关于CAN总线的接触网隔离开关监控系统的设计探究 .doc

关于CAN总线的接触网隔离开关监控系统的设计探究 .doc 关于CAN总线的接触网隔离开关监控系统的设计探究 目前国内铁道机务段使用接触隔离开关进行电分段, 一部分机务段对隔离开关的动作仍是手动操作, 不仅效率低, 而且操作员的安全隐患系数非常大;另一部分采用微机监控方式, 采用RS232/485和无线通信方式, 然而RS232/485 的通信距离无法达到要求, 无线通信又对现场的辐射、电场及磁场的要求比较苛刻。考虑到机务段工作环境比较恶劣, 笔者提出构建一种新的监控系统, 该系统采用具有强纠错能力、高性价比的CAN总线通信方法, 并在接触上设有2.5万伏的高压。为了保障在机车顶部作业工作人员的安全, 系统采用了一人操作一人监护且均需要刷卡的互锁机制, 采用可供选择的联机验证模式和独立操作模式, 符合铁道部《电气化铁路有关人员电气安全规则》第24 条所给出的接触隔离开关操作的规定。 随着嵌入式系统应用的发展, 各现场总线的应用日益广泛, 其中控制器局域(controlarea【】 综合考虑价格、IO资源及功能要求, 选择Atmel公司的AVRATmega128单片机作为主控制芯片;液晶面板选择OCM12864, 用在下位机监控装置上, 显示当前隔离开关的状态、机车号、操作员卡号及操作步骤提示;键盘设计为4 4的矩阵键盘, 通过ATmega128的PB口组建而成, 用来输入机车号、卡号及进行删除、确认等功能操作;语音芯片采用BMP5008系列4 M的语音模块, 主要用来对在防护亭里工作的操作员和监护员播放操作步骤及一些其他提示, 并配合液晶显示模块进行步骤提示工作;时钟模块主要是使下位机监控装置上能显示当前的时间, 选用了涓流充电时钟芯片DS1302, 能提供2100 年前的秒、分、时、日、月、年的时间信息;射频卡主要是达到认证的目的, 通过IC卡和上位机上的数据库, 认证操作员和监护员的身份, 只有操作员和监护员同时刷卡成功且卡号对应才能进行隔离开关的闭合或打开操作;通过AVR128单片机输出的开关信号来控制电机正转或反转, 从而使与电机连接的隔离开关断开或闭合;CAN总线智能节点的主要目的是使每一个下位机监控装置里的AVR128单片机都作为CAN总线上的一个子节点, 从而完成CAN总线的组。 3 CAN通信模块设计 3.1 CAN通信模块的硬件设计 CAN通信模块主要负责处理各个下位机监控装置与监控主机的信息通信问题, 下位机监控装置与通信控制单元采用CAN通信, 监控主机与通信控制单元采用RS232通信, 故该模块实质上是一个CAN-RS232转换卡, 同时也是CAN络中的一个CAN节点, 定义为节点0。 CAN通信模块的控制芯片采用STC89C52单片机;CAN控制器采用Philips公司的独立CAN控制器SJA1000, 兼容 CAN2.0A和CAN2.0B两种技术规范;CAN驱动器采用Philips公司的PCA82C250, 可提供对总线的差动发送和接收功能. 下位机监控装置的信息通过CAN总线发送给CAN通信模块, CAN通信模块再将该信息通过串口发送给监控主机;类似地, 监控主机可以通过串口将要发送至下位机监控装置的信息发送给CAN通信模块, 然后由CAN通信模块通过CAN总线发送给下位机监控装置。 3.2 CAN通信模块的软件设计 CAN通信模块的软件设计主要包括串口的初始化、发送、接收程序和CAN的初始化、发送、接收程序两大部分。串口的软件设计比较常见,故不再详述。 主要包括工作方式的设置、ACR/AMR的设置、BTR0/BTR1的设置、OCR的设置, 以及中断允许寄存器的设置等;接收中, 要对总线上数据是否有需要接受、报文是否有效等状态做出判断, 并进入相应的处理程序;发送过程也需要对上次发送是否完成、缓冲器是否锁定等状态做出判断, 并进行相应的处理。 