CN101937204A - 带微波雷达的接触网开关动作监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为带微波雷达的接触网开关动作监控装置，解决已有装置对接触网开关动作发生误判的问题。远程终端控制器RTU的微处理器CPU通过遥控接口电路(4)和遥信接口电路(5)与操动机构连接，通过通信接口电路与通信网络连接，微处理器CPU通过微波雷达检测输入接口(2)与微波雷达连接，微波雷达安装于接触网开关下方，其发射方向从下向上对着接触网开关的动作运行轨迹，微波雷达的主芯片的输出信号经滤波隔直后依次经过第一、二放大器与微处理器CPU的微波雷达检测输入接口连接，微处理器将检测到微波雷达输出的接触网开关信号与从遥信接口(5)检测到的接触网开关信号同时通过通信接口电路经通信网络向上级报告。
Description
技术领域：
本发明与电气化铁路接触网开关动作监控有关。属于电气化铁路接触网开关自动控制技术领域。
技术背景：
接触网开关动作监控装置主要用于监视接触网开关(隔离开关或负荷开关)的位置以及控制接触网开关的分、合闸。行业中一般采用RTU(Remote Terminal Units，中文全称为远程终端控制器)控制操动机构(所谓操动机构就是通过控制电机，驱动接触网开关闭合或者开断，并完成控制过程和结果信息采集的电路系统，如图8、图10所示)，由操动机构的电机带动连接接触网开关的连杆运动，从而闭合或者开断接触网开关，如图8所示。RTU通过对操动机构相关回路(如图10所示)的状态判断接触网开关是否动作(所谓接触网开关的动作是指该开关由闭合到断开或者由断开到闭合的运行过程；接触网开关的触头就是操动机构与RTU连接点，通过对这些触头状态信息的采集得到开关的位置状态信号，其原理如图10所示)。图1所示的这种接触网开关动作行为判断模式在实际应用中存在一些问题，因为在执行遥控命令控制接触网开关闭合或者开断时，其控制结果将开关是否执行相应动作是由操动机构内部给出的，反映在如图10所示的遥信触头状态变化上，依靠这种单一信息判断接触。如果此时连接电机和接触网开关的的位置状态，由于接触网开关工作环境的电磁干扰、触头的行程差异、触头的氧化等都有可能造成RTU对开关状态的误判，这就会给接触网检修人员带来安全威胁。
发明内容：
本发明的目的是提供一种结构简单，安装和维护方便，安全可靠的带微波雷达的接触网开关动作监控装置。
本发明是这样实现的：
本发明带微波雷达的接触网开关动作监控装置，远程终端控制器RTU的微处理器CPU通过遥控接口电路4和遥信接口电路5与操动机构连接，通过通信接口电路3与通信网络连接，其特征在于微处理器CPU通过微波雷达检测输入接口2与微波雷达连接，微波雷达安装于接触网开关下方，其发射方向从下向上对着接触网开关的动作运行轨迹，微波雷达的主芯片的输出信号经滤波隔直后依次经过第一、二放大器与微处理器CPU的微波雷达检测输入接口连接，CPU每隔10毫秒检测一次输入接口状态，如果检测到输入接口状态与上次检测相比有变化，并且这种变化持续4秒，则定义为状态变化一次，如果连续检测到状态变化20次则视为接触网开关动作，若此时微处理器CPU通过遥信接口电路采集的信号也是接触网开关动作，则微处理器CPU将两个开关动作信号组装通过通信网络上报，若微处理器CPU只从微波雷达检测到开关动作而微处理器CPU没有从遥信接口电路检测到开关动作，则微处理器将两种状态组装成警告报文上报，如果微处理器CPU没有从微波雷达检测输入接口检测到开关动作而微处理器从遥信接口电路检测到开关动作，则微处理器则将两种状态组装成警告报文上报。
微波雷达主芯片输出的低频的毫伏级电压信号经第1、2电容C62、C63后，再经第一放大器集成块U30放大，第二放大器集成块U31整形成方波信号输入微处理器CPU的微波雷达检测输入接口检测。
