1、铁路信号微机检测系统摘 要轨道电路作为信号设备的三大件之一，是实现列车车辆占用检查的设备，它直接关系到行车安全，是电务人员维修、测试工作的重点，同时是信号监测设备重点监测的对象。通过监测轨道电压能有效地反映轨道电路的运行状态，实现故障的预防，并及时消除不良隐患。本次设计论文主要针对25Hz交流轨道电路的轨道电压进行监测，设计分为两大部分：实现数据采集功能的硬件部分；实现数据处理及管理功能的软件部分。硬件部分采用的核心设备为研华公司的ADAM-6017，该设备可实现对模拟量和数字量的实时采集。软件又可分为两部分：对采集过程的控制和对所采数据的处理。软件部分是以C+作为设计开发的主要语言工具、以S
2、QL Server 2008作为数据库设计平台来完成的，通过使用C+ Builder软件和SQL Server 2008数据库，实现对交流轨道电路轨道电压的监测。其中采集到的数据以数据库表的形式记录，以调用存储过程的方式实现对监测数据的调用、查询、报表打印功能。关键词: 微机监测；铁路信号；轨道电路；模拟量采集AbstractTrack circuit is one of the three important signal equipment, is the equipment to achieve the occupancy inspection of the train or vehic
3、le, it is directly related to the traffic safety, is the key of telecommunication personnel maintenance, testing, and signal monitoring equipment, at the same time, it is the object of the monitoring equipment for signal monitoring. The monitoring rail voltage can effectively reflect the operating s
4、tate of track circuit, realize the fault prevention, and eliminate the bad hidden danger in time. This thesis mainly aims at studying the 25 Hz AC track circuit voltage monitoring. The design is divided into two parts: the hardware part and software part. The function of hardware part is data acquis
5、ition, the function of software part is data processing and management. Hardware part adopts the core equipment ADAM-6017 of Advantech Company. The equipment can realize the real-time collection of analog quantity and digital quantity. Software can be divided into two parts: the control of the acqui
6、sition process and the processing of the collected data. C+ is the main language of design and development tools in Software part, and SQL Server 2008 is the database design platform. The track voltage of AC track circuit is monitored by using Builder C+ software and Server SQL 2008 database as desi
