电力机车接触网终端防护装置的设计与实现

罗海堤, 廖梦婕

(广州铁路(集团)公司 科学技术研究所, 广东广州 510100)



铁路供电技术

电力机车接触网终端防护装置的设计与实现

罗海堤, 廖梦婕

(广州铁路(集团)公司 科学技术研究所, 广东广州 510100)

在电气化铁路中接触网终端设置的警示标识功能单一，电力机车作业时易发生误闯接触网终端的事故，采用远距离高速射频识别定位技术，设计出一种对电力机车进入接触网终端区域进行自动提醒和防护的装置。该装置由接触网承力索上的电子标签、机车车顶的标签阅读器和机车车内的防护装置及指示组成，防护装置通过阅读器读取定位信号，并根据信号内容自动发出语音提醒或执行制动、断主断和降弓等动作，从而有效地达到接触网终端区域完全防护的目的，避免电力机车误闯接触网终端此类事故的发生。

电力机车; 接触网终端; 防护; 射频标签

在电气化铁路线路上，电力机车的行使必须保证在接触网内，为防止电力机车调车作业时闯入无网区造成事故，在接触网边界设置了接触网终端标，以提醒工作人员注意前方是接触网的终端。然而在现实工作中，全路各地仍发生不少电力机车调车作业时闯入无电区的事故，给铁路运输生产秩序带来严重影响，甚至造成巨额经济损失。究其原因，主要是由于目前设置的接触网终端标是一种无声静态的指示，功能单一，不能有效的起到提醒警示的作用。电力机车接触网终端防护装置的设计与实现，可有效保证电力机车在接触网终端作业的安全。

1 系统组成

1.1 总体结构

电力机车接触网终端防护实现的目标：一是在接触网终点前有明确的提醒警告功能，二是若电力机车过于接近终点时的实施强制制动等保护功能。要实现此目标，首要的是定位信号的确立，其次是收到定位信号后的处理等。考虑到线路环境等复杂因素，我们采用远距离高速射频识别技术来进行定位，防护装置的信号处理则采用工业级品质的Rabbit微处理器核心模块。电力机车接触网终端防护系统结构示意如图1所示。

电力机车接触网终端防护系统包括了标签、标签阅读器、防护装置和信息指示4大部分。其中标签和标签阅读器是实现无线定位的设备。警告标签和防护标签分别对应警告功能和防护功能的定位信息。

图1 电力机车接触网终端防护系统结构示意图

1.2 定位技术

系统的定位采用远距离高速射频识别技术，通过无源射频标签和标签阅读器实现无线定位。标签读出距离如图2所示。

系统使用的标签和标签阅读器是从远望谷公司专门定制的，工作温度为 -25℃～+70℃，工作频率为910.1 MHz，适应速度为0～300 km/h。其中标签是无源射频标签，标签阅读器将天线和主机合为一体，工作电压为DC 12 V±1 V，电源由防护装置提供，同时通过485串口与防护装置通信。

图2 标签读出距离示意图

定位标签安装在接触网承力索上，射频标签阅读器则安装在机车车顶上，如图1所示。系统上电后，阅读器的微波组件即开始工作，通过天线向外发射微波查询信号；当机车经过定位标签时，标签把存储的信息调制到微波中并反射回阅读器；标签阅读器接收到定位标签内的定位信息，经过处理后将相应的信息通过串口发送给防护装置。

(1)标签安装位置分析

标签分为警告标签(标签1)和防护标签(标签2)，当机车到达防护标签时应立即紧急制动，所以标签2安装距离尤为重要，根据《列车牵引计算与操纵》第五章列车制动问题的解算，可对制动距离进行如下分析。

制动距离的计算是比较复杂的一个过程，涉及很多方面的因素，标签2的运用情况是机车单机紧急制动情况下的制动，其制动距离则可进行简化计算，如式(1)。

Sz=Sk+Se=

(1)

以韶山3型电力机车为例可求得各系数为：空走时间tk=2.5 s；换算摩擦系数φh=0.256；列车换算制动率θh=0.517；常用制动系数在紧急制动时βc=1；列车单位基本阻力w0=2.472；取加算坡度千分数ij=-6；