远程终端控制器的遥控接口电路4的第1继电器JR3、第2继电器JR4、第3继电器JR5分别发出遥控合YKH，遥控分YK F，遥控母YKC指令到合闸继电器和分闸继电器，操动机构的合闸继电器J1与电机合闸线圈K1连接，操动机构的分闸继电器J2与电机分闸线圈K2连接，操动机构的两遥信线圈K3、K4串联，并与遥信接口电路5的合闸触头YXH，分闸触头YXF和遥信母线YXC连接。
远程终端控制器的微处理器与下载调试口1和内存U5连接。
通信接口电路3的光头LDINTR-2120的3脚，8脚分别与CPU的12脚，13脚连接，遥控接口电路4第1、2或门U13、U14与CPU连接，并分别与第1、2光继电器U8、U9连接，第1、2光继电器与第1、2、3、4继电器JR3，JR4，JR5，JR1连接，遥信接口电路5有串联的光点耦合器件TLP521-1，其输入接遥信信号输入端，其输出接CPU的30、31、34、35、36、40、41脚和JR3的YXU0-YXU7。
本发明在原有的远程终端控制器的基础上增设微波雷达来检测接触网开关是否真正动作。
当操动机构故障，例如连杆与电机连接故障时，虽然操动机构显示开关动作，实际连杆并没有带动接触网开关动作。此类故障的检测在以前是较困难的，准确度也不高。在使用了带微波雷达的接触网开关动作监控装置后，很容易就能检测出此类故障。此发明与传统的装置相比无疑是一个较大的进步。对接触网动作监控的可靠性来说也是一个很大的提高。本发明结构简单，安装和维护方便，运行成本低廉。
附图说明：
图1常见RTU方案与本发明方案对照图。
图2本发明系统框图。
图3下载调试口、E2PROM与CPU连接原理图。
图4微波雷达输出与CPU连接原理图。
图5通信接口电路与CPU连接原理图。
图6遥控接口电路与CPU连接原理图。
图7遥信接口电路与CPU连接原理图。
图8行业中RTU安装位置示意图。
图9带微波雷达的RTU安装位置示意图。
图10RTU与操动机构连接原理图。
图11微波雷达电路部分信号流向图。
图12软件流程图。
具体实施方式：
本发明在原有RTU基础上设计一种带微波雷达的新型RTU。该装置的微波雷达不间断地向接触网开关发射10.5G的高频微波，通过微波多普勒原理检测接触网开关是否动作，尤其在RTU向操动机构下达遥控分闸或者合闸命令时，微波雷达可以很容易地检测出接触网开关的是否在同步执行。
多普勒原理简介如下：
当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。任何波都有反射的特性，当一定频率的波碰到阻挡物的时候，就会有一部分的波被反射回来，如果阻挡物是静止的，反射波的波长就是恒定的，如果阻挡物是向波源运动，反射波的波长就比波源的波长短，如果阻挡物是向远离波源的方向运动，反射波的波长就比波源的波长长，波长的变化，就意味着频率的变化，同时也就意味着所探测物体是否存在运动现象。
本发明的内部硬件原理及信号流向如下：
本发明接触网开关视频监控装置的微处理器CPU(U3)与E2PROM(U5)、下载调试口1、微波雷达检测输入接口2、通信接口电路3、遥控接口电路4、遥信接口电路5连接。CPU(U3)是ARM-LM3S1601，是本发明的控制核心芯片。其与各部分的连接如图2所示。
下载调试口1和E2PROM(U5)与CPU(U3)的连接电路图如图3所示。下载调试口J1的4脚连接CPU的79脚，J1的8脚连接CPU的89脚，J1的3脚连接CPU的78脚，J1的7脚连接CPU的77脚。此部分的功能就是通过下载调试口为CPU下载程序和调试程序用。
E2PROM(U5)为cat24wc64，如图3所示。其引脚1、2、3、4接地，7脚连接CPU的70脚，8脚连接CPU的71脚。E2PROM在本装置中的主要功能是为本装置存贮地址。该地址的就是一个装置编号，远方通过此编号与该装置通信。
