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1、摘要21世纪我国经济已进入了一个快速稳定的发展时期，高速增长的国民经济对铁路运输提出了更高的要求。列车运行监控、检测装置为列车安全高速行驶必备的装备之一，各国铁路大力发展列车运行监控技术已成为潮流。现在组态技术已被认可并广泛应用，它提供了从数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案。本文分析描述了列车运行过程和列车监控系统的相关知识，在了解列车运行监控系统结构的基础上用组态王软件完成列车运行过程的模拟监控设计。系统设计了组态监控主界面，在组态监控主界面上能实时反映机车运行过程中主变压器功率、受流电压、电流、速度、电机转速、轴温、到站站点、运行距离、运
2、行时间、空调温度等参数的变化，并能通过此界面模拟控制机车启动、加速、制动、停车的运行状态。此外，主界面可切换到参数设定界面，对列车车次等参数设定，还可以切换到设备状态界面，查看列车内各设备是否正常运行。系统运行结果表明，很直观地输出了列车运行参数报表和速度趋势曲线，运行稳定、画面清晰、记录准确。此外，系统成本很低，使用很方便。关键词：列车运行；组态王；模拟；监控1 绪论1.1 论文背景与意义铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在我国社会经济发展中具有重要作用。我国铁路在2007年4月进行了第六次大提速，提速干线开行的CRH(China Railway Highspeed
3、,中国高速铁路)系列动车组的运行速度已达到200-250km/h，既有线旅客列车运行速度普遍达到140-160km/h，货运列车牵引重量达5000t，大秦线已开行了万吨列车。不断提高的运行速度与牵引重量对铁路机车、车辆是一种考验，对行车安全更是一场挑战。客车高速、货车重载是未来铁路发展的两个重点。建设客货车安全运行监控与防范体系的必要性在铁路“十一五”规划中已确定。在这种新形势下，如果没有可靠的设备保障，客货车安全运行就会失去坚实的基础。如何保障客货车安全高效地运行成为铁路部门迫切需要解决的问题。在这种情况下，列车运行监控、检测设备显得尤为重要。因此，设计通用性强的列车运行实时监控设备势在必行
4、。“组态王”软件是在计算机上建立工业控制对象的人机接口的一种智能软件包，我们利用它设计虚拟系统来模拟实际的物理系统。这样就充分利用了Windows的图形，具有功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，它使采用计算机开发的系统工程比以往的使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，这样就大大地减少了工控软件开发者的重复性工作，并可运用计算机丰富的软件资源进行开发。本课题就是在计算机上安装的组态王软件中实现模拟的列车运行监控。模拟列车运行监控是指在组态王中根据列车实际的运行轨迹用软件进行模拟，包括列车在预定轨道上运行、各站点位置等，然后用命令语言控制其运行，达到在虚拟列车的运行过程中实时显示并记录各运行
5、参数，并在组态王监控界面里模拟操作来控制列车的运行状态。与列车运行的物理模型相比，组态王虚拟列车运行具有以下优点：(1) 列车运行物理模型的价格高，功能单一、体积大、需要的原件多、结构复杂，运行起来不便。而模拟的列车运行监控只需一台计算机，在其中安装组态王软件，然后就可以对任意预定轨迹、运行速度和时间的列车运行进行模拟，监控画面清晰，使用非常方便。(2) 该系统是中文界面，具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言，操作简单易学且编程简单，参数输入与修改灵活，可以直观地显示系统的趋势曲线和数据报表等，这些很强的交互能力使其在控制系统的实验中能发挥较为理想的效果，以便被模拟和控制。用软件实现
