朔黄铁路电力机车自动过分相装置优化研究

谢亮

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

朔黄铁路电力机车自动过分相装置优化研究

谢亮

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北 肃宁 062350）

研究基于神华8轴交流传动电力机车过分相装置的设计原理，根据朔黄铁路线路特点和交流电力机车过分相技术的应用需求，形成一套优化的硬件和软件设计方案，并对改进后的装置进行试验验证。同时，结合朔黄铁路自动过分相的工程应用经验，解决分相逻辑算法优化、误差消除及分相状态显示等问题，并试验验证分相动作的有效性和平稳性。该装置经过运用考核，各项指标达到设计要求。

朔黄铁路；电力机车；自动过分相；算法优化；误差消除

0 引言

朔黄铁路是我国重要的货运重载电气化铁路，交流传动电力机车和直流电力机车在朔黄铁路均被广泛使用。作为提高电力机车运用效率的一项重要手段，自动过分相技术在朔黄铁路也被充分重视。朔黄铁路接触网采用自耦变压器牵引供电方式，每隔20～25 km就有一个电分相。全线上下行分别有27处绝缘分相区，均设置在车站进/出站口处，坡道较小。但由于朔黄铁路列车换长达79.2 m，小编组列车实际长度接近900 m，万吨编组列车长度超过1 400 m，2万t编组长度近2 000 m。当重载长大编组列车运行在坡道较大区段，惰力运行通过绝缘分相区时仍有较大速度变化，动力损失大，人为手动过分相成功率降低，存在较大的安全隐患。

基于前期调研分析和研究成果，朔黄铁路发展有限责任公司提出了研制新型机车自动过分相装置的需求，改变传统过分相控制方式，取消地面感应及接触网射频装置，主要采用机车信息及逻辑算法达到机车过分相的控制，以提高设备的可靠性，并简化维护程序，同时预留与第三方总线接口设备通信接口能力，实时反馈设备状态。

1 自动过分相装置的控制策略

朔黄铁路属于线路条件复杂、气候条件比较恶劣、运输任务繁忙的铁路运输线，其运输具有列车编组长、牵引质量大、线路坡度较大、曲线半径小的特点。因此过分相装置的工作模式要充分考虑这些因素，对于自动分相控制模式采取以下控制策略[1-2]：

（1）新型自动过分相要适用于SS4B、SS4改和交流传动电力机车。

（2）装置硬件设计采用嵌入式系统架构，利用先进的DSP处理器进行高速计算，保证控制的实时性。设备之间具备网络化设计，实现设备之间的数据通信和共享。

（3）朔黄铁路电力机车自动过分相装置应满足20～80 km/h的速度变化。

（4）利用自动分相软件对机车电流的控制算法，实现重载列车在过绝缘分相区时，机车电机电流的降/升速率和特性变化趋于平滑，保持列车平稳运行，尽量减少车钩冲撞[3]。

（5）能够实现对采集数据的自动纠错，消除采集累计误差，提高过分相动作的距离精度控制水平[4]。

2 总体设计方案

整个装置采用模块化设计，功能模块由处理、通信、输入输出、LED卡显示4部分构成，在结构形式上组成一个3U的智能模块单元，同时加上速度传感器及电气线路等附加部分，完成一整套系统功能实现。

根据装置应用、设计需求，考虑设备经RS485接口[5]与监控系统中的TAX机箱进行通信[6]，通过采集机车网压、速度、机车逻辑信号、监控信息，经过数据处理后，输出分相预告信号、分相强迫信号、分相恢复（已过）信号，控制机车的过分相动作。为保证系统可靠性，同时对输出的信号进行反馈自检，进行相关故障判断。系统正常时输出OK信号。

新型自动过分相装置借鉴网络化设计思路，将机车两端的设备通过机车网络进行互联互通，自动分相采集数据能够实现共享[7]，整体设计方案见图1。

图1 机车自动过分相装置整体设计方案

3 硬件设计

3.1 MCU和逻辑器件

MCU选择Microchip的dsPIC30f6010A芯片作为控制器设计控制板，实现系统主处理硬件电路以及相关软件设计，并对通信中断的设计进行研究。

dsPIC30f6010A芯片不但抗干扰性和可靠性能够满足数据采集器在各种环境下运行的要求，而且可以提升系统的灵活性，缩短开发时间，降低开发成本。芯片主要完成AD信号采集、测速、IO信号输入输出、串口UART通信、CAN通信等功能。

为了更精确地采集速度信号，设计对外部脉冲信号进行滤波处理，通过光电编码器检测转速，采集到脉冲量后，经过差分芯片、滤波处理、施密特触发器整形，送到单片机的增量编码器接口，编码器通过dsPIC30f6010A芯片进行实现，同时负责检测旋转运动系统的位置和速度。

3.2 电源

电源使用微机柜内的+5 V和±15 V电源，上下机箱只要有1个工作就能给主板提供电源。通过单向二极管对输出电源进行逆向保护设计，防止电源反向输出。+5 V电源电流≤100 mA，±15 V电流≤200 mA。

