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1、第10章 微机检测系统与控制系统应用实例,10.1 电力机务段车顶钥匙管理系统设计 10.2 铁路线路限界检测系统设计 10.3 京沪高铁施工侵限报警装置设计,10.1 电力机务段车顶钥匙管理系统设计,10.1.1 应用背景 10.1.2 系统总体方案设计 10.1.3 室外智能节点设计 10.1.4 室内钥匙管理柜设计 10.1.5 中央控制计算机软件设计,10.1.1 应用背景,电力机务段检修人员在段内整备.检修电力机车时，经常需要在机车顶部作业。由于机车顶部接近25kV接触网，安全距离只有1.5米，在检修人员登上车顶前，必须先操作隔离开关切断接触网高压，确认接触网断电之后才能登上车顶作业
2、，否则将无法保证人员的生命安全。 目前，国内车顶钥匙管理流程中的信息登记.确认.传达等步骤都采用人工方式。其中机车车号的录入，机车停放股道的核对，对高压接触网的上下电操作，接地杆状态的核对等操作由监控人员亲自完成。人的疏忽或情感因素会增加系统的不安全因素，给生产过程带来很大的安全隐患。 车顶钥匙管理系统就是通过计算机实现上述流程的控制，在前面步骤没有完成的情况下无法进行后续步骤的操作，从而保证检修人员的生命安全，提高检修工作的安全系数。,10.1.2 系统总体方案设计,车顶钥匙管理系统包括室外智能监控节点，室内钥匙管理柜和中央控制计算机3个部分，系统结构如图10-1所示。,图10.1 车顶钥匙
3、管理系统总体结构,10.1.2 系统总体方案设计（续1）,系统中1个室外智能监控节点（以下简称室外智能节点）对应1个股道，其功能是采集对应股道的车号.车辆停放位置.备品箱.操作箱.接触网及接地杆状态并通过Zigbee无线网络将上述状态传送到中央控制计算机，根据中央控制计算机分配的权限对股道设备进行控制，防止工作人员的误操作，保证隔离开关的操作按照正确的流程安全地进行。,10.1.2 系统总体方案设计（续2）,室内钥匙管理柜的主要功能是读取各个电子钥匙箱内存放的电子钥匙类型（车顶钥匙或机车钥匙），并通过CAN总线将各个箱体的状态发送给中央控制计算机。同时，电子钥匙管理柜响应中央控制计算机的控制命
4、令，实现电子钥匙的半自动存取。 中央控制计算机的功能是对室外智能监控节点和室内钥匙管理柜的数据进行综合处理和逻辑判断，根据判断结果发送对应操作权限给室外智能节点或室内钥匙柜节点。同时，中央控制计算机对采集的状态进行图形化显示，对整个操作流程的关键步骤进行日志记录，提供日志查询功能。,10.1.3 室外智能节点设计,室外智能节点的主要功能是采集股道信息并监控隔离开关的操作流程，采集的信息包括：电力机车车号及停放位置，电子钥匙申请信息，接触网状态，工具箱状态，操作箱状态和接地杆状态。为防止误操作，室外智能节点还要对工具箱锁.操作箱锁，接地杆锁进行控制。室外智能节点的总体结构如图10-2所示。,10
5、.1.3 室外智能节点设计（续1）,图10.2 室外智能节电的总体结构图,1.通信模块选择,通讯模块主要负责和中央控制计算机之间的数据交换，将采集的各种状态信息发送给中央控制计算机以供显示和决策，并将中央控制计算机发送的控制命令发送给室外节点，从而控制各电控锁的开关动作。系统选用Zigbee无线模块构建通讯网络。 整个系统采用主从通讯模式，中央控制计算机为主机，室外智能节点为从机，主机定期轮询各从机并接收从机发送的状态信息，若需要进行控制，主机则传送控制命令到从机。,1.通讯模块选择（续）,Zigbee是一种短距离.低复杂度.低功耗.低数据速率.低成本的双向无线通信网络技术，是IEEE 802
