專利名稱：城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)和測控單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)和測控單元所屬技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型涉及自動化管理設(shè)備制造領(lǐng)域，直接應(yīng)用于城市軌道交通 直流牽引供電系統(tǒng)，具備直流電流、電壓故障保護(hù)，電纜監(jiān)控，事故分析 記錄及系統(tǒng)對時功能的設(shè)備單元。
背景技術(shù)：
城市軌道交通系統(tǒng)包括地鐵、輕軌、有軌電車、獨(dú)軌等。軌道交通采 用直流供電，機(jī)車是以電力為能源的電動車組，機(jī)車在運(yùn)行過程中不斷地 從直流牽引網(wǎng)上獲取電能。直流供電系統(tǒng)包括直流開關(guān)柜、控制和保護(hù)系 統(tǒng)、直流電纜、接觸網(wǎng)等。其中控制和保護(hù)設(shè)備單元對確保軌道交通的安 全、可靠的運(yùn)行，具有舉足輕重的作用。
目前國內(nèi)在上海、北京、深圳、南京等地的軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)
大多采用基于可編程序控制器(PLC)的控制和國外的保護(hù)裝置。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及其控制技術(shù)和繼電保護(hù)設(shè)備相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，
PLC技術(shù)和國外設(shè)備的不足已經(jīng)顯現(xiàn)出來
1. 更新周期長，損壞維護(hù)成本高；
2. CPU采用的都是8位或者16位單處理器，處理能力低，邏輯軟件 可擴(kuò)展性和靈活性較差；
3. 固定的硬件設(shè)計(jì)，不能根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行改動；
4. 單一的通訊設(shè)置，通訊實(shí)時性差；
5. 人機(jī)界面差。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型綜合了城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)方面的特殊性和專 業(yè)性要求。城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)，不同于一般交流電力系統(tǒng)的保護(hù)，大致可以分為兩方面:牽引整流機(jī)組保護(hù)和直流饋線保護(hù)。牽引 供電系統(tǒng)保護(hù)的最大特點(diǎn)就是系統(tǒng)的"多電源"和保護(hù)的"多盲點(diǎn)"。多 電源，就是指在系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生電流短路故障時，并不僅故障點(diǎn)線路兩側(cè)的變 電所向該點(diǎn)供電，在這類情況下全線的牽引變電所將都通過軌道牽引網(wǎng)向 短路故障點(diǎn)供電。所謂多盲點(diǎn)，是因?yàn)檐壍乐绷鳡恳╇娤到y(tǒng)本身構(gòu)成的 特點(diǎn)和保護(hù)對象的特殊性而形成保護(hù)上的"盲點(diǎn)"。任何電力系統(tǒng)的繼電 保護(hù)的最基本要求就是能正確無誤切除故障，即要求繼電保護(hù)具有足夠的 選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。而直流牽引供電系統(tǒng)短路時產(chǎn)生的直 流電弧不同于交流電弧，交流電弧的燃燒在其電壓過零時會自動熄滅，但 直流電弧可以長時間維持燃燒而不熄滅，這時如果不快速切斷電源則是非 常危險(xiǎn)的。所以直流供電系統(tǒng)保護(hù)的快速性是最重要的，即當(dāng)軌道交通直 流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，首要就是迅速"切除電源"。針對這一 點(diǎn)，本實(shí)用新型還設(shè)置了 di/dt AI (電流上升率保護(hù))的特殊保護(hù)措 施，這就可以滿足直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時快速切除電源的要求；而 "消除盲點(diǎn)"則設(shè)計(jì)成通過直流牽引變電所內(nèi)部聯(lián)跳、牽引網(wǎng)雙邊聯(lián)跳的 措施來解決；對直流牽引供電系統(tǒng)選擇性，誤動作設(shè)計(jì)成用自動重合閘實(shí) 施矯正；而且本實(shí)用新型增加了線路巡檢功能，可以更準(zhǔn)確地檢測出線路 是否已經(jīng)導(dǎo)通還是斷開，提高了重合閘的安全性。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是單元采用模塊化設(shè)計(jì) 方法，設(shè)計(jì)成CPU模塊板、電源模塊板、人機(jī)接口模塊板、繼電器模塊板。 繼電器模塊板、電源模塊板、人機(jī)接口模塊板分別通過顯示接口、鍵盤接
