渡段完成转挨。 第三轨 图2 2 过渡段示意图 转换系统的设计过程中，应充分考虑到过渡段的长短、列车运行的速度和 整个系统转换完成后所需要的时间。 按地铁车辆设计要求，受电弓升弓时间不能大于8 s ，降弓时间不能大于 7 s ，本文假定受流靴的升降时间均为2 s ，再加上两个开关动作延时( 毫秒级) 的时闯，所以转换系统的一次转换动作时闼设计为1 2 s ，按广州地铁4 号线的 最高运营时速8 0 l 【i i l 1 1 来计算，系统自动转换时过渡段的有效长度应为： 一v f - 2 6 6 7 ( 协) 因此，过渡区段不能少于2 6 6 7 米，过渡区段的第三孰可适当向车辆段方 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 向适当延长。 2 2 2 由车辆段进入区间的受流转换 当列车由车辆段进入区间时，如图2 3 所示，在通过地面磁性感应器上方 时，1 r 2 号感应接收器接收到车位定位信号( 1 撑地面感应器) ，转换系统开始启 动，此时t 1 检测到的地面信号( 2 刑啦面感应器) 不起作用，首先接通受流靴 受流回路，再断开受电弓受流回路。转换过程为：启动受流靴的气动机构，接 通受流靴的负荷开关，断开受电弓的负荷开关，再降受电弓，接近开关对受电 弓的下降是否到位进行检测，如果下降到位，则给p l c 返回信号，当p l c 再 检测到列车通过3 剁地面感应器时，则发出信号给控制台，同时使蜂鸣器响1 s ， 提醒司机系统转换已经完成，列车即将驶出过渡段。 地面感应器位置确定：1 群和3 刺也面感应器埋设于过渡段的两端，1 撑埋设靠 近车辆段一侧，3 群埋设远离车辆段的另一侧；当捌地面感应器起作用，说明1 帮 地面感应器列车没有检钡4 到，此时启动应急转换，转换过程需要用时1 0 s ( 降 弓7 s ，升受流靴2 s ，中间开关动作1 s ) ，而正常转换时间为1 2 s ，因此1 孵口鲥 地面感应器的水平距离为列车以8 0 虹沛运行2 s 的距离，为4 4 4 米。 地面感应器1 l # - 地面感应器3 # - | 、地面感应器 图2 3 从车辆段迸入区间磁性感应器埋设图 2 2 3 由区间进入车辆段的受流转换 当列车由车辆段进入区间时，如图2 4 所示，在通过地面磁性感应器上方 时，t 4 号感应接收器接收到车位定位信号( 错地面感应器) ，转换系统开始启 动，此时t 3 检测到的地面信号( 5 带地面感应器) 不起作用，接通受电弓受流 回路再断开受流靴受流回路。首先升起受电弓，接通受电弓的负荷开关，然后 断开受流靴的负荷开关，降下受流靴，给p l c 返回信号，当p l c 再检测到列 车通过酣地面感应器，则发出信号给控制台，同时使蜂鸣器响1 s ，提醒司机系 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 统转换已经完成，列车即将驶出过渡段例。 地面感应器位置确定：错和醑地面感应器埋设于过渡段的两端，研埋设靠 近车辆段一侧，桃设远离车辆段的另一侧；当5 静地面感应器起作用，说明错 地面感应器列车没有检测到，此时启动应急转换，转换过程需要用时1 1 s ( 升 弓8 s ，降受流靴2 s ，中间开关动作1 s ) ，而正常转换时间为1 2 s ，因此错和5 撑 地面感应器的水平距离为列车以8 0 k m l l 运行1 s 的距离，为2 2 2 米。 车辆段一卜_ 区间 5 - ，地面感应器 6 # - 地面感应器4 掸i 、地面感应器 图2 4 从区间进入车辆段磁性感应器埋设图 2 _ 3 转换系统的构成 转换系统分为四个部分：受电弓、受流靴、负荷开关和控制单元。控制单 元是核心，对受电弓、受流靴和负荷开关进行控制，如图2 5 所示，其中负荷 开关包括受电弓负荷开关和受流靴负荷开关。 接触导线 ， ；项 受直争 ：箱。；。t l 。，嚣 甲譬 ：电路l ，雩塑矍璺 ” 荷开关 l ：底 受流靴气飞弋第三轨 图2 5 系统的基本构成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 转换系统的控制对象 2 4 1 受电弓 受电弓是一种铰接式的机械构件，它通过绝缘子安装于机车车顶。