计算机牵引供电模拟培训系统设计与研究

杜银龙

0 引言

利用计算机牵引供电模拟培训系统可以更好地对电气化技术、施工人员进行系统培训。模拟牵引供电及其远动控制采用工控机和单片机相结合的控制技术，并以壁挂式大屏幕准确显示电气化供电实时模拟沙盘（将现场实物按45∶1 的比例微缩而成），直接反映了铁路接触网的实际情况。模拟培训系统较为全面地展现了计算机牵引供电模拟培训系统的基本构成、工作原理、施工要点。

1 系统硬件组成

牵引供电及远程监控模拟系统组成主要有控制计算机、灯控板、继电板、显示屏、接触网及其相关设备等。

1.1 模拟沙盘

系统沙盘模拟了2 个标准的4 股道车站及区间。车站的一个咽喉采用“八”字形渡线，另外一个咽喉采用交叉渡线，区间设有道口和铁路桥。沙盘上共有122 根接触网支柱，设有腕臂，定位杆、定位器等支持装置，车站接触网一个采用硬横跨，另一个采用软横跨，接触网线均采用等高悬挂方式。行进中的模拟机车由具有远动控制功能的牵引变电所、分区所、开闭所等供电设施通过接触网供电。

线路采用底宽5 mm、宽3 mm、高7 mm 的模型，由铜质特制轨、特制的轨道基板、轨道垫板和轨道紧固件等组成。

支柱、支持装置和定位装置使接触悬挂导线相对于线路保持在所要求的位置上，腕臂支持装置采用标准腕臂和反向腕臂，两车站多股道的接触悬挂分别采用软横跨（借助于数根横向线索悬挂于布置在线路两侧的2 根支柱上）、硬横跨（固定在位于电气化线路两侧支柱上的实腹钢结构），外形与供电方式同实际现场。

采用单片计算机控制系统实现供电分段控制和模拟牵引显示屏的显示。供电方式完全采用现场实际运行方式，牵引机车采用单线供电，通过钢轨作为牵引电流回流线。沙盘中机车牵引采用直流24 V，轨道电路采用直流5 V，其中一条钢轨作为牵引电流回流轨，有效实现了机车动力电源的供给。

1.2 牵引供电控制系统

牵引供电控制系统采用高可靠性的工控机，利用工控机和单片机相结合的技术，成功模拟了铁路电气化供电及远动控制，通过控制软件实现灯控板和继电器板对各牵引变电所、分区所、开闭所等供电设施的远动控制，同时在显示屏上对各区段供电情况进行实时显示。

牵引供电主控计算机通过单片机串口对CPU板进行控制。CPU 板上主要有AT89C51 单片机、74LS573、74H245 等芯片，经3 个2×13 插槽与3个被控板相连接。由此进行I/O 扩展。3 个灯控板中1 个与继电器板相连，实现上位机对继电器板的控制，继而实现对接触网和显示屏的控制。

牵引供电远动控制软件是基于Windows 操作系统，通过实时控制使操作员用键盘和鼠标进行各种命令操作，实现控制各牵引变电所、开闭所的断路器分合、故障报警显示、有限制的访问数据库等功能。

1.3 牵引变电站模拟屏

采用马赛克与发光二极管组合光带，接线图采用光带显示。由单片机控制电路和驱动电路及电源转换电路实现显示供电状态和对电气化铁道牵引供电网的控制，并可由操作主机进行控制。

1.4 牵引供电控制操作机

系统的牵引供电、接触网、显示屏控制机采用研华610H 工业控制计算机，P4 218GB，硬盘80 GB，内存512 MB，DVD 光驱，19 寸液晶显示器。牵引供电控制操作机由牵引供电远动控制模块、用户管理模块、密码管理模块、日志管理模块、交接班管理模块等组成。牵引供电远动控制模块提供用户操作界面对牵引变电所、开闭所和接触网进行通电及断电控制。

1.5 下位机

下位机（输入/输出和驱动隔离设备)即下层控制器和I/O 扩展模块，为自行开发研制的专用单片机，其负责系统信息的采集输入和发送控制指令，包括第二输入/输出接口板和第二驱动隔离接口板，第二输入/输出接口板用于完成输出控制和输入采集工作；第二驱动隔离接口板用于完成隔离开关及断路器模拟控制、供电显示屏的控制，开关量状态的表示采集。

牵引供电控制操作机将控制流下发给第二输入/输出接口板，由其将控制流下发给第二驱动隔离接口板，通过它将控制流下发给供电显示屏、牵引变电所和开闭所，由牵引变电所和开闭所控制接触网供电；第二驱动隔离接口板接收供电显示屏、牵引变电所和开闭所的返回信号流，将返回信号流发送到第二输入/输出接口板，其将返回信号流发送到牵引供电控制操作机。