口、電源接口、跳閘接口、遙信接口與CPU模塊板連接。
所述的CPU模塊板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模塊、網(wǎng)口通 信模塊、串口通信模塊、GPS秒對時脈沖模塊、直流采樣模塊、UB00T存儲 器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、CPLD擴(kuò)展模塊、外部端子；
4其中
一一直流采樣模塊通過AD采樣接口模擬信號線與外部接口端子相連
接；
一一CPLD擴(kuò)展模塊通過顯示接口控制線與人機(jī)接口端子相連接； 一 一網(wǎng)口通信模塊通過網(wǎng)口接口信號線與外部接口端子相連接； — 一串口通信模塊通過串口接口信號線與外部接口端子相連接； 一一GPS秒對時脈沖模塊通過脈沖對時信號線與外部接口端子相連接； 此外，MB91F467主CPU核心控制模塊、網(wǎng)口通信模塊、串口通信模塊、 GPS秒對時脈沖模塊、直流采樣模塊、UB00T存儲器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存 儲器、CPLD擴(kuò)展模塊分別與地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線連接。 所述的人機(jī)接口模塊板包括液晶顯示、按鍵、指示燈、維護(hù)串口； 所述的繼電器模塊板包括跳閘出口繼電器； 所述的電源模塊板為單元提供工作電源，包括5V、 士15V、 24V。 此外本實(shí)用新型的CPU模塊板、電源模塊板、繼電器模塊板的線路板尺 寸設(shè)計(jì)為相同，安裝方式為疊加式，通過立柱隔開，CPU模塊板固定在后蓋 板上，模塊板與模塊板之間依靠排針和排線連接，人機(jī)接口模塊板則安裝 在面板上，保證拆卸簡單，安裝方便。 本實(shí)用新型的積極效果是
1、 使用富士通的32位MB91F467微處理器，具有強(qiáng)大的通信和網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議處理能力；
2、 采用limix操作系統(tǒng)作為單元的操作系統(tǒng)，穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng);
3、 沒有采用CAN總線作為單元內(nèi)部的模塊板間的連接，使得單元判 斷出故障后，更加準(zhǔn)確快速地出口跳閘；
4、 模塊板與模塊板之間安裝方式為疊加式，通過立柱隔開，保證拆 卸簡單，安裝方便。

附圖1為裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型采用富士通的32位MB91F467為主芯片，它有144個引 腳，32K RAM、 1088K ROM,外部中斷14個，30個AD采樣通道，8/16 位定時器16個，5個硬件串口， 3個CAN， 5個LIN， 3個IIC， 12個
CPU元件使用外部晶振，工作頻率為4腿z，通過芯片內(nèi)部的鎖相環(huán)電 路，使CPU內(nèi)部工作時鐘最高可以提升到96MHz，看門狗電路和掉電檢測電 路由一塊工MP813LCPA完成，可以可靠檢測內(nèi)部系統(tǒng)的電源情況并確保系統(tǒng) 可靠復(fù)位。另外CPU外圍還附加了 SDRAM、 FLASH、 B00TR0M芯片及電路， 一起構(gòu)建了一個基本的嵌入式操作系統(tǒng)。
單元系統(tǒng)在上電后，先自檢各個元件，確保單元使用時安全正常，之 后根據(jù)直流釆樣系統(tǒng)采集到的直流信號來判斷外部的直流牽引供電系統(tǒng)是 否發(fā)生故障。由于直流牽引供電系統(tǒng)需要豐富的通訊功能，本實(shí)用新型最 大程度上利用了富士通32位MB91F467的5個硬件串口 ，其中2個用做485 通訊(輸出部分通過光隔器件隔離)、2個作為232通訊(輸出部分通過光 隔器件隔離)，另外系統(tǒng)還配備了 1個網(wǎng)口 (輸出部分通過變壓器隔離)， 方便單元與整個直流牽引供電系統(tǒng)的監(jiān)控配合。其中232接口通訊采用了 MAX232， 485接口通訊采用了 IM81487。 '
內(nèi)部時鐘系統(tǒng)采用了 Epson的8025芯片，該芯片內(nèi)部的晶振誤差在 常溫下只有士 5 /1000000，此外還采用溫度補(bǔ)償確保在周圍環(huán)境溫度波動 較大的情況下，系統(tǒng)的時鐘準(zhǔn)確無誤，能夠?qū)崟r記錄波形。內(nèi)部時鐘系統(tǒng) 由另外單獨(dú)的鋰電池保電，鋰電池采樣法國的SFAT電池，確保時鐘芯片能 持續(xù)供電8年以上。整定值全部存儲在單元系統(tǒng)的Phlips的e印rom24c04里面，24c04通過 IIC通訊接口與CPU連接，由于e印rom特殊的工藝決定了它的擦寫安全可 靠，所以提高了單元系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
繼電器模塊板采用的均是歐姆龍繼電器，它的安全可靠吸合次數(shù)高達(dá)數(shù) 萬次。