3.3 CAN通信应用层协议的制定 CAN协议本身只定义了物理层和数据链路层的规范(遵循OSI标准), 因此, 用户在应用CAN协议时, 必须根据实际需求自行定义CAN高层协议。国际上已经形成了诸多基于CAN的高层应用协议, 如CAL、CANopen、DeviceNet、SDS和CAN Kingdom等, 而适于接触隔离开关监控系统的统一的CAN高层应用协议目前还没有形成。 在信息的安排上应该注意CAN信息帧一次最多可以发送8个字节的数据。该系统中, CAN通信采用带29位报文标识符的扩展帧, 主要通过报文标识符中的来确定该帧数据的类型、通信目的地址、源地址、股道号和结束标记等信息。对于CAN通信模块来说, CAN总线上要发送的数据定义为3种, 即发送数据帧、远程请求帧和信息应答帧. 4 上位机监控系统 上位机监控系统采用工控机作为人机接口,使用RS232串行接口通过CAN通信模块与下位机监控装置进行通信, 利用Windows环境下开发软件的可视性, 面向事件和对象的特征, 编写良好的用户界面。上位机可以接收现场接触隔离开关分合的状态、操作员的卡号、监护员的卡号、机车类型以及机车号, 在联机验证模式中, 值班员可以发送信息来同意操作员和监护员继续操作或拒绝其继续操作, 且值班员可以查询工作人员的历史工作数据。为完成这一系列功能的设计, 该系统使用了BorlandC++Builder来开发该接触隔离开关监控系统的上位机程序。 根据设计要求, 上位机程序主要完成如下的功能:?用户登录, 密码设定, 确保身份的认证;?主工作界面, 现场数据的实时监控;?操作员和监护员的数据库管理和维护;?历史工作数据的记录与管理。 5 结论 基于CAN总线的接触隔离开关监控装置是专门针对电气化机务段、动车段和机车厂的接触隔离开关的集中监控而研制的一种 分布式综合自动化系统。该系统可实现对机务段整备场接触隔离开关进行集中监控和。由于其采用了抗干扰能力较强的通信方式、可重复使用的IC卡、语音提示, 以及对接地杆位置、隔离开关操作机构电源、钥匙开关、软件多级闭锁等功能,大大提高了机务段接触隔离开关集中监控的安全性和可靠性。该系统的使用可降低接触隔离开关操作人员的劳动强度, 杜绝接触隔离开关的误操作, 能适应作业自动化操作发展趋势, 提高工作效率, 可有效地防止铁路人身和设备安全事故的发生。随着我国城市地下交通建设规模的高速发展，越来越多的地铁建设面临需要穿越已有线路的问题. 由于既有线路在前期设计中未考虑新线的修建，所以，新建地铁线路施工不可避免地会引起既有线路的变形，而地铁运营对既有线路的轨道沉降有非常严格的控制标准. 如何保证下穿施工的安全和既有线路的正常运营，在工程实践中，这一问题已引起高度重视，一些地区将新建地铁穿越既有线路的工程评定为特级环境风险工程，因此需要对这类问题开展必要的深入的研究分析. 关于地铁下穿施工，以往的研究成果大多集中在地铁线路下穿既有线路时的施工技术方法或针对典型案例对隧道变形的数值模拟分析，而对于地铁下穿施工的安全影响因素方面的研究仍旧不多，特别是对施工过程中的安全评价指标的建立缺少研究分析，而要对这类特级风险工程进行有效的风险管理，特别是对危险因素的早期评估，就需要对地铁隧道下穿施工中的安全影响因素进行查找和分析，建立相应的安全评价指标，以减少施工过程中安全事故的发生. 1 地铁下穿既有线案例 1. 1 北京地铁10 号线下穿地铁1 号线北京地铁10 号线国贸- 双井站区间段从地铁1 号线下方通过，结构埋深为18m. 按照标准断面10 号线顶板距离地铁1 号线隧道底板距离仅有1. 