7、gn tools. The data collected is recorded in the form of database tables, by calling the stored procedure to achieve the function of query, report printing. Key Words: The microcomputer monitoring, Railway signal, Track circuit, Analog acquisition1 绪论1.1 研究背景与意义随着通信技术的进步，铁路信号微机监测技术也取得了相应的发展，并且得到了铁道部有
8、关领导的重视。上个世纪末铁道部组织有关专家研制开发了第一代TJWX型信号微机监测系统，并且将其推广应用于五大干线，为监督信号设备运行状态及铁路运输安全做出了贡献1。信号微机监测系统研制外在动力是计算机技术的高速发展，内在动力是安全生产的需要，是铁路信号技术自身发展的需要，是信号维修制改革的需要2。信微机监测系统是电务部门的“黑匣子”，是保证列车运行安全、监测信号设备运行状态和提高电务部门维修技术的重要手段，也是实现设备状态修的必然选择，通过信号微机监测系统可以实时、动态、准确、量化地反映信号设备的运行状态，从而指导现场维修，它是铁路信号技术向高安全、高可靠和网络化、数字化、智能化发展的重要标志
9、之一3。1.2 信号微机监测系统的研究现状目前，国外铁路信号微机监测系统在信号设备、线路状况、车辆情况及有关环境状况进行实时跟踪、记录、分析和监测方面已经形成一套非常完备的监测体系。近年来，随着计算机软件技术的发展以及硬件制造工艺的提升，我国信号微机监测系统得到了长足的发展，其功能也不断完善，但就总体而言，信号微机监测系统仍然存在许多的缺陷。其中最大的不足之处就在于对室外设备的动态监测和数据智能化分析处理功能仍很欠缺4。而国内目前的情况是，铁路信号技术正处在传统技术向现代技术转型时期，铁路信号微机监测系统较其他的信号联锁设备更新发展速度缓慢。1.3 TJWX-2000型微机监测系统1.3.1
10、TJWX-2000型微机监测系统简介由于铁路信号设备是保证铁路行车安全的基础设备，在铁路运输系统中，肩负着指挥列车运行和调车作业，以及向行车有关人员指示运行条件的责任。所以，信号设备能否正常运行、设备的性能是否良好，会直接影响到整个铁路运输的安全可靠和运输效率。故对信号设备的实时监测必不可少，微机监测系统利用传感器、现场总线、计算机网络通信、数据库及软件工程技术，监测并记录信号设备的主要运行状态，及时和准确地提供铁路列车运行信息，当设备的工作状态偏离预定界限或出现异常时及时报警。微机监测系统上电投入运行后，能够自动对信号设备进行24小时不间断监测，实时并真实地反映出每一时刻信号设备运行状态，并
11、且能够记录有关设备的故障次数、故障时间、动作次数和操作过程，通过对记录的数据进行一定的逻辑判断，实现对运行中的设备可能出现的故障进行超前判断，及时发现设备隐患，提醒电务维修人员及时消除隐患，从而实现状态修，使铁路运输系统不至于因为设备故障而停止运转，提高铁路运输系统的效率，也延长了设备的平均无故障时间。综上所述，微机监测系统为设备故障分析和判定违章作业过程提供了可靠依据，同时使设备运行质量始终处于受控状态，实现了设备由原来的计划修模式转换为状态修模式，大大的提高了设备的可靠性及可用性，保证了铁路运输的可靠性、安全性和高效率运输。1.3.2 TJWX-2000型微机监测系统组成信号微机监测系统一
12、般采用的是三层网络，分别是：电务段管理层、车间管理层以及车站采集子系统，这三层网络由于铁路线路以及车站位置的原因分布也是千差万别，在地域上的跨度通常能达到几十公里至几百公里范围。车站采集子系统是由若干采集分机和一台车站监测主机构成，如图1.1所示。电务段管理层设有用于数据存储的数据库服务器，并且有一台行车调度终端以及若干维修中端。车间管理层只设置维护终端。图1.1 信号微机监测系统的组成结构图电务段层由两类监视机组成，分别是实验室监视机和调度室监视机。在电务段层设置了一台主服务器，用于网络管理服务；设置了多个终端机，用于电务段人员实时掌握现场设备的运行状态；设置了大量通信设备，如集线器、路由器
13、、调制解调器、打印机等，用于主服务器和其他设备进行通信。车站层主要由站机（管理机）和采集机组成，站机和采集机之间通过CAN总线连接。车站层采集机的主要功能是在线采集各种信号设备的模拟量、开关量，对各种数据进行预处理，并通过CAN总线传递给站机5。采集机的类型根据采集内容的不同可分为开关量采集机、轨道采集机、道岔采集机、区间采集机和综合采集机。站机的主要功能是实现人机对话。每个车站均按照铁路系统的网络架构和网络通信协议与上级管理系统相连接。从整体来看，TJWX-2000型微机监测系统呈现“树”形网络结构。1.3.3 TJWX-2000型微机监测系统硬件组成微机监测系统为了适应各种类型的铁路站场，