3.3 CAN通信

CAN通信直接与LKJ2000型监控装置连接，考虑布线走机车线道，电磁干扰较重。采用铠装双绞屏蔽型电缆ASTP-120 Ω（for RS485 amp; CAN）one pair 18 AWG ，增加机械强度和抗严重干扰能力。CAN通信采用监控CAN通信协议：遵守CAN2.0B通信协议，速率500 kb/s，采用11位标准数据帧格式，一次传输8个字节，8位优先级+3位地址符。由于LKJ2000型监控由2路CAN并行传输数据，即使有1路出现问题也不会影响监控装置的正常工作。

CAN的驱动采用ZLG的CTM8251D模块，具有电源隔离和信号隔离的功能，最大速率1 Mb/s。电路还设置限流电阻、上拉电阻、下拉电阻、匹配电阻，供现场测试使用。CAN模块经过CPLD的线路切换后与2片MCU的CAN口连接。

4 软件设计

自动过分相装置的软件设计主要包括3部分：

（1）LCU软件设计：LCU是机车逻辑控制单元，其主要功能是完成机车整体电气信号的逻辑控制，以及数据优化补偿算法的实现。

（2）通信及数据传输软件设计：通过通信接口与机车数据信息设备进行通信，采集到自动过分相控制需要的机车数据。

（3）MCU数据计算软件设计：做为自动分相控制软件的核心，这部分软件进行自动过分相数据的处理和计算，并最终驱动IO接口输出过分相指令，实现对分相动作的控制。

4.1 基于RS485数据传输软件

原LCU1与LCU2之间采用RS485通信，波特率28.8 kb/s，采用CRC-16校验（1 021码）累加和校验，主程序每循环26次LCU1与LCU2通信一次，如果800 ms没有接收到有效数据则停止所有输出，并进行MCU切换。由于机车干扰严重，RS485通信工作不稳定，存在输出信号间断现象，造成微机柜间断封锁脉冲和接触器、继电器抖动等。

对RS485做如下修改：波特率由28.8 kb/s改为19.2 kb/s，主程序每循环10次LCU1与LCU2通信一次，通信监视周期由800 ms改为1 600 ms。

4.2 过分相机车逻辑控制程序

4.2.1 主逻辑程序

过分相机车控制逻辑按过分相的顺序分以下4方面：

（1）分相点预告：分相点前60 s预告，司机台指示灯慢闪。

（2）分相点接近：输出【零位信号】到微机柜封锁整流柜脉冲。断辅机通风机和线路接触器，防止操作过电压。

（3）过分相断主断：输出断主断信号【2节机车LCU输出】。

（4）过分相后：闭合主断【2节机车LCU输出】、起动辅助机组，取消封锁脉冲。

4.2.2 自检程序

主程序主要完成系统及其外设的初始化和变量初始化。系统初始化主要实现系统时钟初始化、IO口初始化、AD采样模块初始化、通信初始化和各中断模块初始化等。变量初始化主要是对系统中变量和各调节器参数进行初始化赋值。完成初始化工作后，主程序不断在死循环中运转，当有中断请求时，则去执行中断程序。当发生故障时，进入故障处理程序，预先设置好的看门狗对芯片进行软复位。

4.2.3 任务中断分配

由于IO输出实时性要求最高，故将IO中断设为使用到的最高6级，而数据存储上传实时性要求最低，故设为使用到的最低2级。通过合理设置不同中断的优先级，可使系统性能达到最佳。各中断的功能、优先级见表1。

表1 各个中断的功能、优先级

通过优化MCU系统资源分配的等级，重新定义资源分配后，系统稳定性得到较大提高，芯片功耗得到很好的控制。解决中断优先级问题，使系统响应更快更合理。

4.3 数据优化算法

4.3.1 优化补偿算法

速度信号数据是自动过分相的关键数据，优化算法引入了全车8轴的综合速度判断。由于机车在原本设计中没有重联通信功能，导致机车只能获取单节4个轴的速度，通过自动过分相的重联功能，将全车8个轴的速度进行综合计算，可以去除由于个别轴空转滑行引起的速度偏差，得到的综合速度可作为基准速度使用。当得到综合速度后，与监控中的监控速度进行对比，当监控速度发生异常跳变时，就采用全车综合基准速度进行计算。同时利用得到的有效速度，可以同步预先计算出下一时间段的公里标变化数值，当监控公里标发生突变或停止时，即可用同步计算的公里标进行计算，得到有效公里标。优化算法逻辑示意见图2。

图2 优化算法逻辑示意图

4.3.2 PI调节子程序

该装置有1个转速环，其运算核心是比例和积分（PI）调节器，该调解器用于消除累计计算中的偏差。采用位置式PI调节器，其计算结果是输出的绝对数值，每次输出和整个过去状态有关，在计算过程中需要累计过去所有偏差值。

4.3.3 测速子程序

系统采用增量式光电速度传感器，利用数字测速方法计算系统实际转速。目前常用的数字测速方法有M法、T法和M/T法[8]。其中M/T法综合了M法和T法的优点，无论在高速还是低速时都有较强的分辨率，所以采用M/T法计算电动机的转速。