6、.15.4协议的代名词。Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而具有简单.使用方便.工作可靠.价格低的特点。一个Zigbee网络可包括多达65000个无线通信模块，各模块间可以相互通信。,2.隔离开关状态检测模块设计,高压接触网的带电状态是车顶钥匙发放的依据，也是确保检修人员人身安全的关键。接触网电压很高，直接测量存在困难，由于接触网上下电操作通过旋转隔离开关操作杆来完成，因此可通过检测隔离开关操作杆的旋转角度来判断接触网的通断状态。,2.隔离开关状态检测模块设计（续1）,隔离开关操作杆上有一个圆盘，每次接触网下电，圆盘要顺时针旋转90度；上电时，圆盘则逆时针回转90度。
7、因此，在圆盘上安装2个相隔90度的磁钢，同时以一个磁钢为基点，相隔180度安装2个霍尔传感器，如图10-3所示。,图10.3 霍尔传感器安装示意图,2.隔离开关状态检测模块设计（续2）,假设高压接触网断电时，状态如图10-3所示，霍尔传感器1输出低电平，霍尔传感器2输出高电平；进行上电操作时，旋转隔离开关操作杆，圆盘逆时针转动90度，则磁钢1离开霍尔传感器1检测范围，霍尔传感器1输出高电平，霍尔传感器2检测到磁钢2而输出低电平。根据2个霍尔传感器的输出变化可以判断隔离开关操作杆的位置，从而判断接触网的通断状态。,图10.3 霍尔传感器安装示意图,3. 电力机车信息采集模块,电力机车信息采集模块
8、的作用是采集指定股道上停放机车的车号和位置。 （1）车号信息采集模块 （2）机车位置采集模块,（1）车号信息采集模块,车号是确定车辆唯一性的关键信息。本系统采用射频识别技术来取代传统的人工抄送车号的方式，提高了工作效率和可靠性。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。,（1）车号信息采集模块（续1）,系统中采用的是上海秀派电子科技有限公司的射频识别器SP-D200（如图10-4所示），SP-D200采用“Super RFID”技术，其技术性能如下： 远距离，有效识别距离从0米到80米可调。 极高的
9、防冲突性，可同时识别200个以上不同的射频识别卡。 高速度，检测移动时速可达200公里以上。 智能化，RFID与收发器之间可实现双向高速数据交换。 高可靠，适应工矿工作环境（-40-85），防水，防冲击。 超低功耗，采用全球开放的ISM微波频段，无须申请和付费。 高抗干扰性，对现场各种干扰源无特殊要求。,图10.4 SP-D200射频识别器,（1）车号信息采集模块（续2）,系统在每个股道安装一台SP-D200射频识别器，每台机车上安装射频卡（电子标签），当列车达到射频识别器的识别范围内以后，其就能检测到电子标签上5个字节的车号信息。识别器提供485通讯接口，为了提高系统的抗干扰性，采用两路光耦
10、隔离器件6N137隔离TXD、RXD数据线后接入室外智能监控节点CPU。CPU的P1.6口作为485发送接收状态的控制线，采用TLP521进行光耦隔离。硬件电路图如图10-5所示。,图10.5 485隔离接口电路,（2）机车位置采集模块,机车位置是确定相应股道隔离开关操作权限的重要信息，系统采用光电开关来检测机车位置。 光电开关分为对射式、镜面反射式和漫反射式。其中漫反射式的通用性好，对被测物表面材质要求低。为此，系统采用了OPTEX公司的漫反射式VD250N红外光电开关。,（2）机车位置采集模块（续）,具体技术参数如下： 探测范围：40mm-2500mm 供电电压：直流10-30V，可承受2
11、700V交流浪涌； 消耗功率：5mA 反应时间：5ms 系统光源：红外线 输入测试：是 环境温度：-25+55 环境光照：3585%RH 传感器通过双绞线屏蔽电缆与智能节点连接，将股道车辆的停放信息以开关量的形式通过TLP521进行光耦隔离后输入室外智能节点的微处理器。,图10.6 VD-250N红外光电开关,4.智能控制模块的设计,智能控制模块是检修人员与系统设备的一个交互接口。检修人员将机车钥匙（电子钥匙）插入身份识别接口，申请进行隔离开关的操作。申请获得系统通过后，系统会根据目前的股道信息状态，打开相应的电控锁，使检修人员能够按照规范的流程进行隔离开关操作。 智能控制模块分为身份识别模块