14、方便对其进行移植、组装、扩充和修改，在硬件上必须要求具有较强的通用性、可扩展性和互换性1。另一方面，不同站场的电务维修人员在维修经验和维修习惯上各有不同，所以微机监测系统要在实现基本功能的基础上尽可能地满足维修人员提出的新的监测对象和监测功能。此外，微机监测系统要与其他控制系统进行实时通信，所以在系统的硬件结构设计时必须具有联网功能。基于上述对微机监测系统的基本要求，其硬件主要包括人机对话设备、采集通道和上位机三部分组成，如图1.2所示。图1.2 微机监测系统硬件组成(1) 上位机上位机的选择必须考虑到抗干扰性、安全性和高可靠性，因此一般选用PC工业控制机，完成系统的管理和人机交互任务，实现与
15、其他系统的联系，并完成对采集信息的存储，其存储应能将主要的信息保存24小时以上，在此期间，信息应不会发生溢出的情况。(2) 采集通道采集通道包括模拟量采集和开关量的采集，采集功能是由采集机完成的，采集机完成监测对象的采集、处理和信息的存储，由于采集机功能简单，信息存储要求并不是很高，一般选用单片机，从而降低了整个系统的成本。(3) 人机对话设备人机对话设备主要完成监测信息以及系统中设备工作状态的显示、打印和各种报警提示。1.3.4 TJWX-2000型微机监测系统软件结构微机监测系统是一个以信息自动采集到远程利用的完整的远程信息系统，微机监测系统的网络化实现了信号设备的集中维修和集中管理。目前
16、，我国路局的运输指挥管理系统的管理体制是：以行车指挥为核心，站、段为基础，实现站、段，路局两级运输管理的体制。基层综合信息网作为基础的站、段信息网络，在路局运输指挥系统中是必不可少的网络组成部分，微机监测系统为实现基层综合信息网奠定了良好的技术基础。微机监测系统的数据处理同样分为三个层次，这三个层次分别为：数据生产层、数据管理层以及数据消费层。数据生产层主要指车站层，包括站机和信息采集机，实现对数据的采集、分类和处理；数据管理层包括段服务器和终端机，实现管辖区域内的车站信息的汇总和作为上层终端查询的数据源；数据消费层包括车间、电务段实验室、部电务实验室、电务处、电务分处，这些部门均为用户终端，
17、铁路局和铁路总公司作为上层网络，通过数据终端的方式登录电务段服务器，连接到微机监测系统网，终端具有与段监视机同样的功能，即进行人机对话、网络维护及管理、查询数据、报表生成及打印功能等。微机监测系统需要采集和处理大量的数据，这些监测数据是由站机和服务器存储并管理的，每个车站的所有数据均由本站的站机管理，服务器汇总段内所有车站的数据，汇总的数据以专用格式存储，不能对其进行随意修改，只能由信号设备监测专用程序来读取。图1.3所示为信号微机监测系统的层次结构图。图1.3 信号微机监测系统的层次结构1.4 主要研究内容监测轨道电压，轨道电压取样点为组合侧面端子，经高阻隔离电路与信号放大电路后接入A/D转
18、换模块。系统程序将完成对所采数据的分析和存储，并在轨道电路异常时给出报警，数据库存储轨道电路的实时信息。(1) 为了提高了信号系统的安全性，信号微机监测系统具有自诊断功能，避免由于系统故障而导致的事故； (2) 为了及时发现安全隐患，信号微机监测系统能够全天候运行，实时反应设备运行状态； (3) 为了提醒值班人员能及时发现和处理故障，信号微机监测系统具备故障报警功能等； (4) 为了更直观的反应轨道电路的状态，信号微机监测系统应能绘制出轨道电路的实时电压曲线，显示轨道电压的变化趋势；(5) 为了能对用户进行管理，系统中增加了用户信息管理模块。2 25Hz相敏轨道电路2.1 25Hz相敏轨道电路
19、技术要求(1) 适用于范围：站内电气化区段，并且需满足钢轨连续牵引总电流800A，钢轨不平衡电流60A；(2) 对于无电力机车行驶的区段，轨道电路可不加扼流变压器；(3) 对轨道电压和局部电压进行集中调相；(4) 在最不利条件下，轨道继电器线圈上的电压应不大于50V，调整状态下的有效电压为不小于15V，分路状态下的有效电压为不大于7.4V；(5) 一送一受的双扼流和无扼流变压器的轨道电路，其极限长度应达1500m；(6) 采用电子设备时，应采取相应的防雷设施。2.2 25Hz相敏轨道电路工作原理25Hz相敏轨道电路主要用于实现站内电码化，功能为检测轨道上有无列车（车辆）占用。它是实现铁路列车远
