地铁电气控制模块设计

摘 要：电气控制系统对地铁的高效、平稳运行具有重要意义，但是目前电气控制系统存在相应速度慢、功耗高等问题，因此本文对地铁电气控制模块进行了总体设计、硬件设计、软件设计和算法设计。在硬件设计方面，本文以STM32芯片为核心设计了嵌入式系统结构，并以此为基础进行了相应的算法模型设计。最后对地铁电气控制模块进行了测试试验。测试结果显示，在本文设计的电气控制模块下，功耗明显降低，响应速度明显加快，可以更好地保障地铁安全运转。

关键词：地铁；电气系统；控制模块；仿真测试

中图分类号：U 231" " " " " " 文献标志码：A

地铁在城市交通系统中具有重要作用，不仅是主流公路交通系统的有益补充，也极大提升了运输效率、节省了交通系统的占地空间[1]。因此，很多一线城市新一线城市，都在进行地铁建设或者扩大原有地铁的规模。地铁系统的组成结构非常复杂，包含了车体系统、通信系统、控制系统，其中电气控制是非常关键的组成部分[2]。一方面电气控制单元，实现了各种形式能量和电能间的转换，另一方面电气控制辅助其他子系统完成预定的操作，有力地支撑了地铁运输任务的完成[3]。因此，本文设计了地铁系统的电气控制模块和单元，以提高地铁运输性能和运输效率。具体的设计工作包括电气控制单元的硬件设计、软件设计、算法设计以及性能测试和仿真。

1 地铁电气控制模块的硬件设计

1.1 电气系统总体功能

地铁系统的构成非常复杂，涉及车体子系统、控制子系统、通信子系统和电气子系统等。各个子系统的边界区分不严格，在物理空间的架构下，各个子系统可能会出现交叠。电气子系统独立为一个系统，同时嵌入其他子系统中，例如车体的运动控制需要电气电路或某些电气单元，这样各个子系统就形成了交叉。

本文的重点研究对象是电气子系统，尤其是电气控制模块部分。电气控制模块的主要作用是从地铁控制系统接收控制指令或预先设定好的控制程序，并根据这些指令和程序形成自己的控制机制，对电气模块、电器元件和电线路进行控制，进而完成预定的任务，因此地铁电气控制系统的主要功能既包括和控制系统进行信息交换，也包括和车体系统进行能量交换，其总体功能如图1所示。

1.2 电气设备分类

地铁系统里常见的电气设备包括供配电设备、照明设备和通信设备。地铁车站的供配电设备主要包括高压变电站、配电室和配电箱等。高压变电站将高压电网的电压降低后转换为适用于地铁车站的中、低压电能，配电室将高压电能输送至车站各个分配电箱，而分配电箱将电能供应给车站内部各个设备。其中，配电箱主要由进线柜、配电柜和仪表柜等组成，其目的在于合理分配电流和保障车站用电安全、稳定。

地铁车站的照明设备主要包括室内照明、室外照明和紧急照明等。室内照明主要采用LED灯具和荧光灯具等，以达到舒适、均匀、高效的照明效果。室外照明主要采用LED投光灯、荧光灯和路灯等，以提供安全、可靠的照明保障。紧急照明设备则在突发情况下提供关键的照明服务，以保证车站投运的正常运行。

地铁车站的通信设备主要包括综合监控系统、防盗报警系统、广播系统和PIS系统等。综合监控系统能够实时监控车站各个区域的安全情况，防盗报警系统能够在车站内发生突发事件的情况下及时预警、报警，广播系统发布车站内各种运行状态的广播信息，PIS系统发布列车运行时刻表、停车位置等相关信息。

本文对电气控制模块的设计主要是针对照明、通信等电器设备的，旨在降低这些设备造成的电能消耗，并使电气控制具备实时性。

1.3 电气控制模块硬件设计

为了控制地铁中的各种电气设备，本文给出了电气控制模块的硬件设计，其结构以STM32芯片为主。STM32芯片为核心控制器，利用开关输入量控制状态报警，并利用开关量输出控制一些电气设备的启动和停止，此外STM32芯片还与地铁系统中的触摸屏、传感器等保持联系，具体的硬件结构形式如图2所示。

2 地铁电气控制模块的软件和算法设计

地铁电气系统以硬件作为控制结构的支撑，还需要配套算法和软件才能最终实现控制功能。基于图2给出的硬件系统框架，需要进行的软件和算法设计包括运行在STM32芯片上的主控程序软件、用于传感器数据采集和功能控制的程序软件、用于触摸屏显示和录入功能控制的程序软件以及用于电源供电的程序软件等。各个程序间的嵌入和连接关系如图3所示。

需要指出的是，为了获得车厢和重要设备的状态信息，地铁系统会配置大量传感器。这些传感器进行信息采集时通常利用串口总线完成信道建立，以使传感器和STM32芯片相连接。用于车站信息显示的电子屏等设备的显示数据量有限，不需要并行处理，只经过串口连接即可。

显然，地铁电气控制模块最核心的单元是STM32芯片单元，该芯片会对各种形式的能量交换进行控制，保证实际发生功率和各电气单元额定功率相匹配。该过程的具体形式如公式（1）所示。