受电弓 的弓头升起后，滑板与接触导线接触，从接触导线上受流，并通过车顶母线将 其传送到车内供机车使用。受电弓一般包括底架部分、铰链机构、弓头部分、 传动机构和控制机构旧，如图2 - 6 所示。 受电弓控制回路主要由截断塞阀、调压阀、单针压力表、电空阀等组成。 总风缸送出的压缩空气经高压阀调整后供受电弓使用，使升弓电空阀得电，于 是压缩空气经电空阀进入受电弓的传动风缸，受电弓升弓。正常降弓时，断开 开关使升弓电空阀失电，传动风缸的压缩空气沿进风管路返回，经该电空阀排 出；紧急降弓时，启动紧急降弓开关，使紧急降弓电空阀得电，传动风缸的压 缩空气直接排出，受电弓降弓。 受电弓升弓时要求先快后慢，避免对接触网产生有害冲击。受电弓落弓时 也是要求先快后慢，当弓头脱离接触网导线时，要求其动作迅速以避免产生拉 弧。 一 2 4 2 受流靴 图2 6 受电弓示意图 从第三轨上受流的装置叫做受流靴，由列车上气动机构控制。与上磨式、 下磨式和侧磨式第三轨相对应，受流靴也分为三种，上部受流靴、下部受流靴 和侧部受流取流靴，如图2 - 7 所示。从中我们可看出滑靴与主壳之间靠弹簧连 接，因此靴轨之间的压力即为弹簧所受的压力。我们可以通过弹簧长度的变化 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 量来测知受流靴和第三轨之间的接触压力。 图2 7 受流靴图 2 4 3 负荷开关 在系统中，真空断路器作为受流器的负荷开关使用。本系统采用的真空断 路器主要由支架、弹簧操动机构、真空开关管三部分组成。断路器上部是真空 开关管，下部是操动机构，安排在支架上。弹簧操动机构平时由电动机将弹簧 拉紧储能，合闸时弹簧释放，使断路器合闸。 当弹簧未拉紧时，操动机构的辅助常闭触点s 2 和s 3 接通，起动电动机使 合闸弹簧拉紧储能。弹簧拉紧后s 2 、s 3 断开，电动机停止。 利用控制开关s a 手动合闸时，s a 的5 和8 触点接通，而操动机构的辅助 触点s 1 在弹簧拉紧时是闭合的，于是断路器的合闸线圈y 1 接通，使断路器在 拉紧弹簧的作用下合闸；当6 和7 触点接通时，分闸线圈y 2 接通，断路器跳 闸，其控制回路如图2 8 所示。 2 5 转换系统的控制单元 转换系统的控制单元包括：p l c 、接近开关、地面感应器和感应信号接收 器以及中间继电器等元件，控制单元的结构如图2 9 所示。 亘童窒塑查兰堕主堑塞竺兰垡堡塞塑! q 里 控制电源 控制电源 二! 旦w c 合闸电源 合闸电滚 图2 8 真空断路器控制回路图 图2 9 控制单元构成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 p l c 工作原理 最初研制生产的p 【c 主要用于代替传统的继电器接触器构成的控制装置， 但这两者运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式， 即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点( 包括其常开或常闭 触点) 在继电器控制线路的那个位置上都会立即同时动作( 闭合或断开) 。 p i c 的c p u 则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出 线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点( 包括其常开或常闭触点) 不 会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。 p l c 有箱体式和模块式两种，它们的组成是相同的。箱体式p l c 由一块 c p u 板、w i 板、显示面板、内存块、电源等组成。根据c p u 性能或加点数， 箱体式p l c 又各有若干型号、规格。模块式p l c ，由c p u 模块、i ，0 模块、内 存、电源模块、底板或机架等组成。无论哪种结构类型的p l c 都属于总线式开 放型结构，其i o 能力可按用户需要进行扩展与组合。p l c 的基本结构框图如 图2 - 1 0 所示”“”1 。 