20、程控制和列车运行自动控制的重要设备之一。25Hz相敏轨道电路的电源采用的是区别于50Hz牵引回流的25Hz交流电源，受电端采用高可靠性的二元二位继电器。图2.1 25Hz相敏轨道电路原理图图2.1所示为25Hz相敏轨道电路原理图。轨道电路一般有三种状态：当轨道上无列车或车辆占用时，轨道电路为调整状态，此时反映此轨道电路状态的二元二位继电器处于吸起状态；当轨道上有列车或车辆占用时，轨道电路为分路状态，此时二元二位继电器处于落下状态；第三种状态为故障状态，具体表现为轨道电路分路不良和轨道电压超限。 25Hz相敏轨道电路采用25Hz电源屏分别供出25Hz、220V的轨道电源和25Hz、110V的局部
21、电源。电源屏的输入电源来自于电网的50Hz交流电。轨道电源从室内供给，通过电缆供向室外，经过送电端25Hz轨道电源变压器(BG25)、送电端限流电阻(R)、送电端25Hz扼流变压器(BE25)、受电端25Hz扼流变压器(BE25)、受电端25Hz轨道中继变压器(BG25)、电缆线路，送回室内，经过防雷补偿器(Z)、25Hz防护盒(HF)给二元二位轨道继电器(GJ)轨道线圈供电。局部线圈的25Hz电源由室内提供。其中，25Hz、110V的局部电源直接接入二元二位继电器的局部线圈，25Hz、220V的轨道电源与轨道相连，而轨道线圈的电压由于轨道长度及钢轨阻抗不同，幅度各不相同，但在接入二元二位继电
22、器的轨道线圈端子时均保持在20V左右。当轨道线圈和局部线圈电源满足要求时，GJ吸起，反之亦然。2.3 二元二位继电器二元二位继电器是25Hz相敏轨道电路接收器。它主要由带轴翼板、局部线圈、轨道线圈和接点组四个部分组成，安装在铝合金支架内，二元二位继电器根据电磁铁所建立的交变磁场与金属转子中的感应电流之间相互作用的原理进行动作，属于交流感应式继电器6。当对局部线圈以及轨道线圈分别通以具有一定相位差的交流电流时，就会在继电器的局部磁路和轨道磁路形成相应的交变磁通，磁通在穿过翼板时便会产生相对应的感应电流，也称该感应电流为涡流，涡流分别与局部磁通和轨道磁通作用，产生两个电磁力，在这两个电磁力的相互作
23、用下翼板就会发生转动。当局部磁通超前轨道磁通90度时，翼板正方向转动，接通前接点；当局部磁通滞后于轨道磁通90度时，翼板反方向转动，使后接点更加闭合。若只给二元二位继电器的一个线圈通电，或者为两个线圈通以相同的电源，翼板均不能转动，也就是说，二元二位继电器具有可靠的相位选择特性，这一特性解决了轨道绝缘破损所带来的问题，提高了二元二位继电器的可靠性，所以二元二位继电器在现场的应用比较广泛。 2.4 系统对25Hz相敏轨道电路的监测轨道电路是铁道信号三大基础设备之一，其使用环境差，是最易发生故障和易受外界影响的设备6。而25Hz相敏轨道电路作为现场应用最多的轨道电路，对于它的监测关系到整个铁路运输
24、的安全和效率。本次针对25Hz相敏轨道电路设计的信号微机监测系统通过后台数据库的支持能够提供轨道电路的电压曲线，以便值班人员能实时监测轨道电路的电气特性变化趋势，及早发现安全隐患，预防以及分析轨道电路发生的故障。本次设计的信号微机监测系统具有实时监测功能和报表打印功能，在实时记录轨道电路电压变化的同时还能将故障记录以报表的形式打印出来，便于现场的信号维修人员直观地分析指定时间段内某轨道电路电气性能的变化状况，很大程度上提高了处理故障的能力以及效率。该信号微机监测系统只监测25Hz相敏轨道电路的轨道电压，对于局部电压以及电压相位角的监测则不作考虑，需要注意的是现场对这两项同样进行了监测，目的是帮
25、助维修人员缩小故障范围，准确判断故障发生点，节省人力物力提高解决故障的能力和效率，特此说明。3 轨道电路电压采集系统硬件设计3.1 总体硬件设计3.1.1 监测点由于本次设计的监测对象是25Hz相敏轨道电路的轨道电压，因此监测点应该是轨道继电器轨道线圈两端的电压，为了不影响轨道电路的正常工作，采样点可从继电器组合架的侧面端子直接取样。3.1.2 交流轨道电路隔离采样原理交流轨道电路电压采集的硬件设计分为三个部分，分别为高阻隔离电路、整流电路以及模数转换模块ADAM-6017，如图3.1所示。图3.1 交流轨道电路隔离采样框图3.2 高阻隔离电路设计由于ADAM-6017的模数转换器测量的是从外
26、部接入的轨道线圈电压，所以需要先经过高阻隔离电路。高阻隔离是为了使采集模块的电路与被监测对象相互分离开来，使两者之间不产生直接的电气联系，特别是为了防止外部电路出现突发状况，比如短路或出现瞬时的高电压对数据采集模块的硬件设备产生破坏性影响。高阻隔离的方法有很多，但考虑到稳定性与经济性，本次设计选用电流互感器作为高阻隔离电路的核心元件。普通电流互感器的结构比较简单，其性质为信息传感器，主要由以下几部分组成：一次绕组和二次绕组，两个绕组之间相互绝缘；铁心以及构架，其作用是增加磁通量；壳体、接线端子。电流互感器与变压器的工作原理基本相同，其一次侧的绕组匝数比二次侧少。一次侧绕组串接在被监测对象的电源