图1 中3 个灯控板和继电器板用来模拟牵引变电所和开闭所内部和接触网上使用的隔离开关和断路器。牵引供电控制操作机通过单片机串口对位机进行控制。下位机与3 个灯控板相连接。由此进行输入输出扩展。3 个灯控板中一个与继电器板相连，实现牵引供电控制操作机对继电器的控制。灯控板和继电器板完成模拟接触网，牵引变电所、分区所及开闭所通电和断电。

图1 牵引供电控制结构图

牵引供电控制操作机控制信号经MAX232 驱动器进入位机，下位机将处理后的控制信息与地址信息分时输出。地址信息经74LS573 锁存输出并由74L245 驱动后送往各灯控制板，而控制信号由下位机发出后直接经74L245 驱动送各灯控制板。

（1）灯控板。由第二下位机传送来的地址信息如果与灯控板编码相符，则该板被选通。控制信息经74LS245 与2003 驱动送至各74LS138 三头插针，以便控制各灯的开关。事实上，具体控制哪个灯是要选择的，选择信息是由第二下位机发送的地址信息经灯控制板上74LS138 译码后得到。该信息可以控制使各插针有效或无效。

（2）继电器板。若接触网通电，则由继电器开关控制的相应供电显示屏光带须同时点亮。

2 软件组成

牵引供电远动监控软件运行在中文Windows NT Workstation 4.0 环境下，通过实时控制，使操作员用键盘和鼠标进行各种Windows 标准操作，实现控制各牵引变电所、开闭所的断路器分合、故障报警显示、有限制地访问数据库等功能。

采用Visual Basic6.0 可视化编程语言进行设计。通过该语言设计了包括2 个变电所、2 个分区亭、1 个开闭所的环形电气化铁道的远动监控系统，系统的主要功能是通过计算机模拟实现电气化铁道供电系统的自动化监控，并且具有实时数据、历史数据的处理能力和简单数据的通信能力。系统设计中所用到的画面生成技术全部使用Flash6.0 进行设计。该系统的辅助功能是：进入该系统必须先进行注册才能进行操作。

进入系统后，每一次操作都有记录，并且存放在一个特定的数据库中，可供浏览。每一次操作也可通过实时记录显示在操作屏幕的上方。系统的主要操作包括对变电所、分区亭、开闭所中隔离开关以及断路器的操作，通过对隔离开关和断路器的操作实现对区间接触网的供电。该系统的结构如图2所示。

图2 电力远动监控系统结构图

3 牵引供电系统主电路

电气化铁道供电系统总电路包括2 个变电所（变电所1、2）、2 个分区亭（分区亭1、2）、1个开闭所。其中变电所1 采用的是双母线、内桥接线方式，2 台变压器并列运行；变电所2 采用的是单母线分段、内桥接线方式，2 台变压器并列运行；在两变电所之间分别设置2 个分区亭。变电所2 连接1 个开闭所。

在主界面中显示沙盘的电网运行情况，线路为黄色表示当前线路是A 相带电运行，线路为绿色表示当前线路是B 相带电运行，线路为黑色表示当前线路没有电；在主界面中还有“牵引变电所1”、“牵引变电所2”、“分区所1”、“分区所2”、“开闭所”5 个图标，当鼠标移动到这些图标上，鼠标变成小手形状，单击这些图标即可进入相应的控制界面。牵引变电所操作规则：通电顺序的总体方向必须由上至下，断电顺序的总体方向必须是由下至上。

2 个电源是备份关系，同时只能由其中之一为系统供电；2 台牵引变压器也是备份关系同时只能由其中之一为系统工作。

4 结束语

采用工控机和单片机相结合的技术，成功模拟了铁路电气化供电及远动控制，并以壁挂式大屏幕准确显示电气化供电实时模拟沙盘。

集牵引变电自动化、供变电保护和远程控制于一体的牵引供电系统，具有很高的应用价值和发展前景，尤其是远程送变电控制技术将在未来的高速铁路、客运专线中普遍采用。

牵引供电培训模拟系统的显示界面和操作方法与现实设备一致，该平台也可以很好地将铁路牵引供电和远动控制按现场实际模拟出来，可以对电气化技术、施工人员进行系统培训和模拟演练，能为牵引供电、接触网人员提供较为详细的牵引供电操作知识，从而提高公司的整体实力和技术水平，对于企业发展具有持续的推动作用。