输中央处理单元 接 入 - - - - - - c p u 板 - - - - - - - - - 一 现场输入信号 口 驱动受控单元 接 部 口 f 件 部 输 件 一电源部件卜一 出 图2 1 0p l c 基本结构框图 p l c 中的c p u 是p l c 的核心，起神经中枢的作用。每台p l c 至少有一个 c p u ，它按p l c 的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的 方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时诊 断电源和p l c 内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误。进入运行后，从 用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控 制信号，去指挥有关的控制电路。与通用计算机一样，p l c 的c p u 主要由运 算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成。外 围芯片、总线接口及有关电路，确定了进行控制的规模、工作速度、内存容量 等。内存主要用于存储程序及数据，是p l c 不可缺少的组成单元。c p u 的控 制器控制c p u 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 信号控制。 c p u 的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。 c p u 的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下 工作i 嘲。 扫描是指当p l c 投入运行后的工作过程。一般分为三个阶段，即输入采样、 用户程序执行和输出刷新。完成上述三个阶段为一个扫描周期。在整个运行期 间，p u ：的c p u 以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。一般来说，p l c 的扫描周期还包括自诊断、通讯等。即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入 采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。如图2 1 1 所示。 图2 1 1p l c 扫描周期示意图 p l c 的i o 响应比一般微机组成的工业控制系统慢得多，其响应时间至少 需要一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。在进行程序设计时， 这是必须要考虑的一个因素。 2 接近开关工作原理 系统中采用接近开关检测受电弓的升起或者降落。接近开关属于一种开关 量输出的位置传感器，根据工作原理的不同分为电感式和电容式。本系统所用 的接近开关为电感式，它由l c 高频振荡器和放大处理电路组成，当金属物体 在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生电涡流。这个电涡 流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化， 由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检 测的物体必须是金属物体，检测距离由o 8 m m 至1 5 0 m m 州。 本系统所用传感器电源为2 4 v d c ，有金属接近时，输出低电平；无金属接 近时，输出高电乎。在本系统中，接近开关用来捡测受电弓的升起与降落。 1 ) 原理 接近开关的检测原理如图2 1 2 所示。 2 ) 接近开关窘搴输出信号 当无金属物体接近时，接近开关输出高电平( 1 5 2 4 v ) ，有金属物体靠近 时，接近开关输出低电平( o 5 v ) ，如图2 1 3 所示。 亘童窒壅壅堂硕士研究生学位论文第1 3 页 一弋画一圉一圉一回，圈l ，倒+ 斟+ 蚓+ 斟一匣j 图2 - 1 2 接近开关原理图 高电平( 】5 2 4 v ) 图2 1 3 接近开关输出信号图 3 地面感应器和感应接收器工作原理 地面感应器是嵌入到轨枕里的永久磁铁，具有耐高温、耐腐蚀、不会损坏 等特点，适合安装在室外，如图2 1 4 所示；感应接收器是装在列车的转向架上， 在列车运行时能检测地面感应器的装置，如图2 - 1 5 所示。 