27、回路中；二次侧绕组与数据采集模块串接形成闭合回路。当一次侧绕组有电流流过时，在二次侧绕组由于磁场变化便会产生按比例减小的二次侧电流，即将一次侧的高电流转换成二次侧的低电流，保护二次侧的数据采集模块安全地获取一次侧的电气特性。电流互感器的特性主要有以下几点：(1) 当被测对象发生故障如出现大电流时，电流互感器应在适当的量程内饱和以保护测量仪表；(2) 电流互感器可以安全的获取一次侧的电气特性；(3) 电流互感器的一、二次绕组之间有足够的绝缘，从而保证所有低压设备与高电压相隔离。图3.2 高阻隔离电路图3.2为高阻隔离电路的设计原理图，右侧“IN-”及“IN+”接入轨道线圈的电压，经过20K的电阻
28、衰减，2.2uF的电容起“隔直通交”的作用。对于25Hz相敏轨道电路来说，轨道线圈电压为最大有效值40V、频率为25Hz的交流电，则此时流入互感器的电流约为：由于此次设计所选用的电流互感器额定电流比为1，所以此时电流互感器的二次侧电流等于一次测电流约为2mA，如果在输出端并联若干电阻就可以在电阻两端产生电位差，用于对输入电压的采样。因此当输入的电压为40V时，输出端产生的电压为：有效值大约为：在通常情况下，当轨道电路处于调整状态时轨道线圈两端的电压为20V左右，考虑到数据采集模块的模拟量输入范围，在电流互感器的负载上加入两个并联的500电阻。则此时流入电流互感器的电流约为：负载两端产生的电势差
29、为：有效值大约为：在25Hz相敏轨道电路中，轨道线圈两端的电压通常为25Hz 、20V左右的交流电，在电流互感器二次侧产生的感应电流大小约为1mA，根据上文中所设计的隔离电路，此时负载两端的电位差在400mV以下。而ADAM-6017的差模输入范围有1V档，所以不需要再对输出的交流信号进行放大或变压。3.3 整流电路设计由于电流互感器二次侧输出的依然是交流信号，但是ADAM-6017的输入要求为直流电压信号，所以还要添加一个整流电路，使ADAM-6017的输入电压变为直流。如图3.3所示。图3.3 整流电路3.4 研华ADAM-6017数据采集模块3.4.1 ADAM-6017功能介绍ADAM
30、-6017 是一款基于以太网远程数据采集的智能型 I/O 模块。 ADAM-6017 是 16 位 A/D模块、提供了 8 通道的模拟量输入和 2 通道的数字量输出，可以采集电压、电流等模拟量输入信号，并且为所有通道都提供了独立的可编程的输入范围7。ADAM-6017 支持TCP/IP、UDP 以及 Modbus TCP 协议。ADAM-6017 具有 4-20mA、0-20mA电流量程。ADAM-6017 可以采集电压和电流信号，只需要将被测信号连接到 Vin+、Vin-之间即可，研华默认出厂设置是测量电压信号，当您需要测量电流信号时，需要打开盒盖设置跳线。ADAM-6017的外观图如图3.
31、4所示。图3.4 ADAM-6017外观截图3.4.2 ADAM-6017模拟量输入规格本次毕业设计所需要的是ADAM-6017的模拟量采集功能，其模拟量采集通道的参数如下所示：(1) 通道： 8路差分； (2) 输入阻抗： 10M（电压），120（电流）； (3) 输入类型： mV，V，mA； (4) 输入范围： 150mV，500mV，1V，5V，10V，20 mA，420 mA； (5) 精度： 0.1% or更好； (6) 满量程漂移： 25ppm/； (7) 零漂移： 6V/； (8) 分辨率： 16位； (9) 采样速率： 10个采样点秒； (10) 过压保护： 最大35V。 3.
32、4.3 电源连接ADAM-6017需要外接电源，其工作电源为1030V之间的直流电，电源接在Vs和GND端之间，如图3.5所示。本次设计采用的是直流15V供电。电源是实验室提供的电源设备，用来模拟轨道继电器线圈两端的电压。交叉网线作法：一头采用568A 标准，一头采用568B 标准； 568A 标准：绿白，绿，橙白，蓝，蓝白，橙，棕白，棕； 568B 标准：橙白，橙，绿白，蓝，蓝白，绿，棕白，棕。图3.5 电源连接截图3.4.4 硬件连接ADAM-6017 与主机有两种连接方式，一种是通过交叉网线与PC机直接相连，另一种是经过交换机与PC机进行相连。本次设计用的是第一种连接方式，如图3.6所示。图3.6 硬件连接截图4 轨道电路电压采集系统软件设计4.1 软件总体设计信号微机监测管理信息系统的软件分为两大部分，分别是由C+
