CN214122738U - 一种钢轨电位限制装置用工控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轨道交通技术领域，具体涉及一种钢轨电位限制装置用工控装置。该工控装置包括模拟量输入模块、第一运算放大模块、数字量输入模块、第二运算放大模块、模拟量输出模块、数字量输出模块、通信接口、控制模块和供电模块，可通过模拟量输入模块和数字量输入模块可实现对外部各种传感器的模拟量、数字量信号的采集，并对这些信号进行分析与处理，通过模拟量输出模块和数字量输出模块输出相应的模拟量、数字量信号，对外部受控电器设备进行控制以完成工作需求，保证了轨道交通直流牵引供电系统的安全可靠工作。

Description

一种钢轨电位限制装置用工控装置

技术领域

本实用新型属于轨道交通技术领域，具体涉及一种钢轨电位限制装置用工控装置。

背景技术

城市轨道交通列车普遍采用直流牵引，走行轨回流方式，牵引电流通过走行轨回流至牵引变电所负极。由于走形轨自身存在纵向电阻，且走形轨采用悬浮接地方式，使轨道与大地之间存在电位差，该电位差称为轨道电位。由于钢轨存在焊缝电阻和对地泄漏电阻，这样使得钢轨对地电位有时会过高，危及人身及设备安全。而且，由于走形轨无法与大地做到完全绝缘，因此，通过走形轨的回流电流会有部分泄漏至周边大地，形成杂散电流。钢轨电位和杂散电流相互影响，成为城市轨道交通回流系统中重要的安全问题。

为解决上述问题，在钢轨和地之间设置了钢轨电位限制装置，以限制走形轨电位，避免超出安全许可的接触电压的发生。当发生超出安全许可的接触电压时，即钢轨对地电位过高时，该钢轨电位限制装置就将走行轨与车站地短接，以保障人身及设备安全。因此，如何实现对钢轨电位限制装置的全面监控，保证钢轨电位限制装置的可靠投入与切除，合理控制钢轨与接地装置的连接状态，是迫切需要解决的问题。

实用新型内容

本实用新型用以提供一种钢轨电位限制装置用工控装置，以实现对钢轨电位限制装置的安全监控。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案包括：

本实用新型提供了一种钢轨电位限制装置用工控装置，包括：

模拟量输入模块，包括电压隔离变送器信号输入单元、以及电流隔离变送器信号输入单元，分别用于向模数转换模块输入钢轨对地的模拟量电压信号和钢轨对低的模拟量电流信号；

第一运算放大模块，设置在模拟量输入模块和控制模块之间，用于将模拟量输入模块输入的模拟量信号运算放大后输入至控制模块供控制模块进行逻辑运算处理；

数字量输入模块，包括晶闸管信号输入单元和接触器信号输入单元，用于向控制模块分别输入晶闸管分合闸信号和接触器分合闸信号；

第二运算放大模块，设置在控制模块和模拟量输出模块之间，用于将控制模块输出的控制信号运算放大后再进行模拟量信号输出；

模拟量输出模块，包括变频器控制信号输出单元和伺服电机控制信号输出单元，用于输出相应控制信号以分别控制变频器、伺服电机执行相应动作；

数字量输出模块，包括晶闸管控制信号输出单元和接触器控制信号输出单元，用于根据控制模块的控制信号分别输出晶闸管分合闸指令和接触器分合闸指令；

控制模块，用于接收第一运算放大模块输入的模拟量信号、数字量输入模块输入的数字量信号，并根据接收的信号各类型信号，经过预设的内部程序进行运算处理后向第二运算放大模块和数字量输出模块输出相应的控制信号；

通信接口，与控制模块相连；

供电模块，用于为工控装置中的各模块进行隔离供电。

上述技术方案的有益效果为：本实用新型通过模拟量输入模块和数字量输入模块可实现对外部各种传感器(例如电压、电流隔离变送器)的模拟量、数字量信号(例如：分、合闸按钮、复归按钮及各类型设备报警信号、晶闸管分合信号、接触器分合闸信号)采集，并对这些信号进行分析与处理，通过模拟量输出模块和数字量输出模块输出相应的模拟量、数字量信号，对外部受控电器设备(例如指示灯、继电器、伺服电机、晶闸管、大电流直流接触器、加热器等)进行控制以控制投入或切除钢轨电位限制装置，有效控制钢轨与接地装置的连接状态，提高了乘客或其他人员的人身安全，保证了轨道交通直流牵引供电系统的安全可靠工作。