测速软件基本思路为：每隔一段时间（由周期中断控制捕捉中断开通时间）捕捉一次计数器的值，然后与前一次捕捉的值比较，计算出实际2次捕捉间隔的M1、M2，这样就能计算出电动机转速。为了在该测速周期内避免因A相脉冲上沿引起的重复进入捕捉中断，每次进入捕捉中断后必须关闭捕捉功能，待再次进入周期中断时再开通捕捉中断。以此循环往复不停测速。

测速程序流程见图3。测速程序由捕捉中断子程序和周期中断子程序2部分组成。当电动机转速很低时，有可能在1个测速周期内都检测不到码盘脉冲，这时就需要延长测速时间。当连续10个测速周期内都没有检测到码盘脉冲（未进入捕捉中断）时，认为电动机转速为0 r/min。

通过将优化算法植入自动分相程序中，解决了应用中出现的由于TAX数据不稳定导致的分相点丢失或由于长时间累计误差产生的误动作问题[9]，在实际应用中大大提高了产品的可靠性，改善了列车运行品质。

图3 测速程序流程

5 试验验证

在实际应用中，朔黄铁路直流机车通常采用“1+1”重联编组模式运行，其中中部机车的冲击最为明显，所以试验主要对中部机车自动过分相时的平稳性数据进行重点考察，同时也验证自动过分相实际动作的有效性。通过数据分析软件，对采集到的数据得到以下试验结论：

（1）机车在启车时，由于受到前后车辆的影响，牵引力发挥受到影响，尤其在上坡道启动时，速度会经过一个振荡后，待黏着充分发挥出来后达到稳定。低速过分相时，速度在区间惰性时有缓慢降低，通过分相区域时没有明显的速度冲动变化，整个过程较为平稳。

（2）区间运行平稳，速度保持稳定后，由于前后车钩力相对平均，在加速或减速的工况下，均可以实现平稳驾驶。

（3）当工况达到较高速度时，过分相区间内的速度变化也较为平稳，其平稳性表现和低速状态较为一致。试验记录波形见图4。

根据静态测试和动态线路测试，该装置对功能优化的验证结果符合预期设计要求。试验内容与结果见表2。

6 结束语

图4 试验记录波形

表2 试验内容与结果

对新型自动过分相装置进行试验验证，验证结果表明，其满足SS4B型直流机车和神华8轴交流机车的不同应用，且满足铁路标准要求。通过逻辑控制及算法优化实现了动作平稳，级位控制平稳，电流控制适当，速度损失小。从试验效果看，在过分相过程中，机车冲击小，实用性强，降低了司乘人员劳动强度，减少了司机在分相前操作的紧张焦虑。该装置具有较强的可拓展性，通信接口丰富，便于软件升级和拓展，且构造简单，易更新、易维护。

[1] 严新. 电力机车车上控制自动过分相的几个问题[J].机车电传动，2004(2)：66-68.

[2] 汪亚平. 我国自主研发的地面控制自动过分相技术创新[J]. 中国铁路，2011(1)：76-79.

[3] 王雅婷. 朔黄线重载运输机车能耗分析[J]. 铁道机车车辆，2016(4)：89-91.

[4] 姚孝刚. 大秦线自动过分相装置误动的处理[J]. 机车电传动，2006(4)：70-71.

[5] 曹兴冈，朱军军，武华军，等. 地铁车辆电气数据采集诊断及无线传输方法研究[J]. 现代交通技术，2016(3)：86-88.

[6] 张鹏超. 基于车载监测装置的机车自动过分相装置的研制[J]. 中国铁道科学，2009，30(2)：141-144.

[7] 吴学明，黄先进，张立伟，等. 嵌入式系统在车载自动过分相装置中的应用[J]. 铁路计算机应用，2009(6)：31-34.

[8] 邓庆伟，朱友远. 一种基于M/T测速法的数字测速电路[J]. 科学论坛，2010(34)：57-58.

[9] 郭保青，余祖俊，许西宁，等. 仿人控制的电力机车自动过分相装置研究[J]. 铁道学报，2002，24(6)：20-23.

Optimization Study of Device for Automatically Passing Through Neutral Section for Electrified Locomotive on Shuohuang Railway

XIE Liang
（Shuohuang Railway Development Limited Liability Corporation，Suning Hebei 062350，China）

The study looks into the design of neutral-section passing device for Shenhua AC-drive eight-axle electrified locomotive, as well as the features of Shuohuang Railway and the neutral-section passing technology for AC-drive electrified locomotive. On this basis, it puts into place an optimized design for both the hardware and the software with the upgraded device then tested for verification. At the same time, the paper integrates the best practice for the technology of automatically passing through neutral section into the resolving of challenges like the optimization of logical algorithm for neutral section, error elimination and the status display of neutral section. The paper then tests the device for efficiency and smoothness in the passing of neutral section. The device has been fully-tested and well-veri fi ed with all indicators meeting the design requirements.

Shuohuang Railway；electrified locomotive；automatically passing through neutral section；calculation optimization；error elimination

U264

A

1001-683X（2017）08-0073-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.08.073

谢亮（1983—），男，工程师，硕士。E-mail：xieliang04@qq.com

责任编辑 卢敏

2017-06-11