微波雷达检测输入接口2与CPU的连接电路如图4所示。此部分电路的主要芯片是U29，U29是一个型号为HB100的微波雷达，其发射频率为10.5GHZ的微波，如果遇到静止的物体，雷达接收到的反射波也是这个频率，如果遇到运动的物体，反射的微波与发送微波的电波混合，在HB100的输出端变换为低频电压。U29的输出信号端为3脚IF端，该端输出的是一个低频的毫伏级的电压信号。是一个根据物体移动快慢的变化频率的正弦波信号。该信号经过C62、C63，滤波、隔直后，经过U30进行第一级放大，再经过U31进行第二级放大整形后，输出一个3.3V的方波信号，输入CPU进行处理。U30仅仅是放大这个低频的正弦波，U31的主要作用是把U30放大后的正弦波整形成方波信号。因为该芯片OP37有个特性，当放大倍数很大时，会使超出其输出范围的电压信号截至在一定的电压幅值上，形成方波信号。CPU检测到有变化的信号后判断开关是否动作。
通信接口电路3与CPU的连接电路如图5所示。本通信为光线通信。光头LD1NTR-2120的2脚与CPU的12脚连接，光头LD1 NTR-2120的8脚与CPU的13脚连接。这样连接的目的是实现信号收发功能。
遥控接口电路4与CPU连接如图6所示。其中U13、U14为或门，U8、U9为光继电器；JR1 G6B1174、JR3 G2R-1A4、JR4 G2R-1A4、JR5 G2R-1A4为继电器；只有当JR1 G6B1174接通后，其它继电器才能工作。所以U8的7脚应该为0时，JR1才能接通。则U8的2脚也应该为0，那么U13的1、2脚同时为0，则CPU的6、10脚为0。YKH(表示遥控合)、YKF(表示遥控分)要工作的话，必须YKC(遥控母)先工作。因此U9的5脚为0，则U14的1、2脚为0。得出CPU的17脚、22脚为0。假如现在要发一个遥控合闸命令，则此时只需要U8的5脚为0，即CPU的11脚为0，而CPU的16脚为1即可。相反，要发一个遥控分闸命令的话，只需要CPU的11脚为1，16脚为0即可。
遥信接口电路5与CPU的连接如图7所示。其中U15-U21为光点耦合器件TLP521-1，主要是起光电隔离作用。JP4是遥信信号的输入端，其1脚为地，3脚-9脚为各种遥信信号输入。如JP4的3脚有遥信输入，则U 15的光电耦合会是其3、4端接通，则此时YX0，即CPU的30脚会有一个低电平，CPU通过检测这个低电平得知此遥信信号，其它遥信信号进入CPU的情况类似。
本发明的安装：
由于HB100微波雷达的有效距离是0-25米，而根据微波雷达的工作原理，该装置只需要安装在接触网开关下方对着开关即可，如图9所示。因为高频的微波具有很好的方向性，所以可以防止列车运行时的干扰。根据现场情况，如果有干扰，可以把微波雷达放于铝盒中，微波发射方向通过铝盒的开口对准接触网开关。这样强制限定微波的方向角，具有很强的方向性，从而避免了其它运动物体的干扰。
本发明系统工作原理：
(1)微波雷达部分
微波雷达不间断工作，时刻监视着接触网开关是否动作。微波雷达的输出信号及该信号的放大过程如图11所示。可以看出经过放大整形后的波形已经适合CPU的IO口读入进行处理。CPU每隔10毫秒检测一次58脚状态，如果检测到的该引脚状态与上一次相比有变化，并且这种变化能持续4秒钟的时间，且状态变化20次以上视为开关动作。若此时RTU通过采集操动机构的遥信也能得到开关动作信息，则CPU组装开关动作报文进入通信网络向上级报告。若单纯的雷达检测到开关动作而装置遥信却没有检测到，则CPU组装警告报文向上级报告。若RTU遥信采集到开关动作，而微波雷达没检测到，则可能是操动机构故障，CPU同样组装报警报文向上级报告。
(2)遥控部分
