列车运行监控.docx

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列车运行监控

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（ChinaRailwayHighspeed,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。

“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250km/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（DigitalSignalProcessing,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，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。

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、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，这就是变频变压调速。

变频调速技术是现代电力传动技术的重要发展方向。

目前，列车中的调速广泛采用异步电动机的变频调速，此调速系统中的关键设备就是变频器。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。

交流电动机的理想激励源是正弦波，现在普遍使用的变频器主要采用交-直-交方式，它先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制方法，使输出波形近似正弦波，作为理想激励源供给电动机，最终达到调速目的。

2.3列车运行过程

列车在轨道上的运行情况比较复杂，受到多个因素的影响，包括线路条件、列车条件、供电参数、信号条件、计算原则等。

以下是对它运行过程的简要描述。

2.3.1列车启动和运行

列车由车静止开始启动，其所受阻力为0，随着速率的增大，列车受到的阻力也越来越大（阻力与速率成正比）。

从启动至5-10km/h这一低速区，要求牵引力克服阻力以保持足够的加速度，直到列车达到额定功率。

速率越来越大，阻力也继续增大，但动力却由于达到额定功率而不再增加，此时动力加速度就逐渐减小，列车做动力加速度逐渐减小的加速运动。

列车阻力增大到与动力相等时，加速度变为0，列车速度达到最大值，此后列车将匀速前行。

列车在轨道上稳定运行时有三种工况：

牵引、惰行及制动。

其中惰行是指列车在没有牵引力和制动力的情况下滑行，这种方式可以节约能源。

当然牵引力、阻力、制动力一般并非同时作用在列车上，其组合情况将随线路状态和列车工况的变化而不同。

若以C表示列车所受到的合力（以牵引力方向为正值），则

（1）牵引运行

列车牵引力F和列车运行阻力W同时作用于列车，列车合力为

（kN）

式中

为机车牵引运行时列车基本阻力，

为加算附加阻力[2]。

（2）惰力运行

列车只受到运行阻力

的作用，其合力即为运行阻力为

（kN）

式中

为机车惰行运行时列车基本阻力，

为加算附加阻力。

（3）制动运行

列车制动力B和列车运行阻力W同时作用于列车，列车合力为

（kN）

由于牵引力F、列车运行阻力W、列车制动B都是随着列车运行速度而变化的，故其合力C也随速度而变。

列车的运行速度决定于合力的大小和方向[3]。

①当合力C>0时，即合力作用方向与列车运行方向相同，列车加速运行；

②当合力C<0时，即合力作用方向与列车运行方向相反，列车减速运行；

③当合力C=0时，列车匀速运行。

2.3.2列车制动

列车制动借助于摩擦作用或其他方法使列车在运行中减低速度、停止运动或作匀速运动，或在停留中不致溜逸。

列车制动是由列车制动装置发出的内力所产生的制动力来实现的。

列车所采用的制动方式按制动力的操纵控制方式分为空气制动、电空制动和电制动三类，电空制动本质上也是空气制动。

空气制动与电制动互相独立，不同时使用，根据需要选择，电制动独立操纵，电制动力不足时，采用空气制动补充。

因电制动具有能够提供强大的制动力和其它诸多优点，已成为各种型号的高速动车组的主要制动方式。

目前采用的电制动方式主要有电阻制动和再生制动。

（1）电阻制动

它是在制动时将原来驱动轮对的自励牵引电机改变为他励发电机，然后由轮对带动

发电，并将电流通往专门设置的电阻器。

采用强迫通风，使电阻器产生的热量消散于大气而产生制动作用。

（2）再生制动

它是在制动时将列车的动能转变为电能并反馈给电网，供本列车的辅助系统或其它列车使用。

这种制动方式在经济上是合算的，但技术上比较复杂。

目前正在研究推广中，是一种理想的制动方式。

3列车运行监控概述

目前，为保证列车运行安全、提高运输效率，铁路系统采用了集计算机、通信、控制技术与信号技术等为一体的铁路机车监控、检测装置。

下面主要介绍了列车运行监控系统及机车司机室监控的相关知识。

3.1列车运行监控系统

3.1.1列车运行监控系统结构

列车运行监控系统的结构如图3.1所示。

图3.1　列车监控系统结构图

从图3.1中可以看出，列车监控系统分为从结构上分为车辆级控制层和列车级控制层。

车辆级控制层完成本节车设备的控制与监测，每节车设备通过车辆总线互联，与安全有关的重要控制信号采用硬连线，如制动和电源开关等，而有关设备的详细工况通过总线传递。

车辆总线采用CAN（ControllerAreaNetwork,控制器局域网总线），考虑车载的部分设备只有RS-485或RS-232通信接口，为此，专门开发了CAN与RS-485和RS-232的总线转换接口板。