一般电力机车在接触网终点区域运行速度为5 km/h以下，现取制动速度为其两倍，即v0=10 km/h，代入上述公式可得：

Sz=Sk+Se=

6.94+3.24=10.18m

即制动距离为10.18 m。

则防护标签的安装距离L=机车长度/2 +制动距离=22/2+10.18=21.18 m，考虑到阅读器不一定在正中位置以及 各种电力机车的不同，取L=25 m。即设置防护标签到接触网终点标的距离为25 m。

警告标签(标签1)如图3，含提醒警示的定位信息，由于接触网终点区域长短不一，为了不影响机车在接触网终点区域的作业，设置警告标签到防护标签的距离为60 m。此距离在机车速度为10 km/h左右时，司机将有接近21.6 s的反应时间。

1.3 装置设计

防护装置作为防护系统的核心部分，负责接收定位信号、发出指示和控制动作等内容，防护装置连接如图4所示。

图3 警告标签

图4 防护装置连接示意图

(1)装置硬件电路

防护装置采用直流110 V直接供电，通过电源模块转换提供所需电压，如图5所示。

图5 防护装置供电方式示意图

电源模块：采用广州市爱浦电子科技有限公司针对铁路设备生产的SANGMEI专用电源模块。

中央处理单元：中央处理单元采用Rabbit微处理器核心模块，模块运行采用Dynamic C进行实时开发和调试，并提供多种标准接口。

控制电路：防护装置的控制电路采用无触点输出控制单元，即使用大功率的固态继电器(从宁波星成电子有限公司定制)，其具有负载能力大，开关速度高，为了防止控制电路中感性元件引起的过电压冲击，造成元件损坏，电路中加入吸收电路。

指示模块：主机采用灯显指示，在司机室安装喇叭用于语音提醒。语音模块采用广州唯创电子有限公司的WTV040语音芯片，并由美国国家半导体公司生产的音频功率放大器LM386进行功率放大。USB模块：使用飞思卡尔半导体公司生产的MCF5229芯片，该系列芯片采用一站式连接功能解决方案，是集成USB、以太网和CAN功能的MCU。

对外接口：开关使用上海二工电气有限公司生产的万能转换开关，保证装置无论开还是关都不会对正常行车造成干扰。

(2)软件设计

采用专为基于Rabbit微处理器的控制器等而设计的用于编写嵌入式应用软件的开发系统Dynamic C进行系统程序设计。

与阅读器的485通信协议为，通讯速率：9.6 kb/s，格式：1+8+1，平时每秒发送1帧心跳帧，当读取到标签ID号时有2帧标签ID号，帧间隔10 ms。阅读器发完ID号帧后重新计时，1 s后开始发心跳帧，相同ID号5 s内不能发第2次。

语音模块由内部串口控制输出语音信息，速度信号通过中断计数进行判断，由DO口控制固态继电器动作，实现断主断、降弓、制动等动作功能，信息存储在128 M的flash存储空间且可通过USB接口上传。

U盘数据说明：

(1)bocon_log.txt文件，为下载到U盘保存的数据文件：

No.0 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:28 tag:1 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:34

No.1 jcxh:SS30443 fangx:1 maichong:31 tag:2 chaox:J act:Y Time:2010/11/15 08:49:46

其中jcxh:SS30443表示安装在SS3 0443电力机车上；fangx:1表示机车Ⅱ端向前行驶(0表示Ⅰ端向前)；maichong:28表示在该速度时，500 ms时间的脉冲，实算速度 28×2/200×3.14×1.25×3.6=4 km/h；tag:1表示接收到标签1的信号；chaox:J表示向接触网终点方向前进；act:Y表示接收到信号后执行了语音提醒或动作；Time:2010/11/15 08:49:46，为接收到标签信号后保存的时间。