进一步的，所述控制模块为MCU。

进一步的，为了保证控制模块的可靠工作，还包括隔离模块，所述隔离模块包括第一隔离单元、第二隔离单元、第三隔离单元、第四隔离单元和第五隔离单元；

所述第一隔离单元设置在模拟量输入模块和第一运算放大模块之间；

所述第二隔离单元设置在数字量输入模块和控制模块之间；

所述第三隔离单元设置在第二运算放大模块和模拟量输出模块之间；

所述第四隔离单元设置在控制模块和数字量输出模块之间。

所述第五隔离单元设置在控制模块和通信接口之间。

进一步的，还包括存储模块，与控制模块相连。

进一步的，为了保证该工控装置中各部件的可靠工作，所述供电模块包括三个电压变换单元，三个电压变换单元依次相连，且三个电压变换单元的输出端通过相应的支路连接对应的需供电模块。

进一步的，所述通信几口包括RS485通信接口、RS232通信接口、CAN通信接口和RJ45通信接口中的至少一种。

进一步的，所述第一隔离单元、第二隔离单元为光耦隔离或磁隔离，第三隔离单元为光耦隔离；所述第四隔离单元为晶体管隔离或继电器隔离；所述第五隔离单元为光耦隔离或磁隔离。

进一步的，所述存储模块为EEPROM存储器或EAPROM、铁电存储器、NOR FLASH存储器或者NAND FLASH存储器。

进一步的，所述数字量输入模块还包括行程开关信号输入单元、报警信号输入单元和复归信号输入单元，所述行程开关信号输入单元用于向控制模块输入所述工控装置检测所在控制柜的柜门状态信号。

进一步的，所述数字量输出模块还包括指示灯控制信号输出单元和加热器控制信号输出单元。

附图说明

图1是本实用新型的钢轨电位限制装置的工作原理示意图；

图2是本实用新型的钢轨电位限制装置用工控装置的工作原理框图；

图3是本实用新型的一种模拟量信号输入(主要为外设电压、电流隔离变送器信号)电路图；

图4是本实用新型的一种数字量信号输入单元(主要为分、合闸按钮、复归按钮及各类型设备报警信号)和光耦隔离单元相连后电路图；

图5是本实用新型的一种模拟量信号(主要为输出模拟量信号控制变频器或伺服电机)输出电路图；

图6是本实用新型的一种数字量控制信号(用于通过继电器输出隔离后，控制外界如指示灯、继电器、大功率接触器、加热器等执行相关动作)输出电路图；

图7是本实用新型的RS485通信单元的电路图；

图8是控制模块MCU所用的STM32F103的引脚图；

图9是本实用新型的供电模块的电路图。

具体实施方式

本实用新型的一种钢轨电位限制装置用工控装置，其结构如图2所示，可对钢轨电位限制装置进行控制，钢轨电位限制装置的工作原理示意图如图1所示。钢轨电位限制装置采用三段式保护，电压型框架保护采用两段式保护，一段作用与报警，二段作用与跳闸。例如：

1，当钢轨电位大于90V且小于等于150V时，钢轨电位限制装置延时800ms动作，将钢轨与大地短接来降低电位差，大于95V时电压型框架保护延时1500ms报警，为防止快速瞬变电电压引起接触器频繁动作，让钢轨电位限制装置连续动作3次，如果电位仍然大于整定值，则接触器合闸不再断开。

2，钢轨电位大于150V且小于等于600V时，轨电位装置无延时永久合闸；若钢轨电位仍然大于150V，则电压型框架保护经过1000ms延时，保护跳闸，断开直流系统所有断路器。

3，钢轨电位大于等于600V时，钢轨电位限制装置内部晶闸管快速导通，将钢轨与地短接，钳制钢轨电位，同时将合闸指令发送至接触器，接触器无延时永久合闸，框架电压保护即刻动作，动作结果同上所述。

