盘点七大电气化铁路技术应用的自动化产品

【编者按】现代铁路技术正在向智能化、电气化发展，越来越多的自动化产品被应用与铁路领域，比如必不可少的传感器、各种控制系统中的自动化软件、节能的变频器等等。

1、传感器

传感器(英文名称：transducer/sensor)是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

在铁路运输行业中，进行必要的铁路工程测量是铁路运输安全的重要保障。而在铁路运输行业中，各种类型的传感器已到处可见。常见的传感器有磁感应传感器、激光位移传感器等。

2、机器视觉

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

如今，中国正成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一，应用范围涵盖了工业、农业、医药、军事、航天、气象、天文、公安、交通、安全、科研等国民经济的各个行业。其重要原因是中国已经成为全球制造业的加工中心，高要求的零部件加工及其相应的先进生产线，使许多具有国际先进水平的机器视觉系统和应用经验也进入了中国。

机器视觉在铁路技术领域有重要的价值，比如机器视觉可以用来节操高速铁路轨道表明缺陷，铁路轮对自动检测设备针对多种规格的火车轮对进行尺寸参数的测量。该产品应用了机器视觉、激光三角法测距、运动控制等多项先进技术，具有精度高、可靠性高、易于操作的特点。其技术指标远高于铁道部相关标准。

3、牵引变流器

电力机车以及安装电传动装置的其他机车上设置在牵引主电路中的变流器。牵引变流器的功能是转换直流制和交流制间的电能量，并对各种牵引电动机起控制和调节作用，从而控制机车的运行。

1879年德国西门子公司建造的直流125伏、3马力的电车应用牵引变流器取得成功。20世纪50年代

法国、匈牙利、联邦德国、日本等国研制成多种工频牵引变流器，有单相-三相变频式变流器、单相交流-直流旋转式变流器、多阳极水银式变流器和引燃管式变流器等。这些牵引变流器还未推广就被60年代新出现的大功率半导体器件构成的变流器所替代。起初仅用大功率二极管进行交流-直流间的整流。晶闸管和电子控制器件出现后,牵引整流器便具有交-直流间的可控整流和有源逆变、直-直流间的变换的功能，并且试制出直-交流间的变换器。80年代，牵引变流器在电力机车、电力传动柴油机车、燃气轮机车、动车组以及地下铁道车辆上得到广泛的应用。应用何种牵引变流器已成为表明机车特性的主要标志之一。

4、低压变频器

变频器(Variable-frequencyDrive，VFD)是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流(交流变直流)、滤波、逆变(直流变交流)、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。产品定义电压等级低于690V的可调输出频率交流电机驱动装置，就归类为低压变频器。

电气化铁路和城市轨道交通从直流到交流传动的迅猛发展，是和新兴的电力电子器件的发展密不可分的。因为任何一种新器件的出现，都会为电力变换技术和控制技术的发展创造突破口，从而大幅度提高变频器的性能和扩大其应用范围。

轨道交通行业中，除了城轨车辆的牵引系统需要使用牵引变频器之外，像轨道交通中的风机、空调和电梯系统也都需要变频器进行变频调速和节能作用，特别是节能作用越来越被轨道交通行业所重视。如上海地铁出于节能考虑，从2007年开始考虑在新建的线路上空调箱和风机采用变频控制，而从八十年代开始建成的七条线的空调和风机上都没有采用变频控制。因此，可以预见，变频器在风机和空调箱上的使用越来越多。

5、控制器(plc、工控机)

控制器(英文名称：controller)是指按照预定顺序改变主电路或控制电路的接线和改变电路中电阻值来控制电动机的启动、调速、制动和反向的主令装置。由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。

在铁路系统中能用到plc,比如可编程控制器用于铁路信号系统、铁路专用车辆检修流水线、铁路调度监督系统、铁路供水系统。在这些领域有相关的论文发表，也有实例。

某铁路供水系统由分布在十几公里内10个深井取水泵站、4个增压泵站、多个储水池、水塔及用户管网组成。整个供水系统的高低落差达150米，由于供水系统的组成及地形结构的特殊性，过去人工监控，给生产管理、供水调度带来诸多不便。