(2)bocon_config.txt文件，当U盘中有此文件时，将读取该文件中数据，若其中：

mch=40表示对速度达到某一值的语音提醒设置；

jcxh=SS00000表示设置安装在哪台电力机车上；

time=100811101010表示设置系统的时间，本数据表示2010年8月11日10点10分10秒。

erase表示对系统原有保存的记录数据进行删除。

程序流程如图6所示。

图6 软件设计流程

2 主要功能及工作原理

2.1 主要功能

电力机车接触网终端防护装置，采用远距离高速射频识别、工业单片机控制、数据保存和转储和语音存储播放等技术。(1)实现在接触网终端区域对电力机车调车作业等运行中的动态提醒功能。电力机车到达警告标签位置下方时，系统发出语音，提醒司机注意。(2)实现在接触网终端区域对电力机车调车作业等运行中的自动防护功能。电力机车到达防护标签位置下方时，系统立即断主断，降弓及停车，实现接触网终点的自动防护。(3)实现记录查询功能。装置可记录在接触网终端区域系统的工作状态，为以后查询提供依据。

2.2 工作原理

(1)阅读器收发标签信号

装置上电后，阅读器的微波组件即开始工作，通过天线向外发射微波查询信号，如果查询范围内存在电子标签，标签会把存储的信息调制到微波中并反射回阅读器。阅读器天线接收到电子标签的反射微波，通过解调，还原出标签信息，处理后通过对外接口发送给上位机。

(2)防护装置工作原理

装置接入有机车方向、速度、断主断、制动和降受电弓等信号，当接收到标签阅读器发送过来的定位信号后进行相应提醒和控制。装置上电后，若"正常"指示灯亮，则表示与标签阅读器通信正常，否则“故障”指示灯亮；若机车无速度，则“制动”指示灯亮。

当机车行驶时，“制动”指示灯灭，装置处于工作状态。机车接入接触网终点区后，往终点标方向行驶经过警告标签(标签1)时，阅读器接收到该定位信息并发送给防护装置，防护装置立刻发出“接近接触网终点，请注意”，司机室喇叭响；在继续向前行驶时，若速度大于5 km/h，则发出“接近接触网终点，请注意速度”提醒；当到防护标签(标签2)位置时，若机车仍未停车，防护装置收到该定位信息后，将进行断主断和紧急制动等一系列动作，并发出"已到接触网终点"提醒；在此过程中将保存相关信息，以备查询。在正常情况下，机车退出接触网终点区时，防护装置将不采取动作。

3 结束语

电力机车接触网终端防护装置，杜绝了电力机车在车站调车作业时闯入无电区现象的发生，达到消灭电力机车调车作业闯入无电区这一类的安全事故，使铁路运输生产多了一份安全保障，使铁路运输安全管理多了一份可控，有效实现铁路运输安全即效益的目标。本装置具有高可靠性，不影响机车原有性能，不干扰机车正常行驶，能较好的提高接触网终点防护的安全性，对行车安全起到较好的保护作用。

[1] 张振波 接触网与电力安全警示案例分析[M]. 北京：中国铁道出版社, 2011.

[2] 苏 桃. 列车牵引计算与操纵[M]. 北京：中国铁道出版社， 2008.

[3] 中国铁路总公司. 铁路技术管理规程[S]. 2014.

Design and Implementation of Contact Network Terminal Protecting Device for Electric Locomotive

LUOHaidi，LIAOMengjie

(Institute of Science and Technology, Guangzhou Railway (Group) Corporation, Guangzhou 510100 Guangdong, China)

The function of warning signs set up by contact network terminal is single in electrified railway now, and electric locomotive maybe burst in contact network by mistake easily. This paper introduces the design of device which can protect electric locomotive bursting in contact network terminal area by using remote and high speed radio frequency location and recognition technology. The device consists of electronic label of contact network catenaries, label reader set at the roof of locomotive, protecting and indicating device set in the locomotive and provides voice reminding automatically, executing braking and bow down etc. All this can protect contact network area effectively and avoid locomotive bursting in contact network area by mistake.

electric locomotive; contact network terminal; protecting; radiofrequency label

1008-7842 (2015) 03-0071-04

��)男，工程师(

2014-12-03)

U225.4+2

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.17