6、的方法开发模拟控制对象周期短、费用低、可靠性高、维护要求低，实验过程中不会造成资源浪费和污染。且模拟效果明显、监控界面友好，所以在工业工程控制中得到了广泛的应用。1.2 国内外研究现状概述目前，铁路运输进入了高速运输发展的新阶段，法国的TGV、德国的ICE、西班牙的AVE、日本的新干线列车运行速度均达到300km/h。国内自第六次大提速后，我国既有线开行的和谐动车组运行速度已达到250 km/h。世界铁路发达国家在本国铁路发展过程中都充分发展了与本国铁路路网、机车车辆、通讯信号、运营管理相适应的安全监控与防范体系。由于各国铁路发展时所处的历史技术条件不同，所以每个国家所采用的设备安全状态监测的
7、方式和防范手段也有所不同，各有特点。在欧洲一些国家的高速动车组上，由于采用了车载监控系统，因此对牵引系统、制动系统、供电系统实现了实时控制与监视，对空调通风系统、车门、火灾报警及轴温报警等系统进行监测已很普遍，为了避免车辆的性能降低甚至失效而导致车辆失稳，一些国家规定在高速车辆转向架上需加装加速度传感器以监测转向架的运行状态。美国和德国都在着手研究列车状态的实时监测与信息传输系统。在日本，日本西铁路客运公司在221系以后的所有新造车辆上均安装了监控装置，以及时掌握车辆的状态。在铁道车辆上应用监控装置监视车辆状态成为新型车辆的标准设备。发展至今国外铁路车载安全设备监测技术已经比较成熟，发展方向逐
8、渐转向车地无线通信及地对车远程监控，正在逐步实现车载安全监控体系与地面安全监控体系的有机结合。我国铁路安全技术设备的研制和发展是在当今高科技领域计算机网络技术、通信技术、DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理)技术、人工智能技术等多方面基础技术的成熟和长足发展的条件下进行的，与其他铁路发达国家的历史同期相比，我们更能充分利用这些高科技手段，为我国铁路的高速化、安全化服务。在客车安全监测技术领域，我国处于发展与推广应用阶段。在广大科技人员的长期努力下，轴温报警装置和电子防滑器已经相继在提速客车和准高速、高速客车上装车使用，取得了非常显著的效果。2004年，国产新
9、造25T型客车普遍安装中国铁道科学院、四方车辆研究所完全自主研制的车载安全监控系统，在我国客车车辆上首次实现了对轴温、供电、车门、车下电源、火灾、空调、防滑器、基础制动系统和转向架、车辆动力学的全面监测，重点对客车热轴事故、火灾事故、供电故障及制动系统和走行部故障进行监控，标志着我国客车安全监测技术从单一功能、单一结构的部件研制和应用阶段发展到多功能、网络化、信息开放式的安全监测体系的研制和应用阶段。但总体来看，目前我国的机车运行监控技术与国外相比差距较大，系统稳定性不好，地面综合分析能力较差，有待于迅速改善。1.3 本文的主要内容本文主要针对列车的两个重要系统：牵引/制动系统和供电系统的特点
10、，依据列车监控装置的设计原理，在组态王软件中完成了列车运行监控主界面的设计，模拟实际运行的列车，实时显示模拟列车的运行轨迹，记录并实时显示运行参数。论文需要完成的主要工作有：(1) 介绍列车的牵引供电和传动系统、列车运行调速原理和列车运行全过程，为编写基于组态软件的列车运行监控的命令语言提供理论基础；(2) 概述列车运行监控系统的结构和功能，为设计监控界面提供思路； (3) 介绍组态王软件的功能、特点等，熟悉软件使用方法，为进行设计做准备；(4) 依据组态王软件的设计步骤进行软件设计，完成监控画面和参数设置等工作，编写命令语言，列出设计过程并详细给出列车供电系统和牵引、制动系统的各个参数及实时