電源模塊板為單元提供工作電源，本模塊分110VDC和AC220、 DC220兩 種規(guī)格。輸出5V (2A)、 士15V (0. 5A)、 24V (0. 5A)，并且相互之間均不共 地，抗干擾能力為4級，工作溫度為一40 85度，濕度0 80%，其中5V (2A)為單元系統(tǒng)供電，土15V (0. 5A)為AD芯片供電，24V (0.5A)為繼 電器模塊板供電。
GPS秒對時模塊采用GPS秒脈沖對時方式，主要由三極管和光藕構(gòu)成， 秒脈沖為TTL電平輸入，GPS秒脈沖的上升沿輸入光耦反向后，送到CPU的 中斷口，以便精確捕獲對時信號，使得精讀在lms范圍。
人機(jī)接口模塊板包括大屏幕中文液晶、按鍵、指示燈，顯示系統(tǒng)的工作 信息和操作維護(hù)信息。液晶采用320X320圖形點(diǎn)陣液晶模i央，可以顯示圖 形、漢字、字符，也可以通過軟件編程作圖。主芯片通過CPLD電路(EPM3128) 對液晶進(jìn)行譯碼和讀寫控制。由GPIO對液晶背光、指示燈進(jìn)行控制。GPIO 同時掃描鍵盤，實(shí)時捕獲人為的人機(jī)對話事件。
為提高單元系統(tǒng)的抗干擾性，在CPU的每個接口電路上均加了濾波電容 和上拉電阻。
以上描述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，在不偏離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提 下，對本實(shí)用新型的簡單修改和替換均包含在構(gòu)思之內(nèi)。
權(quán)利要求1、一種城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)和測控單元，其特征在于，含有CPU模塊板、繼電器模塊板、電源模塊板、人機(jī)接口模塊板；繼電器模塊板、電源模塊板、人機(jī)接口模塊板分別通過顯示接口、鍵盤接口、電源接口、跳閘接口、遙信接口與CPU模塊板連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述的人機(jī)接口模塊板包括 液晶顯示、按鍵、指示燈、維護(hù)串口。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述的電源模塊板為單元提 供工作電源。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述的繼電器模塊板提供了 單元跳閘出口。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其特征在于，所述的CPU模塊板包括富士 通MB91F467主CPU核心控制模塊、網(wǎng)口通信模塊、串口通信模塊、GPS秒對時 脈沖模塊、直流采樣模塊、UB0QT存儲器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、CPLD擴(kuò) 展模塊、外部端子；其中直流采樣模塊通過AD采樣接口模擬信號線與外部接口端子相連接；CPLD擴(kuò)展模塊通過顯示接口控制線與人機(jī)接口端子相連接；網(wǎng)口通信模塊通過網(wǎng)口接口信號線與外部接口端子相連接；串口通信模塊通過串口接口信號線與外部接口端子相連接；GPS秒對時脈沖模塊通過脈沖對時信號線與外部接口端子相連接；此外，MB91F467主CPU核心控制模塊、網(wǎng)口通信模塊、串口通信模塊、GPS秒對時脈沖模塊、直流釆樣模塊、UB00T存儲器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、CPLD擴(kuò)展模塊分別與地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線連接。
專利摘要一種城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)和測控單元，適用于城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)的牽引整流機(jī)組保護(hù)和直流饋線保護(hù)。單元設(shè)計(jì)有CPU模塊板包括富士通MB91F467主CPU核心控制模塊、網(wǎng)口通信模塊、串口通信模塊、GPS秒對時脈沖模塊、直流采樣模塊、UBOOT存儲器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、CPLD擴(kuò)展模塊、外部端子，以及電源模塊板，繼電器模塊板、人機(jī)接口模塊板。繼電器模塊板、電源模塊板、人機(jī)接口模塊板分別通過顯示接口、鍵盤接口、電源接口、跳閘接口、遙信接口與CPU模塊板連接。該單元的優(yōu)點(diǎn)是可以滿足直流牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時迅速切除電源和消除保護(hù)“盲點(diǎn)”，優(yōu)于可編程序控制器的控制和國外相同用途的裝置。
文檔編號B60M3/00GK201435600SQ20092006964
公開日2010年3月31日 申請日期2009年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者崔大勇, 潘運(yùn)平, 飚 穆, 昕 范, 邱錫為 申請人:上海致達(dá)智利達(dá)系統(tǒng)控制有限責(zé)任公司