地铁接触网可视化自动挂拆地线系统研究

地铁接触网可视化自动挂拆地线系统研究

谷卿侯力忠聂睿

（石家庄市轨道交通有限责任公司运营分公司石家庄050000）

摘要：地铁接触网检修时，需要将接触网停电并在工作区间两端挂接地线，作业完成后需要拆除地线并为接触网送电。挂接的地线一端接至接触网，另一端接至钢轨，地线挂接后接触网与钢轨等电势，保障了作业人员及设备的安全。传统的人工挂拆地线方式存在着操作步骤复杂、需要投入大量的人力物力、耗时时间长、安全系数低等问题，易出现地线误拆误挂及人员触电等事故。为解决传统人工挂拆地线过程中存在的问题，本文结合国内外现有研究及实践经验，提出了一套地铁接触网可视化自动挂拆地线系统。

关键词：地铁接触网；可视化；自动挂拆；地线系统

1引言

随着我国经济的快速发展，城市化建设加快，人口密度增加，城市交通拥堵现象日益严重，传统的出现方式已经越来越无法满足现代城市的快节奏生活。地铁以其运输能力强、快速、安全、高效、低污染等优点，成为解决城市交通拥堵的首选方案。在直流牵引供电系统中，牵引变电所从城市电网或其他主变电所获取电能，并通过馈电线为接触网供电，接触网作为正极，而钢轨则作为负回流线。电动机车在运行过程中，通过受电弓从接触网取电，在此过程中，受电弓与接触网之间存在着一定的压力和摩擦力，以保证正常的供电。

2系统需求分析

在地铁直流牵引供电系统中，电动机车通过受电弓从接触网获取电能，在此过程中，由于受电弓与接触网之间存在压力和摩擦，且地铁高负荷运转，必定会导致接触网的磨损。接触网是直流牵引供电系统的核心组成部分，是保障地铁正常运行的前提，因此，对接触网的日常检修必不可少。

在地铁日常检修及故障抢修时，必须将接触网停电，并在供电区间挂接地线，运营前拆除地线并为接触网送电，保证列车正常运行。传统的地线挂拆为人工挂拆地线方式，该方式操作步骤复杂，需要投入大量的人力物力，耗时时间长，且安全系数低，易出现地线误拆误挂、人员触电等事故。在接触网电分段两侧分别安装一台可视化接地装置，进行检修工作前，通过控制工作区间两端的接地装置挂接地线，其效果等效于在两端挂接了人工接地线。可视化接地装置通过内部电机控制接地开关分合闸，实现地线的挂拆操作，简化了操作流程，相对于人工挂拆方式效率更高，作业更安全。

为进一步提高工作效率，实现地线挂拆操作的可视化自动进行，需要研发一套完善的接地装置监控系统，通过该系统对接地装置进行远程可视化管理，系统需具备远程测试、远程通信、远程控制等功能。

3接地装置软硬件设计

3.1接地装置硬件结构设计

可视化接地装置使用接地开关替代传统的人工接地线，通过接地开关的分合闸实现接触网地线的自动挂拆。为了提高设备的可操作性，保障其功能完整性及设备可靠性，需要增加其他的部件来配合完成挂拆地线操作。

可视化接地装置主要由PLC控制器、高压验电装置、控制电机、接地开关、光纤收发器、网络摄像头、温湿度控制单元等组成。

电动操作按钮和手动操作手柄均可用于接地开关的就地分闸与合闸操作。其中，电动操作按钮通过控制电机驱动接地开关动作，从而实现地线挂拆操作；手动操作手柄主要用于装置断电、电机故障等紧急情况下，通过摇动手柄带动电机传动轴旋转，完成地线挂拆操作。

PLC控制器与光纤收发器相连接，通过光纤以太网与监控主机建立连接，用于实现接地开关的远程控制操作。PLC接收上位机的分合闸控制指令，通过继电器输出控制电机动作。

3.2接地装置控制系统设计

接地装置采用西门子S7-1200PLC作为主控制器，该型号PLC具有可拓展性强、灵活度高、模块化等特点，可用于多种工业应用领域。S7-1200集成了用于以太网通信的接口，通过该接口既可以用来进行编程调试，也可以用来与人机界面设备或PLC进行通信，此外，该接口还支持开放的以太网协议，可以与第三方设备进行通信。S7-1200相对于S7-200具有更好的网络支持性和更快的指令处理速度，相对于S7-300和S7-400更加轻量化和小型化，适合用于小型独立自动化控制系统中。

S7-1200的输入为直流开关量输入，可接入传感器或继电器开关量信号，如装置操作模式开关量信号、高压验电传感器带电状态信号等。S7-1200的输出根据CPU型号可选为开关量输出或继电器输出，用于对外部设备进行控制，包括电机、指示灯和照明灯等的控制。

4监控系统软硬件设计

监控主机安装在地铁沿线具有牵引变电所的车站，是站级管理设备，对本站点内的所有接地装置进行集中管理。监控主机主要由PLC控制器、触控电脑、操作面板、光纤收发器等组成。

触控电脑与操作面板位于装置面板，负责与用户进行交互，PLC与光纤收发器位于装置内部，负责数据的处理与通信。

为了实现监控系统的可视可控，监控主机需安装人机界面设备。目前常用的人机界面设备大多采用工业组态屏，其特点是成本低、工作稳定、可靠性高。工业组态屏的程序通过其特定的组态软件进行开发，由于组态软件内置了大量的工业设备及控件，可以方便快速地进行图形化界面开发，具有良好的人机交互体验。但考虑到本监控系统的监控软件涉及到网络摄像头的访问及复杂的网络通信，使用工业组态屏显然无法满足系统需求。本系统选用运行Windows操作系统的可触控电脑作为人机界面，在触控电脑上安装可视化监控软件实现对接地装置的监控。监控软件使用C#语言编程实现，可实时显示接地装置的工作状态信息及装置内部的视频图像，可远程对接地装置实现控制。

监控主机操作面板包含了多个接地装置的工作状态指示灯、接地装置分合闸控制按钮及监控主机的操作模式选择按钮。接地装置工作状态指示灯包括接地开关的分合闸状态指示灯、接触网带电状态指示灯、接地装置故障指示灯。分合闸控制按钮用于直接在操作面板上实现接地装置的远程控制。在操作面板上设置状态指示灯及控制按钮，目的是保证监控主机的工作模式多样性和可靠性，当触摸电脑故障时，仍然可以通过操作面板进行操作控制。

由于触控电脑无法实现继电器控制及按钮输入读取功能，因此必须为监控主机配置控制器。本系统中使用PLC作为其控制器，主要功能是实现操作面板指示灯的控制，获取面板分合闸控制按钮的输入，并完成与接地装置的通信。

结束语：

接触网是保障直流牵引供电系统正常运行的重要组成部分，为保障地铁系统的正常运行，对接触网的日常检修必不可少。地铁接触网可视化接地系统，通过技术手段保障了接触网检修作业的安全可靠性，避免了误操作等人为因素。可视化接地系统能大幅度缩短验电、接地作业的时间，延长日常检修的有效作业时间，提高了现场作业效率，减少了现场操作人员的配置，节省了人力成本。

参考文献：

[1]杜芳.地铁机车建模及直流牵引供电系统故障分析[D]：北京交通大学，2010.

[2]王元贵.直流牵引供电系统短路故障识别与定位研究[D]：西南交通大学，2013.

作者简介：谷卿（1983-02）男，汉族，河北省石家庄市，从事地铁供电工作。