CPU接收到上级发来的遥控报文，例如是遥控合闸报文。则如图10所示的K5闭合，交流回路3连通，继电器J1工作。在J1的作用下，K1闭合，也就是电机的合闸线圈闭合，电机运转带动连杆运动，使接触网开关闭合。此时RTU里面的CPU会一直采集合闸遥信结点信号。采集时间为10秒，因为整个合闸过程大概持续4-7秒。如果超过10秒中还未采集到合闸信号，则CPU会向上级报告合闸失败。如果合闸成功，则CPU会与微波雷达采集的信号对比，如果微波雷达也检测到开关的动作，则视为合闸成功。CPU向上级报告合闸成功。否则报告失败。分闸过程与合闸类似。
(3)遥信部分
在合闸时候的遥信采集过程在上面已经描述过了。在没有遥控命令时，CPU会每隔5毫秒采集一次操动结构的遥信状态。如果有异常情况，CPU会立刻主动向上级报警。遥信的工作原理如图10所示。例如在合闸时，操动机构的K3会闭合，RTU上的触头YXH(遥信合闸)会有一个和(YXC)遥信母线上一样的电压。通过遥信部分电路处理后，CPU采集这个信号得知此遥信状态，组装报文后向上级报告。
软件流程说明：
软件流程如图12所示。系统开始运行后，先进行一系列初始化工作，包括地址初始化(读取RTU硬件地址，便于上级对RTU进行管理)，时钟初始化，通信口初始化(通信口初始化是为本装置与上级通信做好准备)，I2C总线初始化。接下来判断系统运行是否正常，判断方法就是查看系统在喂狗吗？(所谓系统喂狗，是指在集成了看门狗电路的CPU中，为了防止程序执行到不可预料的情况，先给看门狗寄存器赋予一定初值，在一定时间内它会自动减1，当减为0时系统将会自动复位，所以程序必须在一定时间重新设置看门狗寄存器的值，使其不会自动复位(即系统喂狗)，表示程序运行正常)。如图12中的(1)处所示，如果系统在喂狗，则系统运行正常，程序继续往下执行，否则系统复位，重新开始。
系统运行正常后，接下来刷新装置地址。为什么要刷新呢？因为装置地址是可以人为设定的，如果没有刷新装置地址这一步，当地址重新设定后，系统也没法感知。接下来刷新遥信状态，因为遥信信息随时可变，这一时刻和上一时刻都可能不同，所以需要刷新遥信状态。接下来系统查看微波输出是否有变化。(所谓微波输出有变化如图4所示，系统检测CPU 58引脚这一时刻与上一时刻的状态变化，比如上一时刻为0，而这一时刻为1，则视为微波输出有变化)。如果微波输出有变化，则进入图12所示的(3)处，接下去判断定时器TO是否打开，即是否TO＝1。TO定时器已经设定为4秒中中断一次，所以只要TO定时器打开后，经过4秒钟系统就会进入定时器中断，执行中断处理程序。(所谓定时器中断就是指当定时器设定的时间到了后，系统会暂停正在处理的工作去先执行定时器的中断程序)。图12的(5)处所示的流程就是定时器中断程序流程图。如果定时器没有打开，则先打开定时器；如果已经打开，则使微波状态变化计数器W++(所谓微波状态变化就是指上面已经解释的CPU 58脚的状态变化，这个状态每变化一次，W就加1，W是一个初值为0的变量。W++就是W＝W+1)，然后程序进入图12所示的(4)处。开始读取上级传来的通信报文，并解析报文(所谓报文就是一串有意义的数字，本系统使用的报文为两种，一种是遥控报文，就是上级传达下来的控制接触网开关动作的命令，分为遥控合闸和遥控分闸；另一种就是遥信报文，要求RTU系统检测个遥信状态并往上级传送)。如果是遥控报文，则执行相应的遥控操作。接下来本次循环结束，如图12的(2)处所示，系统进入图12的(1)处。在图12的(7)处如果是遥信报文，则读取遥信状态并与上一次所读取的遥信进行对比，如图12的(9)处所示。如果两次比较遥信状态并没有改变，则执行(11)所示部分，如果此时微波检测WK也不等于1，说明微波也没检测到开关动作，则直接发送此遥信报文给上级，表示各遥信一切正常；如果(11)处检的WK＝1，则说明微波雷达检测到开关有动作，而(9)处的遥信却没有检测到此变化，这时给上级发送警告信息，提醒上级注意。之后程序进入(12)处，使WK＝0，以便下次重新记录开关动作；如果(9)处检测到有遥信变化，(10)处也检测到WK＝1，则肯定开关已经动作，发送开关动作遥信报文到上级，并进入(12)处设置WK＝0。本次循环结束，程序进入(1)处重新开始。