图2 1 4 地面感应器图 图2 1 5 感应接收器图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 地面感应器是一个永久磁铁，而感应接收器是一个磁感式接近开关，当地 面感应器接近时，使其内部振荡线圈获得最好的磁芯和较高的磁导率，它使振 荡电流发生变化，然后内部放大器将计算这一电流变化值，并把它转换成定义 好的输出信号，通过处理器放大并转换成开关信号，因而起到检测作用，原理 如图2 1 6 所示。 |：口 1 1 r - 一 号 图2 - 1 6 地面感应器与车上接收器工作示意图 地面感应接收器基于电磁感应原理，感应接收线圈与地面感应器的磁场相 结合，完成系统的定位识别。具有识别准确度高、响应时间短、抗干扰能力强、 无故障运行时间长等优点。识别时间约为7 m s ，试验的最高速度达3 0 2 k m m 。 里堕窒堕查堂耍主塑窒兰兰竺堡塞篁! 三要 第3 章转换系统控制单元的硬件设计 3 1 转换系统控制单元的总体设计 控制单元的主要任务是将整个系统在电气上连成一个有效工作的系统。通 过分析系统的控制对象，确定控制器型号，合理配置i ，o 点，才能使系统的设 计达到最优化配置。转换系统控制单元设计流程图如图3 1 所示。 图3 1 转换系统控制单元设计流程图 二二二二= 二一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 2 p l c 的选型 p l c 是系统控制的核心，通过它直接输出各种控制指令，控制开关的分合。 西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c 具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强 大的指令，可以近乎完美地满足小规模的控制要求。此外，它丰富的c p u 类型 和电压等级使其在解决用户的工业自动化问题时，具有很强的适应性。对小型 的开关控制系统来说，s 7 2 0 0p l c 是非常好的选择。s 7 2 0 0 包括多种c p u ， 本系统选用c p u2 2 6 ，其性能指标见表3 1 。 s 7 - 2 0 0 有两种工作方式：s t o p ( 停止) 和r u n ( 运行) ，s m p 方式下 c p u 处于停止状态，不执行程序，可向c p u 装载程序：r u n 方式下c p u 运行 程序。可以使用方式开关来手工选择c p u 工作方式，如果方式开关设为r m ( t e 加i n “) 或s 1 o p ，且电源发生变化，则电源恢复时，c p u 会自动进入s t o p 方式。如果方式开关设为r u n 方式，则电源恢复时，c p u 会自动进入r u n 方 式【2 1 】。 表3 1c p u 2 2 6 性能指标 特性 -、， ：，c p u 2 2 6 程序存储器 4 0 9 6 字 用户数据存储器 2 5 6 0 字 用户存储器类型e e p r o m 本机i o 2 4 入1 6 出 扩展模块数量 7 个模块 3 3 m h z 卜布尔指令执行速度0 3 弛s 指令 通讯口数量 2 ( r s 一4 8 5 ) 3 _ 3p l c i o 口分配及电源设计 3 3 1p l c i 0 口分配 p l c 的输入信号来自现场设备、控制台的启动和停止开关的操作，而输出 信号则控制转换开关可以使用本机加或扩展i o 。s 7 2 0 0p l c ( c p u 2 2 6 ) 提 供2 4 入1 6 出的i o ，满足本系统要求i 矧。 