如图2所示，该工控装置包括控制模块、模拟量输入模块、第一运算放大模块、数字量输入模块、第二运算放大模块、模拟量输出模块、数字量输出模块、通信接口、EEPROM存储器、以及带隔离的供电模块。

模拟量输入模块依次通过光耦/磁隔离单元、第一运算放大模块与控制模块相连，以将模拟量信号运算放大后输入至控制模块进行数据处理。模拟量输入模块包括电压隔离变送器信号输入单元、电流隔离变送器信号输入单元、以及热电偶信号输入单元，主要在电路中采集来自外部电器连接的各类传感器(用于检测钢轨对地的模拟量电压信号的电压隔离变送器，用于检测钢轨对地的模拟量电流信号的电流隔离变送器输出)输出的4～20mA或者±～10V(需要进行电路进行配置)的微弱信号，通过高精度运放进行信号放大后输入至控制模块后进行逻辑运算处理。

如图3所示，给出了一种电压隔离变送器信号输入单元的电路图。其中，AD0端为输入端，用于连接采集的电压隔离变送器输出的信号；ADC0端为输出端，连接光耦隔离单元。该钢轨和地之间通过电压隔离变送器输出的电流信号输入单元包括运放器AD01A；AD0端通过电阻RA0接地，还通过串设的电阻RA1和电阻RA2接地，电阻RA1和电阻RA2的串接点连接运放器AD01A的同相输入端，运放器AD01A的同相输入端还通过电容RC0接地；运放器AD01A的反相输入端连接运放器AD01A的输出端；运放器AD01A的通过电阻RA3连接ADC0端；ADC0端分别通过稳压管Z0、电容RC1接地。模拟量输入模块所包括的其他信号输入单元电路可参考图3进行设计。

数字量输入模块经过光耦隔离单元与控制模块相连，以将数字量信号输入至控制模块进行数据处理。数字量输入模块包括晶闸管信号输入单元、接触器信号输入单元、以及行程开关信号输入单元。除此以外，还可包括设备报警信号输入单元和复归信号输入单元。其中，行程开关用于检测工控装置所在控制柜的柜门状态。

如图4所示，给出了一种数字量信号输入单元和光耦隔离单元相连后的电路图。其中，COM端和X00端为输入端，COM端和X01端为输入端，用于连接采集的信号；IN00端和IN01端为输出端，用于连接控制模块；光耦隔离单元分别包括光耦UX0和光耦UX1。图4的上半部分为晶闸管信号输入单元和光耦隔离单元相连后的电路图，COM端和X00端之间串联有电阻RX1和电阻RX0，电阻RX1两端并联有电容CX0，电容CX0两端连接有光耦UX0的原边，光耦UX0的副边两端连接有电容CX1，电容CX1串设在3.3V电源和地之间，且3.3V电源和地之间还串设有电容RX2和发光二极管DX0。图4的下半部分为接触器信号输入单元和光耦隔离单元相连后的电路图，与接触器信号输入单元和光耦隔离单元相连后的电路图类似。数字量输入模块所包括的其他信号输入单元电路可参考图4进行设计。

模拟量输出模块依次通过光耦隔离单元、第二运算放大模块与控制模块相连，以将控制模块输出的模拟量控制信号运算放大后并进行输出，控制相应设备动作。这里的模拟量输出模块包括变频器控制信号输出单元、伺服电机控制信号输出单元、指示灯控制信号输出单元和加热器信号输出单元等，主要将控制模块经过预定程序数据处理计算后输出相应指令，通过高精度运放进行信号放大后输出0～20mA或者0～10V(需要进行电路设置后)的模拟量信号，控制外部电气连接的模拟量输入设备(包括变频器、伺服电机、指示灯、加热器等)执行相关动作。