4秒定时器中断处理程序：由于中断程序是系统单独处理的，所以流程图没有和上面的流程连接在一起。一旦系统打开了此定时器，并且在设定的4秒钟时间到了后，进入中断处理程序。
中断程序流程：首先关闭4秒定时器，并且设置TO＝0，TO＝0代表此定时器已经关闭(TO＝1表示定时器已经打开)。接下来使WK＝0(WK代表微波检测到的开关是否有动作，WK＝1代表接触网开关有动作，WK＝0则表示接触网开关没有动作，此处设置WK的初始状态)，接下来判断W是否大于20，因为W大于20才表示接触网开关有动作。如果W＞20，则设置接触网开关动作标志WK＝1。无论接触网开关是否有动作，到(6)处都使W＝0，为下一次4秒定时器中断做好准备。本定时器中断主要功能就是检测接触网开关是否动作，并设置接触网开关动作标志WK＝0或WK＝1，为主流程的(10)、(11)处服务。
Claims (5)
1.带微波雷达的接触网开关动作监控装置，远程终端控制器RTU的微处理器CPU通过遥控接口电路(4)和遥信接口电路(5)与操动机构连接，通过通信接口电路(3)与通信网络连接，其特征在于微处理器CPU通过微波雷达检测输入接口(2)与微波雷达连接，微波雷达安装于接触网开关下方，其发射方向从下向上对着接触网开关的动作运行轨迹，微波雷达的主芯片的输出信号经滤波隔直后依次经过第一、二放大器与微处理器CPU的微波雷达检测输入接口连接，CPU每隔10毫秒检测一次输入接口状态，如果检测到输入接口状态与上次检测相比有变化，并且这种变化持续4秒，则定义为状态变化一次，如果连续检测到状态变化20次则视为接触网开关动作，若此时微处理器CPU通过遥信接口电路采集的信号也是接触网开关动作，则微处理器CPU将两个开关动作信号组装通过通信网络上报，若微处理器CPU只从微波雷达检测到开关动作而微处理器CPU没有从遥信接口电路检测到开关动作，则微处理器将两种状态组装成警告报文上报，如果微处理器CPU没有从微波雷达检测输入接口检测到开关动作而微处理器从遥信接口电路检测到开关动作，则微处理器则将两种状态组装成警告报文上报。
2.根据权利要求1述的装置，其特征在于微波雷达主芯片输出的低频的毫伏级电压信号经第1、2电容C62、C63后，再经第一放大器集成块U30放大，第二放大器集成块U31整形成方波信号输入微处理器CPU的微波雷达检测输入接口检测。
3.根据权利要求1述的装置，其特征在于远程终端控制器的遥控接口电路(4)的第1继电器JR3、第2继电器JR4、第3继电器JR5分别发出遥控合YKH，遥控分YKF，遥控母YKC指令到合闸继电器和分闸继电器，操动机构的合闸继电器J1与电机合闸线圈K1连接，操动机构的分闸继电器J2与电机分闸线圈K2连接，操动机构的两遥信线圈K3、K4串联，并与遥信接口电路(5)的合闸触头YXH，分闸触头YXF和遥信母线YXC连接。
4.根据权利要求1述的装置，其特征在于远程终端控制器的微处理器与下载调试口(1)和内存U5连接。
5.根据权利要求1述的装置，其特征在于通信接口电路(3)的光头LDINTR-2120的3脚，8脚分别与CPU的12脚，13脚连接，遥控接口电路(4)第1、2或门U13、U14与CPU连接，并分别与第1、2光继电器U8、U9连接，第1、2光继电器与第1、2、3、4继电器JR3，JR4，JR5，JR1连接，遥信接口电路(5)有串联的光点耦合器件TLP521-1，其输入接遥信信号输入端，其输出接CPU的30、31、34、35、36、40、41脚和JR3的YXU0-YXU7。
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