本系统对p l c 的输入信号配置见表3 2 ，输出信号配置见表3 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 表3 2p l c 的输入信号配置表 输入信号 信号数目 u 0 分配( 输入点) t 1 感应接收器 1 l o o t 2 感应接收器 1i o 1 t 3 感应接收器 11 0 2 t 4 感应接收器 l j 0 3 接近开关信号 11 0 4 总计 5 表3 3p l c 的输出信号配置表 输出信号信号数目 i o 分配( 输出点) 受流靴气动机构工作 1 q 0 o 受流靴负荷丌关接触 1 q o 1 受电弓负荷丌关断卅 1 o o 2 受电弓降弓开关 1 q o 3 转换完成信号1 1 q o 4 受电弓升弓控制 1 o o 5 受电弓负荷开关接通 1 q 0 6 受流靴负荷_ r 关断开 1 o o 7 受流靴气动机构不工作 1 q 1 0 转换完成信号2 1 q 1 1 总计 1 0 注：转换完成信号1 ：由车辆段进入区间转换完成； 转换完成信号2 ：由区间进入车辆段转换完成。 3 3 2p l c 电源设计 有些p l c 中的电源，是与c p u 模块合二为一的，有些是分开的，其主要 用途是为p l c 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 2 4 v 的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，2 2 0 、，a c 或1 1 0 v a c ，直流 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 电源，常用的为2 4 v 。 本系统采用的s 7 2 0 0 p l c 电源类型为：a c d 讯l y 。其输入电源为2 2 0 v 交流电。单元有一个内部电源，它为本机单元、扩展模块以及2 4 v d c 用户供 电。如果电源要求超出了c p u 模块2 4 v d c 电源的定额，则需要增加外部2 4 v d c 电源。p l c 传感器电源和外部电源应该在不同的点上提供电源，两者之间只能 有一个连接点，两者并联连接时，将导致它们的竞争而影响输出。 为使p i _ c 正常工作，必须正确的进行供电，同时p l c 输入和输出口也需 要提供2 4 v 直流电源，其接线方式如图3 2 所示。 【a 】用一个单刀切断开关将电源与c p u 、所有的输入电路和输出( 负载) 电路隔离开。 【b 】用一台过流保护设备以保护c p u 的电源。 【c 】当使用p l c2 4 vd c 传感器电源时，可以取消输入点的外部过流保护， 因为该传感器电源具有短路保护功能。 【d 】将眦的有地线端子同最近接地点相连接，达到最好的抗干扰能力。 【e 】本机单元的直流传感器电源可用作为本机单元的输入。 圈传感器的供电m 端子接到地上可以获得最佳的噪声抑制。r 一删 l 1 n p e 嘲f d 0 p s t s 7 - 2 0 0a c ，d c 爪j y d i ml + ， ll t 啊土 c 】 图3 2p l c 供电系统接线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 3 4 转换系统的电路设计 p l c 根据输入端子的输入信号来实现对外界设备的控制，p l c 控制电路 属于弱电电路，但它控制着受流器等高压环境的设备的状态，因此在电路设计 过程中，就充分考虑各个单元的工作电压和电流。 3 4 1 地面感应器单元电路设计 对于p l c 来说，其输入端的输入信号为数字量，只为高电平和低电平，且 1 5 2 4 v 为高电平，o 5 v 为低电平，因此对感应信号接收器的信号必须经过 调理和防止干扰措施后，才能进入p l c 的输入端子。 当列车运行时，车上感应接收器接收到地面感应器信号，通过调理电路后 将产生一个高电平送入p l c 的输入端子，如图3 3 所示。 l 镳弹警磊等i 图3 3 感应接收器信号图 3 4 2 受流器单元控制设计 受流器分为受电弓和受流靴。对它们的控制分为两个方面的内容：升降控 制和负荷开关控制。 由第二章受流器的工作原理可知，受流器的升降控制是通过对受流器气动 机构中电空阀的控制来实现的，接线如图3 _ 4 所示。 车供直流电源 图3 4 受流器升降控制示意图 由第二章负荷开关的工作原理可知，对负荷开关分合控制是通过控制负荷 开关的分闸线圈和合闸线圈来实现的，接线如图3 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 车供直流电源 车供直流电源 。