12、和电控锁控制模块两个部分，以下分别进行介绍。,（1）身份识别模块设计,身份识别模块由电子钥匙和识别接口组成，替代原有机械锁的作用。检修人员要进行隔离开关的操作时，将机车钥匙（电子钥匙）插入识别接口，系统对目前机车和股道的状态进行自动逻辑判断。若股道状态符合操作权限要求，则响应检修人员的操作请求；否则，拒绝检修人员的操作要求。 电子钥匙采用DALLAS公司带VCC输入引脚的硅序列码芯片DS2411作为机车钥匙和车顶钥匙身份的唯一匹配标识。,（1）身份识别模块设计（续）,DS2411是可由外部供电的单总线电子注册码芯片，它能用最少的电子接口提供绝对唯一的电子身份标识。DS2411的注册码是由工厂激
13、光刻制的64位ROM码，数据按照Dallas Semiconductor 的单总线协议传输。 DS2411采用独立供电模式，防止窃电模式可能对数据传输造成的影响。CPU的2路I/O口线使用6N137进行高速光电隔离连接单总线数据线，防止信号干扰，其电路连接图如图10-7所示。 电子钥匙没插入时识别模块端口3输出高电平。由于单总线电子钥匙采用4线连接的方式，端口3与地短接。一旦电子钥匙插入识别接口，识别接口的端口3将被强行拉至低电平，这作为电子钥匙是否插入识别接口的依据。,图10.7 单总线隔离接口电路连接图,（2）电控锁控制模块设计,为保证安全，工具箱、隔离箱和接地杆都安装电控锁。电控锁模块和
14、身份识别模块共同构成了智能控制模块，可经Zigbee无线网络进行远程控制。为保证系统安全，系统采用的OC3101L电控锁为断电上锁，通电开锁，系统断电时，设备箱和隔离箱都处于锁闭状态，系统处于安全状态下。电控锁还带有状态输出，从而进行锁闭状态的反馈检测。 单片机的I/O经MC1413驱动芯片来启动电控锁的打开和锁闭。单片机送高电平时，锁上电开锁，LED指示灯灭；单片机送低电平时，打开电控锁，LED指示灯亮。单个电控锁电路接口如图10-8所示。,图10.8 单个电控锁电路接口图,10.1.4 室内钥匙管理柜设计,钥匙管理柜分为CAN总线桥接器和钥匙箱两个部分。每个钥匙箱内存放一个机车的车顶钥匙和
15、电子钥匙，并设计为一个独立的CAN节点，整个系统可以包括多达200个节点，钥匙管理柜和中央控制计算机共同构成室内CAN总线网络，实现对车顶钥匙的自动化安全管理，其网络如图10-9所示。,图10.9 室内钥匙管理柜系统结构图,1、钥匙箱CAN节点设计,钥匙柜的功能是负责监控车顶钥匙和机车钥匙。车顶钥匙和机车钥匙都有全球唯一的64位码光刻序列号（DS2411），插入钥匙柜对应的钥匙箱内。由箱体里面的单片机读取目前的钥匙状态，并通过CAN总线把数据发回给中央控制计算机。 每个钥匙箱必须有1个电子钥匙存放其中（车顶钥匙或者机车钥匙），否则钥匙箱检测到箱体为空状态，并发送报警信息给中央计算机，中央计算机
16、发出命令锁闭系统，并作为工作事故记入系统日志。 钥匙箱硬件电路采用Atmel公司的AT89C52单片机作为微处理器，每个钥匙箱按照功能划分为CAN总线通讯模块、钥匙识别接口模块、电控锁控制模块。,1、钥匙箱CAN节点设计(续1),CAN总线通讯模块实现钥匙箱与对应CAN总线桥接器的数据通讯。CAN通讯控制器采用SJA1000，CAN总线驱动器采用82C250。SJA1000与82C250之间通过高速光耦6N137进行光电隔离，以降低干扰，保证通讯的正确性。 电子钥匙识别接口模块的主要功能是识别目前钥匙箱内电子钥匙的状态，从而对车顶钥匙或机车钥匙进行有效、安全的监控。钥匙识别接口模块采用单总线电子注册码芯片，设计方案类似于室外控制模块中身份识别的设计。,1、钥匙箱CAN节点设计（续2）,电控锁控制模块主要用于自动打开或锁闭钥匙箱，实现电子钥匙的连锁管理。为了匹配钥匙箱的尺寸，选用的电控锁尺寸较小。电控锁常态为锁闭状态，通电则锁舌吸合。由于电控锁不带门锁状态反馈信息，单片机无法判断钥匙门的开关状态，所以在钥匙箱门板上安装一个有效检测距离为1cm的漫发射式的光电开关来检测门