09m. 由于1 号线隧道二次衬砌为素混凝土，据现场观察，墙上已有较多裂纹，综合1 号线结构资料、现场检测和计算分析，显示地铁1 号线结构现状安全度已达到临界状态，地铁1 号线平均每6min 有一辆地铁列车通过，在列车动荷载作用下，下部隧道的开挖必会加剧1 号线隧道破坏. 而且，10 号线隧道区间位于繁华的市政主干道下面，地面建( 构) 筑密集，地质条件情况十分复杂，沿线有河流、建筑物、桥梁等风险控制点. 经研究决定地铁10 号线开挖引起的1 号线轨道沉降应控制在5mm 内. 隧道区间位于永定河冲积扇的中下部位，场地勘察深度范围自上而下低等主要分为粉土填土、粉土、粉细砂、粉质粘土、黏土、粉土和砂卵石. 1 号线区间位于粉质粘土、砂卵石层中， 10 号线区间大部分位于黏土层中，局部位于砂卵石层中. 在地铁施工过程中要考虑对既有1 号线的结构保护和10 号线的下穿施工安全. 实际施工阶段对1 号线采取的保护措施有: ( 1) 对原有的二衬裂缝采用YJ 建筑结构胶进行灌缝; ( 2) 对二衬结构进行粘贴芳纶纤维布加固; ( 3) 对1 号线道床采取防脱护轨、轨间拉杆措施以防止轨道水平变形; ( 4) 下穿施工时间在1 号线停运时间，运营速度控制在30Km/h , 40Km/h. 施工前经过对风险状态评估、设计和施工方案的审查，以及第三方监测等一系列工作后; 在实际施工阶段未有安全事故的发生，最终取得成功. 1. 2 北京地铁5 号线下穿地铁2 号线 北京地铁5 号线崇文门站结构为双柱3 跨岛式车站，车站采用暗挖法施工，两端为双层结构，中间为单层结构，车站总长度为208. 9m，总宽度为24. 2m. 车站单层部分从既有2 号线地铁崇文门站东端区间近距离( 1. 98m) 下方穿过，该工程存在着新建隧道断面大( 宽24. 2m、高11. 46m) 、距离既有地铁隧道近、既有地铁隧道结构存在变形缝易发生差异沉降且修建年代久( 1968 年) 、水文地质条件复杂等工程难点，而且要确保既有地铁的正常安全运营. 在中，经过比较中洞法和柱洞法对既有线的沉降影响，最后采用柱洞法施工，施工时采用直径600mm 超前咬合管棚管幕进行预支护来避免土体坍塌，并减少隧道施工引起的土体沉降. 为增加土体稳定性、提高土体的密实度、承载力，减小土体、初支及管幕的下沉，采用全断面预注浆、跟踪注浆等措施来避免土体的沉降和减少对既有线结构变形. 为保证既有线路正常运营安全，在施工过程中，采用具备远程、实时、自动采集监测数据的检测系统，及时掌握既有线的沉降变形.(FAN) 1. 3 广州地铁3 号线下穿地铁1 号线 广州既有地铁1 号线体育西路站于1997 年9 月竣工，设计时未考虑新建3 号线车站施工影响. 1 号线车站为地下两层，双柱三跨钢筋混凝土框架结构，地板埋深为14m，车站顶板覆土约为1. 8m，底纵梁为全上翻形式. 此处3 号线车站基坑深24. 3m，基坑宽34. 7m. 既有1 号线将车站分为南北两个明挖基坑，下穿段采用暗挖施工. 在下穿施工时，如何保证既有1 号线车站的正常运营和结构的安全是施工中的关键. 针对1 号线车站的结构型式、受力特点、底板所处的地质条件，在设计中采用了暗挖三连拱隧道方案，3号线暗挖拱顶距离1 号线底板之间仅67cm. 为减少对既有线的沉降和变形，根据地质情况与工期目标，暗挖施工采用了5 洞开挖方案，开挖前对1 号线底纵梁进行加固，对1 号线顶板进行卸载和限制1 号线顶板上方车辆荷载; 施工中为控制既有线的水平位移，两侧基坑土体采用对称开挖，同时3 号线围护桩与1 号线结构之间设置附加斜支撑;对需要爆破的地方，采用微振动爆破施工，局部采用人工破除. 