匣， 徽卜匣1 獬； 在检测受电弓的升降时，利用接近开关对受电弓弓头的滑板进行检测。当 受电弓升起后，接近开关给p l c 输入端子返回一个高电平信号；当受电弓降落 后，接近开关给p l c 输入端子返回一个低电平信号。在本系统中，将接近开关 安装在受电弓的底座支架上，采用非埋入式安装，如图3 6 所示剐。 安鼓蔓蒙 安蛀 图3 6 接近开关的安装图 3 5 转换系统控制开关流程 3 5 1 由车辆段进入区间开关流程 由车辆段进入区间，在过渡段首先启动受流靴的气动机构，使受流靴处于 工作状态，接通受流靴的负荷开关，断开受电弓的负荷开关，再降下受电弓， 信号返回司机室。此时有两种情况，第一种情况是列车感应信号接收器t 2 检 测到1 撑地面感应器的信号，转换系统启动；第二种情况是列车感应信号接收器 t 2 没有检测到1 # 地面感应器的信号，而是由列车感应信号接收器t 1 检测到签 地面感应器的信号，此时转换系统应采取紧急措施，立即转换。下面是针对这 两种情况进行分析，并设计出开关动作流程。 1 列车感应信号接收器t 2 检测到1 撑地面感应器，系统转换动作流程如图 3 7 所示硼嘲。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 图3 7 由车辆段进入区间开关流程图 2 如果列车感应信号接收器t 2 没有检测到1 刺也面感应器，而感应信号接 收器t 1 检测到册地面感应器，此时系统转换动作应立即启动受流靴的气动机 构，接通受流靴负荷开关，断开受电弓的负荷开关，降下受电弓，在保证动作 到位的前提下，此时尽量不延时或少延时，流程图如3 _ 8 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 - 8 车辆段进入区间紧急转换流程图 3 5 2 由区间进入车辆段开关流程 当列车由区间进入车辆段时，转换系统应首先升起受电弓，接通受电弓的 负荷开关，打开受流靴负荷开关，断开受流靴的气动机构控制开关，信号返回 到司机室。此时也分两种情况，第一种情况为t 4 感应接收器检测到甜地面感 应器的信号，转换系统启动；第二情况为t 4 感应接收器没有检测到钳地面感 应器的信号，而由1 r 3 检测到5 撑地面感应器的信号，系统采取紧急转换措施 【2 6 】唧 2 8 】。 1 t 4 感应接收器检测到钾地面感应器的信号，系统转换流程如图3 9 所 示。 堕塑銮塑查兰堡主堡塞竺兰堡笙壅篁丝堕 图3 - 9 区间进入车辆段开关流程图 2 如果列车感应信号接收器t 4 没有检测到钳地面感应器，而感应信号接 收器t 3 检测到5 帮地面感应器，此时系统转换动作应立即启动受电弓的气动机 构，接通受电弓的负荷开关，断开受流靴的负荷开关，断开受流靴气动机构， 在保证动作到位的前提下，此时尽量不延时或少延时，流程图如3 1 0 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 4 页 图3 1 0 区间进入车辆段紧急转换流程图 3 6 转换应急电路设计 当转换系统发生故障，列车司机必须能用手动来实现受流器的转换，因此 在控制台上必须有六个开关：受电弓升降控制开关、受电弓负荷开关合闸控制 开关、受电弓负荷开关分闸控制开关、受流靴升降控制开关、受流靴负荷开关 合闸控制开关、受流靴负荷开关分闸控制开关。 1 控制台控制受流器升降的控制 由第二章受流器的工作原理可知，受流器的升降是由电空阀来控制，当电 空阀上电时，受流器升起：当电空阀失电时，受流器降下。电路图如图3 1 1 所 示，k 。为控制台控制受电弓升降开关。 车供直流电源 图3 1 1 受流器升降控制图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 由第二章负荷开关的工作原理可知，对负荷开关的分合闸控制只需分别控 制其对应的触点，合闸时接通触点5 和8 ，分闸时接通触点6 和7 ，合闸控 制如图3 1 2 所示，分闸控制如图3 1 3 所示。 