11、数据报表等。2 列车运行概述机车按牵引方式分为蒸汽机车、内燃机车和电力机车。电力机车是从接触网获取电能，再利用牵引电机驱动的机车，是非自带能源式的机车。下面主要描述电力列车的运行原理及过程，包括：(1) 列车牵引供电与传动；(2) 列车运行调速原理；(3) 列车运行过程。2.1 列车牵引供电与传动2.1.1 特高压电气系统电气化铁道供电系统是在以电力机车作为牵引动力的铁道上，专门用来给电力机车或电动车组供给电能的整套装置。我国电气化铁路采用单相工频交流制，额定电压为25kV。电气化铁道供电系统由一次供电系统和牵引供电系统组成。一次供电系统由区域变电所或发电厂与交流高压输电线组成，牵引供电系统由
12、牵引变电所、馈电线、接触网、钢轨和钢轨回流线等组成。动车组特高压电气系统包含的大部件有：受电弓、保护接地开关、故障隔离开关、真空断路器、避雷器、高压电缆及高压连接器。它的系统原理是25kV电网高压首先由受电弓引入动车组，然后经过故障隔离开关接入到高压机器箱，并旁路连接了保护接地开关。高压机器箱内有避雷器、真空断路器、接地端子。从高压机器箱出来的高压电直接连接到牵引变压器的原边绕组。设置了高压联锁回路，在受电弓没有降下或保护接地开关没有闭合的情况下，高压机器箱不能打开。故障隔离开关的作用是在出现故障时强迫断开受电弓。保护接地开关的作用是将高压系统强制性接地，以便车辆维护时人员的安全。真空断路器的
13、作用是在需要的情况下自动断开主变压器的供电。整列动车组设两台受电弓，正常运行时，采用单弓受流，另一台备用，处于折叠状态。2.1.2 动车组牵引传动系统近代高速动车组近乎全部采用交流传动的牵引传动系统，动车组的传动方式主要包括交-直传动方式和交-直-交传动方式，交-直-交牵引传动系统的构成如图2.1所示。交流传动系统是指由各种变流器供电的异步或同步电机作为动力的机车或动车组传动系统。站电变网触接弓电受器压变主器流变器变逆 机 电流直牵引电流再生电流（制动 ）中间直流环节图2.1牵引传动系统简图从图2.1中可以看出，交-直-交牵引传动系统主要由受电弓（包括高压电气设备）、牵引变压器、四象限变流器、
14、中间环节、牵引逆变器、牵引电机、齿轮传动系统等组成。受电弓将接触网的AC25kV单相工频交流电输送给牵引变压器，经变压器降压后的单相交流电供给脉冲整流器，脉冲整流器将单相交流电变换成直流电，经中间直流电路将直流电输出给牵引逆变器，牵引逆变器输出电压、电流、频率可控的三相交流电供给三相异步牵引电机，牵引电机轴端输出的转矩与转速通过齿轮传动传递给轮对，转换成轮缘牵引力和线速度1。2.2 列车运行调速原理 三相异步电动机的工作原理简述如下：在定子绕组接入三相电时，定子三相电压产生定子三相电流，三相电流通过三相绕组产生旋转磁场，转子与旋转磁场存在着相对运动，在转子绕组中产生了感应电动势，在闭合的转子绕
15、组中产生了感应电流，感应电流与旋转磁场相互作用产生了电磁转矩，从而使转子拖动生产机械以转速运转。由于转子与旋转磁场之间存在相对运动时，转子绕组才会切割磁感线而产生感应电动势和感应电流，才能产生电磁转矩，所以转子转速总小于同步转速的，两者不可能相等。根据电机学原理，交流异步电动机的同步转速可表示为：式中：为电动机同步转速，单位是r/min；为电动机磁极对数；为电源频率，单位是Hz。转子转速与同步转速的差值与同步转速的比值称为转差率，用表示，即因此转子转速 (2.1) 由式2.1可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数、转差率和电源频率。对于给定的电动机，磁极对数一般是固定的。通常情况下，转差率对于特定负载来说是基本不变的，并且其可以调节的范围较小，加之转差率不易被直接测量，调节转差率来调速在工程上并未得到广泛应用。如果电源频率可以改变，那么通过改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法应该是可行的，这就是所谓的变频调速。但是，由于铁心磁饱和，只调节电源频率来调节速度的方法不可取，为了保持在调速时电机的最大转矩不变，必须维持电机的磁通量恒定，因此定子的供电电压也要作相应调节，这就是