如图5所示，给出了模拟量信号输出控制的电路图。其中，DAC0端为输入端，连接D/A转换模块；DAC0_OUT为输出端，用于连接外部电气设备。该伺服电机控制信号输出单元包括运放器DA01A和三极管Q2；运放器DA01A的同相输入端通过电容CD0接地，还通过电阻RD1连接DAC0端，DAC0端还通过电阻RD0接地，运放器DA01A的同相输入端还通过电阻RD7连接DAC0_OUT端；运放器DA01A的反相输入端通过电阻RD2接地，还通过电容CD2连接运放器DA01A的输出端，还依次通过串联设置的电阻RD3、电阻RD6、电阻RD4连接运放器DA01A的输出端，电阻RD3和电阻RD6串接点连接三极管Q2发射极；三极管Q2的集电极接12V电源，电阻RD6和电阻RD4串接点连接三极管Q2基极，三极管Q2的发射极依次通过电阻RD8和电容CD1接地，电阻RD8和电容CD1的串接点为DAC0_OUT端；运放器DA01A的输出端还通过电阻RD5连接DAC0_OUT端。模拟量输出模块所包括的其他信号输出单元电路可参考图5进行设计。

数字量输出模块经过晶体管/继电器隔离单元与控制模块相连，以将控制模块输出的相应控制信号直接进行输出，控制相应设备(包括晶闸管、IGBT、继电器、接触器等)动作。这里的数字量输出模块包括晶闸管控制信号输出单元和接触器控制信号输出单元。

如图6所示，给出了开关量输出单元和光耦隔离单元相连后的电路图。其中，OUT端和OUT1端为输入端，连接控制模块；Y00端和COM0端、以及Y01端和COM1端为输出端，用于控制外部电气连接的数字量输入设备；延时继电器分别为UY0和UY1。图6上半部分为继电器控制信号输出单元和光耦隔离单元相连后的电路图，12V电源和OUT1端之间串联有电阻RY0和继电器UY0的线圈，且12V电源还通过电阻RY1、二极管DY0连接OUT0端。延时继电器UY0的触点两端分别为Y00端和COM0端。其中，继电器起到电磁隔离的目的。图6下半部分为接触器控制信号输出单元和光耦隔离单元相连后的电路图，具体结构与图6上半部分类似，这里不再介绍。数字量输出模块所包括的其他控制信号输出单元电路可参考图6进行设计。

该工控装置包括RS232/RS485/CAN通信单元组，使控制模块通过相关转换芯片支持RS232、RS485、CAN等接口对外通信，通过连接外部显示屏、操作面板等支持人机界面操作，且还支持板卡扩展，也可实现多个工控板主从通信。除此以外，该通信接口还可包括RJ45通信接口。

如图7所示，给出了RS485通信单元的电路图。TXD1端和RXD1为输入端，连接控制模块的TXD1端和RXD1端，B1端和A1端为输出端，U5为485芯片。TXD1端通过电阻R11连接三极管Q0的基极，TXD1端还连接485芯片U5的DI端，三极管Q0的发射极接地，3.3V电源通过电阻R12连接三极管Q0的集电极，且三极管Q0的集电极连接485芯片U5的RE端和DE端；485芯片U5的VCC端连接3.3V电源，485芯片U5的B端和A端之间依次串设有电阻R15、电阻R17和电阻R16，电阻R15和电阻R17的串接点为B1端，电阻R17和电阻R16的串接点为A1端；485芯片U5的A端还通过二极管D7接地；485芯片U5的B端还分别通过电阻R14接地、二极管D8接地。其他通信单元的电路图可根据需求进行电路设计。

控制模块(又称MCU)选用意法半导体(ST)公司的STM32F103作为主控模块，其引脚如图8所示，其内核是Cortex-M3，属于中低端的32位ARM微控制器。STM32控制单元在电路中，主要处理来自外部各类型通过传感器的模拟量、数字量的数据信号并进行处理，按照既定程序进行下一步操作，输出相对应的模拟量、数字量信号，对连接外部各类型受控电气设备完成指定动作，以达到相应控制的目的。该控制器支持C语言编程，亦可通过相关PLC编程语言经过转换后编入控制器执行相关指令动作。

从上述各模块的功能描述和电路设计可知，需要12V、5V、3.3V电源，故本实施例中的供电模块包括三个电压变换单元，如图9所示，三个电压变换单元分别实现将24V电源降压为12V电源，将12V电源降压为5V电源，将5V电源降压为3.3V电源，以实现对上述模拟量输入模块、数字量输入模块、模拟量输出模块、数字量输出模块、控制模块、通信板卡的供电，保证各模块、各部件的正常稳定工作。