r l r 霁剥摊： i 昌 图3 1 2 负荷开关合闸控制图 图3 1 3 负荷开关分闸控制图 触点6 触点7 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 6 页 第4 章转换控制系统软件设计 4 1p l c 编程概述 4 1 1s 7 2 0 0 的编程软件 s 7 2 0 0c p u 提供两类基本类型的指令：s i m 衄c 和m c1 1 3 1 3 ，内容见表 4 - l ：基于计算机的编辑软件s t e p7 m i c f o 胁i 3 2 是在w i n d g w s 平台上运行的 s n 衄c s 7 - 2 0 0 软件，简单、易学；提供不同的编辑器选择，可以利用这些指 令创建控制程序，编辑界面如图4 1 所示。即可以在图形化环境下编程，又可 以使用汇编语言类型的编辑器。 表4 - 1s 蝴i c 与m c l l 3 1 3 指令集和编辑器 j 磷j 。铡磁蛹霞麟蠹糕黧鑫蓑鬻囊潮麟酾秘霭舔渫露麓 语句表( s t l ) 编辑器没有 梯形图( l d ) 编辑器梯形图( l d ) 编辑器 功能块图( f b d ) 编辑器功能块图( f b d ) 编辑器 图4 1s 1 e p7 m j c r o ，w 琳3 2 界面图 针对编辑软件s 丁e p7 ，m i c r 0 w i n3 2 的语句表( s t l ) 编辑器、梯形图( u 山) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 编辑器、功能块图( f b d ) 编辑器三大模块，下面来逐一进行介绍： 1 语句表( s t l ) 编辑器 s t l 编辑器适合于有经验的p l c 编辑程序人员，能实现梯形图或功能块图 无法实现的程序。 2 梯形图( l a d ) 编辑器 梯形图编程易于理解，而且全世界通用，是许多p l c 编程人员和维护人员 选择的方法。梯形图程序让c p u 仿真来自电源的电流通过一系列的输入逻辑条 件，根据结果决定逻辑输出的允许条件。 3 功能块图( f b d ) 编辑器 功能块图( f b d ) 编辑器没有梯形图编辑器中的触点和线圈，但是有与之 等价的指令，这些指令是作为盒指令出现的。程序逻辑由这些盒指令之间的连 接决定，也就是说，一个指令的输出可以用来允许另一条指令。 使用s t e p 7 一m i c r o 刖3 2 时，应具备以下设备或软件： 1 一台p c 机，c p u 为8 0 5 8 6 或更高的处理器，1 6 m 内存；或者是装有 s 1 1 三p 7 一m i c r o ，w 矾3 2 的西门子编辑器如p g 7 4 0 。最低要求c p u 为8 0 4 8 6 ，内存 8 m 。 2 需要一根连接到通讯口的p 叩p i 电缆，或者是一块通讯处理器，如本系 统所使用的c p 5 6 1 1 通讯处理器。 3 v g a 显示器，或m i c r o s o f 【w i n d o w s 所支持的其它显示器。 4 至少5 0 m 的硬盘空间。 5 w i n d o w s9 5 ，w i n d o w s9 8 ，w i n d o w s n t 4 o 或w i n d o w s2 0 0 0 。【2 4 1 2s 7 2 0 0c p u 的扫描周期 s 7 2 0 0c p u 连续执行用户程序，任务的循环序列称为扫描，c p u 的扫描 周期如图4 2 所示，它包含以下任务： 1 读输入：每次扫描周期开始时，先读数字输入点的当前值，然后把这些 值写到输入映象寄存器中。 2 执行程序：在扫描周期的执行程序阶段里，c p u 执行程序是从第一条 指令开始，直到最后一条指令结束。 3 处理通讯请求：在扫描周期的信息处理阶段，c p u 处理从通讯端口收 到的任何信息。 4 执行c p u 自诊断测试：在扫描周期的这个阶段里，c p u 检查其硬件， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 以及用户程序存储器，它也检查所有的i o 模块的状态。，驷】 4 1 3 应用程序的下载与上传 1 p l c 程序的下载 程序在通过编译无误后，下载到p l c 程序存储器中，现场运行时将根据 p l c 当前的工作方式扫描执行用户程序，实现用户程序的控制功能。 s t 印7 - m j c f o w t n 3 ，2 编程软件能完成p i c 控制程序的上传和下载，通过p