受电弓控制电路故障检修实训平台设计*

张俊达

（安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002）

0 引言

受电弓系统是城轨车辆连接牵引供电回路中的关键系统之一[1-2]，高职院校城市轨道交通相关专业的学生需具备受电弓相关的专业理论知识和实践操作技能[3]。车辆检修中继电器柜受电弓控制电路的故障检修考验学生的理论和实践水平，能够快速处理设备故障对于相关专业学生参加轨道车辆技术职业技能竞赛有很大的帮助，也对学生未来从事相关领域工作有一定的帮助。但目前只能购进精密的继电器控制柜，也没有合适的继电器实训设备[4]。因此，设计一套训练轨道交通专业学生的继电器控制电路故障设置与恢复实训平台，有助于提高学生的故障查找与检修能力。

目前，轨道交通职业院校对受电弓控制电路故障检修的能力训练，通常学习时只停留在电路图的识别、设备的参观，难以进行实际的训练。或者由指导教师手动设置断路或断路故障[5]。学生对故障点的检测完成后，教师对电路的故障进行恢复又需要一定时间。

针对以上问题，课题组研究设计了一套受电弓控制电路故障检修实训平台，采用上位机软件控制下位机快捷方便地设置和恢复受电弓控制电路故障，用以有效提高学生使用万用表等测量工具检查受电弓控制电路系统故障的水平，而且能节约大量时间。

1 受电弓系统结构与动作原理

本受电弓系统由受电弓、气泵、气阀箱和受电弓控制电路组成，如图1所示。电磁阀在气阀箱中，当电磁阀得电时，气泵中的压缩空气从电磁阀通过，受电弓气囊充气升起；当控制阀失电时，受电弓在重力作用下排出气囊中的空气，实现降弓[6]。所以可以通过升、降弓按钮来控制受电弓控制电路通电或者断电，从而实现受电弓的升与降[7]。

图1 受电弓系统结构

根据受电弓实际控制电路逻辑与原理，设计实训平台受电弓控制电路，如图2所示。

图2 受电弓控制电路

1.1 升弓控制原理

闭合允许升弓旋钮，允许升弓继电器K1得电，常开触点闭合。闭合受电弓控制微型断路器，按下升弓按钮S1，执行升弓指令，升弓继电器K3得电，自闭电路使升弓继电器K3得电保持。使升弓阀控制继电器K4得电，控制升弓阀动作升弓[8]。

1.2 降弓原理

按下降弓按钮S2，执行降弓指令。降弓继电器得电，K2常闭触点断开，升弓阀继电器K4失电，受电弓降弓。

2 平台设计

受电弓故障检修实训平台结构如图3所示。系统由上位机软件和下位机故障设置与恢复系统组成，下位机与上位机通过串口连接。通过上位机受电弓控制电路应用软件下达故障设置与恢复的命令，传输到下位机系统，串口将指令交给微处理器模块，控制故障设置与恢复继电电路板上的对应微型继电器动作，进而实现设置故障或清除故障。下位机采集受电弓控制电路状态信息，通过串口上传给上位机显示指令状态。受电弓控制电路继电器选用中间继电器，故以直流24 V供电。下位机系统采用5 V供电[9]。

图3 受电弓故障检修实训平台系统框图

2.1 上位机软件设计

上位机受电弓控制电路应用软件主要分为三个模块，其主要组成如下。

1）受电弓图元：受电弓控制电路中的各种器件。用户根据受电弓控制电路来仿真受电弓控制电路工作状态，分为教师设置故障和学生恢复故障两个界面。

2）编辑工具：用来对受电弓控制电路中继电器接点、继电器、导线、熔断器等进行模块化设置，便于组态。教师设置故障界面可以通过点击编辑工具设置对应的故障，学生恢复故障界面可以通过点击相应编辑工具改变对应故障设置与恢复继电电路板上的相应微型控制继电器的工作状态。

3）元器件图元属性：根据电路图中不同元器件来划分不同的属性。用颜色、虚实、特点等属性的设置、修改、保存等来显示对应故障设置与恢复继电电路板上的相应微型控制继电器的工作状态[10]。

上位机软件操作流程如图4所示。

图4 上位机软件操作流程图

2.2 下位机故障设置与恢复系统

系统由微处理器模块、串口通信模块、故障设置与恢复继电电路模块组成。本故障设置与恢复电路模块主要负责受电弓控制电路的断开或接通。

如图5所示，实心黑点为设置故障点的位置，实心黑点两端的线分别接在故障设置与恢复电路的继电器接点两端。

图5 受电弓控制电路故障设置点

若需要在实心黑点位置设置故障，在软件操作界面点击设置，发送指令，串口将指令发给微控制器。微处理器控制电路板上的微型继电器吸起，断开常闭触点，产生断路故障；接通常闭触点，产生短路故障。若需要恢复电路正常通路，上位机软件点击恢复，控制电路板上微型继电器落下，则故障点消除，电路恢复正常。

微处理器模块使用高性能、低功耗的STM32F103微处理器作为控制核心，通过串口RS485的通信方式与上位机连接[11]。接口程序的主要功能通过控件串行端口实现，串口接口设计流程图如图6所示。

图6 串口接口设计流程图

故障设置与恢复继电电路模块主要由NPN型三极管2N2222、微型继电器TEXTELL和光耦PC847A组成。STM32微处理器的I/O口通过电阻R1与光耦U1连接，Q1为继电器驱动三极管。

以设置单个断路故障为例，如图7所示，STM32微处理器I/O口输出高电平，光耦U1导通，控制三极管Q1导通，继电器吸起使受电弓的控制电路断开，实现受电弓控制电路断路故障的设置；当学生在电路上检查出故障的位置和故障类型，在上位机软件界面点击对应故障位置和操作，STM32微处理器输出低电平，三极管Q1截止，继电器闭合，电路恢复。

图7 故障设置与恢复电路

2.3 状态采集电路

电路采集升弓按钮指令001、降弓按钮指令002以及升弓继电器状态003，如图8所示。该电路由光耦连接微处理器和受电弓控制电路的测试点组成。当状态电平输出，驱动光耦动作，LED小灯亮，使得高电平输入到微处理器对应引脚，实现指令和状态的采集。

图8 状态采集电路

3 结语

受电弓控制电路故障检修实训平台能根据需求设置受电弓控制电路的断路与短路故障，学生检测出故障后在上位机进行恢复，并能采集受电弓控制电路指令状态，实训平台可以实现故障的设置与恢复。实训平台在模拟故障时，仅需要在上位机操作并用万用表等工具测量就能完成实训的训练目的，在教学中能有效提高学生在继电器电路维修中查找故障的水平以及恢复电路的速度。该实训平台可为轨道交通信号和控制等方向的课程提供实训帮助，也可扩展到为城市轨道交通服务，帮助企业员工培训等。