本实施例中，存储模块采用EEPROM存储器，作为其他实施方式，还可采用EAPROM、铁电存储器、或者NANDFLASH存储器等其他现有的存储器。

本实用新型的钢轨电位限制装置用工控装置，通过模拟量输入模块和数字量输入模块可实现对外部各种传感器的模拟量、数字量信号的采集，并对这些信号进行分析与处理，通过模拟量输出模块和数字量输出模块输出相应的模拟量、数字量信号，对外部受控电器设备进行控制以完成工作需求。而且，模拟量输入模块、数字量输入模块、拟量输出模块和数字量输出模块和控制模块之间均添加有隔离单元以保护控制模块的正常工作。同时，设置有通信接口，实现与外置显示、操作等人机界面通信。

Claims (10)

1.一种钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，包括：

模拟量输入模块，包括电压隔离变送器信号输入单元、以及电流隔离变送器信号输入单元，分别用于向模数转换模块输入钢轨对地的模拟量电压信号和钢轨对低的模拟量电流信号；

第一运算放大模块，设置在模拟量输入模块和控制模块之间，用于将模拟量输入模块输入的模拟量信号运算放大后输入至控制模块供控制模块进行逻辑运算处理；

数字量输入模块，包括接晶闸管信号输入单元和接触器信号输入单元，用于向控制模块分别输入晶闸管分合闸信号和接触器分合闸信号；

第二运算放大模块，设置在控制模块和模拟量输出模块之间，用于将控制模块输出的模拟量控制信号运算放大后进行模拟量输出；

模拟量输出模块，包括变频器控制信号输出单元和伺服电机控制信号输出单元，用于输出相应控制信号以分别控制变频器、伺服电机执行相应动作；

数字量输出模块，包括晶闸管控制信号输出单元和接触器控制信号输出单元，用于根据控制模块的控制信号分别输出晶闸管分合闸指令和接触器分合闸指令；

控制模块，用于接收经第一运算放大模块输入的模拟量信号、数字量输入模块输入的数字量信号，并根据接收的各类型信号，经过预设的内部程序进行运算处理后向第二运算放大模块和数字量输出模块输出相应的控制信号；

通信接口，与控制模块相连；

供电模块，用于为工控装置中的各模块进行隔离并供电。

2.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述控制模块为MCU。

3.根据权利要求2所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，还包括隔离模块，所述隔离模块包括第一隔离单元、第二隔离单元、第三隔离单元、第四隔离单元和第五隔离单元；

所述第一隔离单元设置在模拟量输入模块和第一运算放大模块之间；

所述第二隔离单元设置在数字量输入模块和控制模块之间；

所述第三隔离单元设置在第二运算放大模块和模拟量输出模块之间；

所述第四隔离单元设置在控制模块和数字量输出模块之间；

所述第五隔离单元设置在控制模块和通信接口之间。

4.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，还包括存储模块，与控制模块相连。

5.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述供电模块包括三个电压变换单元，三个电压变换单元依次相连，且三个电压变换单元的输出端通过相应的支路连接对应的需供电模块。

6.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述通信接口包括RS485通信接口、RS232通信接口、CAN通信接口和RJ45通信接口中的至少一种。

7.根据权利要求3所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述第一隔离单元、第二隔离单元为光耦隔离或磁隔离，第三隔离单元为光耦隔离；所述第四隔离单元为晶体管隔离或继电器隔离；所述第五隔离单元为光耦隔离或磁隔离。

8.根据权利要求4所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述存储模块为EEPROM存储器、EAPROM、铁电存储器、NOR FLASH存储器或者NANDFLASH存储器。

9.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述数字量输入模块还包括行程开关信号输入单元、报警信号输入单元和复归信号输入单元，所述行程开关信号输入单元用于向控制模块输入所述工控装置检测所在控制柜的柜门状态信号。

10.根据权利要求1所述的钢轨电位限制装置用工控装置，其特征在于，所述数字量输出模块还包括指示灯控制信号输出单元和加热器控制信号输出单元。

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