施工中遵循弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测的原则，加强对初支和二衬背后的注浆. 施工中加强监控监测，利用反馈数据指导施工. 1. 4 深圳地铁5 号线区 间下穿住宅小区 深圳地铁5 号线怡黄盾构区间下穿景贝南小区，盾构隧道的最大覆土厚度为16. 61m，最小覆土厚度为8. 5m，在隧洞穿越范围内为上软下硬地层，隧洞顶板为砂、卵石土等敏感地层，盾构机在掘进过程中对土体的扰动会影响至地表，引起地表及建筑物沉降.在下穿施工过程中，为预防建筑物沉降过大，采用洞外提前地表加固、开挖中后期注浆、采用高分子材料修补断裂带、盾构机掘进参数修改等措施控制建筑物下沉变形; 施工过程中为预备紧急情况，成立抢险小组，紧急情况下，启动应急预案. 2 地铁下穿施工安全影响因素 通过对以上几个典型地铁下穿既有建( 构) 筑物案例的总结，可以得出在地铁下穿施工过程中主要的影响因素有: ( 1) 既有建构筑物沉降和位移的安全要求对下穿施工安全的影响; ( 2) 地下水文地质条件对下穿施工安全的影响; ( 3) 既有建构筑物与新建线路的结构形式对下穿施工安全的影响; ( 4) 下穿施工方案的选择与确定对下穿施工安全的影响; ( 5) 施工作业者与施工机械的选择对下穿施工安全的影响; ( 6) 现场施工环境对下穿施工安全的影响等. 对地铁下穿施工中安全影响因素的辨识是下穿施工风险评价和风险控制的基础. 为了对地铁下穿施工更好的做到安全管理，我们需要在安全影响因素有效识别的基础上，提出相应的安全评估方法，以方便现场安全管理. 3 地铁下穿施工安全评估方法 地铁施工中的安全评估方法有多种，定性分析方法有事故树分析法( FTA 法) 、层次分析法( AHP 法) 、核查表法等; 定量分析方法有: 作业条件危险性评价法( LEC 法) 、模糊综合评价法、概率风险评价方法等.事故树分析法是从要分析的特定事故或故障( 顶上事件) 开始，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因( 底事件) 为止; 事故树分析法用于定性分析，通过定性分析，确定各种危险因素对事故影响的大小，从而掌握和制定防灾控制要点; 但要编好一棵事故树必须对系统非常熟悉和有丰富的经验，并且要准确的掌握好分析方法. 因此不能满足地铁施工现场对安全影响因素的快速判断.层次分析法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法; 然而，层次分析法的定量数据较少，定性成分多，不易令人信服.模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评标方法. 该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价. 它具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决; 但由于模糊综合评价法的权重需要一定的专业知识才能确定，不适 合施工现场的快速研判. 4 地铁下穿施工安全防护建议 在地铁下穿施工过程中，首先要求保证既有线路的正常运营安全及已有建筑物的结构安全，为此，施工前需要结合下穿既有建构筑物的结构形式、建筑装修样式、系统设备，以及下穿段地层的水文地质条件进行统一的改造设计; 其次，在施工中应加强监控量测，对既有线的底板、道床、侧墙、柱的沉降变形监测，做到信息化指导施工; 第三，利用LEC 法对现场的安全影响因素做出快速判断，指导现场施工. 由于下穿既有建构筑物为特级风险源，因此在施工阶段要明确业主、设计、施工和监理等各方的职责，加强现场管理，制定完善的现场突发状况应急预案，减少施工中的伤亡事故.