车辆级监控计算机由计算机和测量元件（如速度传感器、压力传感器）、执行元件（制动控制阀）等组成。

3.1.2列车运行监控界面的功能

本设计在组态王里做了列车运行上位机监控界面，所有的变量都是内部变量，可实

现以下功能：

（1）显示速度值（实际运行速度和限制速度）、显示列车运行轨迹、显示运行参数及设备状态等。

（2）运行记录功能。

包括时间、车次、运行公里标、运行实际速度、限制速度、空调温度、主牵引变压器功率、受流电压等；

（3）速度控制。

（4）制动控制。

（5）报警记录：

当实际运行速度接超出控制速度，机车信号显示状态变化；当车轴温度高于55°C时，机车信号显示报警状态；当受留电压高于25kV时，机车信号显示报警状态。

（6）列车运行参数保存和打印。

3.2机车司机室监控

机车司机室电器设备主要由司机台、控制屏柜、司机室照明、终点站显示器、左/右侧屏、车载无线电台、广播系统、监控系统、电视系统、列车自动控制系统、列车防护系统等组成[4]。

这些客室内电器设备及车下电器设备共同完成列车的牵引、制动、自动控制，且司机台台面集中了与驾驶操作有关的大部分功能。

其中机车运行状态监测系统对机车运行各项参数进行检测，建立机车运行状态监测专家系统实现机车状态的预警功能。

在机车司机室的监控系统可实现以下功能：

（1）数据记录功能。

（2）显示功能。

①轨道车运行速度；

②运监装置设定的限制速度。

（3）选择显示。

①日期、时间；

②司机号、副司机号、车次号；

③计长、辆数；

④风压；

⑤轴温。

4列车运行监控界面设计

4.1组态王软件简介

组态软件是工业控制应用软件的开发平台，它提供了一个良好的开发环境。

目前，国产的组态软件有组态王、世纪星和FameView等，其中北京亚控公司开发的“组态王6.53”组态软件被广泛使用。

它具有较高的稳定性和易用性。

通常可以把用组态王设计的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。

其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。

组态软件的使用者是自动化工程设计人员。

组态软件使用户主要以图形组态的方式生产适合自己需要的应用系统，不需要用户修改软件的源代码程序。

组态软件有下列功能[6]：

（1）“组态王”软件功能完善、结构组织灵活

该软件采用全新中文Explorer界面并拥有丰富的绘图工具、庞大的图形库，支持多媒体，提供能强大的控件和控制语言、操作导向，使用灵活、方便，尤其提供给用户以方便的集成开发环境，它可使开发者快速构造应用系统，通过工程浏览器查看工程的各个部分，完全能满足用户所需的测控要求。

（2）强大的通讯能力和良好地开放性

组态王可以与一些常用的I/O设备直接进行通讯，为了方便用户使用，组态王中增加了设备配置向导，用户只需要按照安装向导的提示就可以完成I/O设备的配置工作。

在系统运行的过程中，组态王通过内嵌的设备管理程序负责与I/O设备的实时数据交换。

已配置的I/O设备在工程浏览器的设备节点中分类列出，用户可以随时查询和修改。

（3）丰富的画面显示组态功能

“组态王”提供给用户丰富方便的作图工具，提供了大量常用的工业设备图符和仪表图符等如十几个图库多达几百种组件，大大方便了用户开发工程界面，利用图库的开放性。

组态软件的画面有各种图形对象组成，自动化工程设计技术人员在组态时很容易生成各种图形对象，把被控对象（如反应罐、按钮温、度计、趋势曲线、报表等）形象的画出来。

（4）现场设备的控制与参数调整

可以按照组态要求和操作人员的指令将控制数据发送给I/O设备，对执行机构实施控制或调整控制参数。

4.2设计思路

本设计将依据列车实际运行过程利用组态王软件平台实现列车从兰州到天水的运行监控模拟设计。

列车运行监控界面的设计思路如下：

（1）通过组态王的工具箱画出一个圆形的图形元素，再在数据词典中建立一个与圆形（代表列车）运动相关联的列车变量（内存整形变量），之后将这个变量与建立的列车图形做移动的动画链接设置对应。