（1）

式中：T为地铁电气系统工作的持续时间系数；P为地铁电气系统所需要的实际功率大小；t为地铁电气系能量交换的某一个具体时间点位；K为地铁电气系统中两类功率间的协调系数；Q为地铁电气系统所需要的额定功率大小。

车厢内的热量交换是能量交换的一种重要形式，该过程的具体形式如公式（2）所示。

（2）

式中：A为车厢内交换的热量总和；t为热量交换的某一个具体时间点位；p为地铁车厢内的空气密度；V为地铁车厢内的空气总体积；C为热量交换的调整系数；D为计算过程中用到的距离参数；t1为地铁车厢内热量交换完成的起始时间；t2为地铁车厢内热量交换完成的终止时间。

3 地铁电气控制模块的性能测试试验

至此，本文对地铁电气控制模块进行了硬件设计、软件和算法设计，并给出了功率匹配、热量交换等数学模型。下文将以试验的形式对地铁电气系统控制模块的设计效果进行验证，主要包括2组试验。

第一组试验，在本文设计的电气模块下，测试地铁系统实际需求功率确定后控制单元的功率响应变化曲线，曲线的变化形态如图4所示。

以图4中一个点的二维坐标计算过程为例，具体计算方法如下所示。因为充分的气流交换，引出地铁空间内的空气密度为p=1.29kg/m3；地铁车厢的长度为22m，高度为3.8m，宽度为3.0m，可以计算出地铁车厢体积为V=250.8m3；热量交换的调整系数C=0.274；地铁车厢内热量交换完成的终止时间t2=20s，地铁车厢内热量交换完成的起始时间t1=0s；单位时间内车厢内交换的热量总和为2780J，根据公式（2）可以推导出dt，再将dt代入公式（1）。因为地铁电气系统所需额定功率为Q=770W，地铁电气系统工作的持续时间系数T=1.93，地铁电气系统中2类功率间的协调系数K=0.081，根据公式（1）可以计算出当t=20s时系统实际功率P=755W，所以系统实际功率需求和额定功率需求并不吻合，仍需要对其进行进一步调整，系统实际功率曲线需要进一步拉升。图4曲线上各点的坐标均按照上述方法进行计算，从而得到整条功率曲线的变化趋势。由此可见，本文第2节所刻画的模型和阐述公式，是全文理论计算和功率曲线生成结果的依据。

当一个系统实际发生功率时，如果控制模块能够及时响应，迅速将功率曲线拉升至需求功率的位置，就证明这个控制模块的性能较好。相反地，在控制模块的作用下，系统功率需要经过较长时间才能拉升至需求功率的位置，就表明该控制模块的性能较差。

按照上述标准考察本文设计的地铁电气控制模块。当系统实际功率需求快速增大时，电气控制模块能做出及时响应，功率跟随曲线迅速拉升。但是，这种拉升存在一定的误差，从而导致实际功率的幅度超过了需求功率的幅度，产生了超调。但比较理想的是，本文设计的电气控制模块会进一步对功率曲线进行调整，从而从超调的位置回撤，并逐渐与需求功率相吻合。当实际功率和需求功率接近时，功率曲线就会保持平稳，不再变化。这也间接证明了本文设计的电气控制模块的硬件、软件和算法是有效的，可提高地铁系统的功率响应速度。

第一组试验，进一步验证在本文设计的电气控制系统和控制软件下，地铁系统的满载运行功率情况，试验结果如图5所示。

在这组试验中，本文选择具有5节车厢的地铁作为研究对象，分别是车厢1、车厢2、车厢3、车厢4和车厢5。在常规控制的手段下，5节车厢的满载运行功率均较大，而在本文设计的电气控制模块控制下，各节车厢的满载运行功率明显降低，从而显著降低了地铁系统的能源负荷，也可以达到节能目的。

综合上述2组试验不难看出，本文设计的电气控制模块和相应软件可使地铁系统实现快速响应控制、节能控制，达到了令人满意的效果。

4 结论

地铁系统的构成非常复杂，涉及车体子系统、控制子系统、通信子系统和电气子系统等。本文针对地铁系统的电气控制进行了系统研究和验证。分析了地铁系统的组成结构和工作原理，进而给出了基于STM32嵌入式电气控制系统的硬件结构和软件设计方案，构建了与能量交换、热能转换工作过程对应的算法模型。在试验过程中，以具有5节车厢的地铁系统为试验对象，以常规控制方法为参照方法，证明了在本文方法的控制作用下，地铁系统可以实现快速功率响应，并且满载运行功率较低，从而取得了良好的节能效果，可以更好地辅助地铁运行。

参考文献

[1]杨博.电气自动化的发展及在地铁中的应用体会[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022，35（10）：41-44.

[2]穆泓冰，王永利，杨宇鹏.地铁车辆电气系统中牵引与辅助供电系统的故障与检修方法[J].中国设备工程，2023，32（11）：182-184.

[3]王蒲民，梁利勇.浅谈外电源电压波动对地铁电气设备运行的影响及防治措施[J].西安轨道交通职业教育研究，2022，25（1）：122-128.