（2）通过上网查找地图，查到兰州到天水的实际距离，也就是公里数。

（3）通过观察工具箱左下角的图形坐标计算出来的。

之后再画出列车的运行轨道，将刚才建立的圆形放到起点，做动画运动的时候就让这个圆形在这上面运动。

（4）接下来就是命令语言设计环节，要求命令语言的设计要模拟列车的实际运行情况。

一般我们用组态王做软件开发时，系统得模拟真实的物理系统，所以用组态王软件开发了上位机监控界面，系统结构简图如图4.1所示。

图4.1　基于组态王的系统结构简图

4.3设计要点

在列车运行监控界面中，主要是模拟列车启动、加速、制动、停车状态，在列车运

行期间还要实时采集并显示相关数据，比如列车的到站站点、运行速度、列车的运动距

离（根据连接动画时所设置的距离计算出来的）、列车的运行时间（这是演示工程,将时间放大了,列车运行1min等于实际100ms,要是按实际运行时间去做,要等三四个小时才能演示完这个运行过程）、运行速度、主牵引变压器功率、受流电压、电机转速、轴温和空调温度等（都是由命令语言给定的模拟值，实际系统中都应该是通过相应的传感器采集上来的）。

在本次设计中，在主监控画面上显示列车实时所在线路上的位置，并能显示当前时刻表征列车运行状态的各个参数。

由于整个软件系统都是对列车实际运行过程的模拟，没有与实际硬件设备相连接，因此所有运行中看到的动画都是通过编程模拟的，且没有通过I/O口采集实际过程的数据，所有变量都是内部变量，很多参数的数值都是模拟值。

本设计中只有组态软件设计部分，并没有与实际硬件设备通信，数据都是由命令语言给定，所以只做了主监控界面。

4.4在组态王中的设计过程

4.4.1在数据字典中创建需定义的变量

（1）变量类型及定义

组态王中变量的类型有：

内存离散变量、内存整数变量、内存实数变量、内存字符串变量、I/O离散变量、I/O整数变量、I/O实数变量、I/O字符串变量和结构变量等。

本设计需定义的变量均为内存变量，如运行速度、运行时间、离天水距离、轴温等都设为内存整型；开关、制动位、轴温报警等变量都设为内存离散；到站站点、车次、司机号等变量都设为内存字符串。

定义变量窗口如图4.2所示。

（2）数据词典

数据库中变量的集合称为数据词典，数据词典记录了所有用户可使用的数据变量的详细信息。

对于用户而言，目前组态王共可定义64个变量，其中有一些是系预设变量，用户不可修改，可直接调用，如年、月、日、时、分、秒、日期、时间、用户名、访问权限等，其它的变量根据设计需要自行定义。

本设计中共定义了31个变量，包括运行速度、限制速度、司机号等；制动位、超速指示、轴温报警等；站点、公里标趋势等。

数据词典截图如图4.3所示。

图4.2　定义变量窗口截图

图4.3　数据词典窗口截图

4.4.2界面制作

在工程浏览器中左边的目录中点击“画面”图标，右侧的内容显示区会显示当前工程中定义的画面。

双击内容显示区最下面的“新建”图标，弹出“定义变量”属性对话框，在属性对话框中定义相应属性，然后设计画面。

（1）登录界面

设定登录窗口是为了获取操作权限，保护系统安全。

登录界面如图4.4所示。

图4.4　登录界面截图

（2）参数设定界面

列车运行前需核对车次、车站和司机号[7]等参数信息，因为在确保信息正确后才能启动列车。

参数设定界面如图4.5所示。

图4.5　参数设定界面截图

（3）主监控界面

列车运行监控主界面是本设计的核心，主要包括五部分：

①列车运行轨迹部分；

②列车运行参数显示部分；

③列车模拟控制