实施了微机监控后，它能实时监测供水系统的主要工艺参数(如压力、流量、水位、电压、电流等)，控制深井泵、增压泵的开停，监视泵机的运行状态，同时提供生产管理所需的报表、曲线、数据查询等功能。

系统主要由监控中心、无线通信系统、现场监控终端、传感器及仪表四部分组成。

监控中心：由微机、无线数传机、全向天线、模拟屏及UPS组成，主要完成各现场终端数据的实时采集、监测、控制、数据存储、打印报表、数据查询等功能。

无线通信系统：监控中心与各泵站终端之间采用无线方式通讯。监控中心为主动站，其它终端副站为被动从站，该系统采用无线电管理委员会给定的数据频率，以一点对多点的方式与从站通讯，监控中心为全向天线，各副站为定向天线。

现场监控终端：核心为PLC，是一个智能设备，它有自己的CPU和控制软件，主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制等功能，并通过无线信道与监控中心微机进行数据通信。根据监控中心的命令分别完成系统自检、数据传送、控制输出等任务。

传感器及仪表：是PLC监测现场信号的“眼睛”，现场所有信号都需经过传感器及仪表的转换，才能输出标准信号，被PLC终端所接受。系统主要测量电压、电流、液位、压力、流量及耗电量等参数。

6、工业以太网

工业以太网是基于IEEE802.3(Ethernet)的强大的区域和单元网络。利用工业以太网，SIMATICNET提供了一个无缝集成到新的多媒体世界的途径。企业内部互联网(Intranet)，外部互联网(Extranet)，以及国际互联网(Internet)提供的广泛应用不但已经进入今天的办公室领域，而且还可以应用于生产和过程自动化。继10M波特率以太网成功运行之后，具有交换功能，全双工和自适应的100M波特率快速以太网(FastEthernet，符合IEEE802.3u的标准)也已成功运行多年。采用何种性能的以太网取决于用户的需要。通用的兼容性允许用户无缝升级到新技术。

今天的控制系统和工厂自动化系统，以太网的应用几乎已经和PLC一样普及。铁路运输管理信息系统可以用到工业以太网。为了更有效的进行列车调度和为乘客提供及时的信息服务，铁路的信息系统必须提供实时的列车到站和发车信息，并且实时更新可供售出的车票数据库。这个系统所遇到的问题在于这些信息分布在铁路沿线上百公里的地理范围内，良好的通讯系统将确保数据不丢失，系统通讯不间断，工业以太网是一个比较好的选择。

7、自动化软件

自动化软件在自动化控制系统中起着重要作用，其主要作用是对生产过程进行调度自动化控制在技术、产业、应用上的高速发展，已逐步具备高度集成化、智能化、网络化的发展趋势和特点。由于工业控制系统的管控一体化趋势控制，使得工业控制系统与传统IT管理系统以及互联网相连通，内部也越来越多地采用了通用软件、通用硬件和通用协议。比较常见的是SCADA自动化软件系统。

所谓的SCADA自动化系统(supervisorycontrolanddataacquisition)，就是我们所说的数据采集与监控系统。它主要是受计算机技术得支撑，对各种生产过程进行调度自动化控制的系统。目前，SCADA软件不仅在石油、化工等行业的数据信息采集和监督控制中起到很大的作用，而且广泛的运用于水利和电力事业的监管之中。SCADA自动化软件，可以在无人看管的情况下，自动化的对生产进行长时间的精准监椌，并且从中获取有效的信息数据，为监管的管理者提供有力的评价参考。

“SCADA系统使调度指挥不再鞭长莫及!”广州铁路(集团)公司供电调度人员利用SCADA系统，迅速处理了一起高铁动车组无法受电故障，受到人们的关注和赞扬。

一列京广高铁动车组列车在运行途中因发出异常的响声，不慎掉入接触网分相无电区，无法受电正常行驶，动车组列车被迫停于崇山峻岭之间，救援形势非常严峻。广铁集团供电调度人员接到故障信息后，立即启动相关事故应急预案。在值班调度长沈志刚的统一指挥下，调度员陈志培胸有成竹地发布调度命令，操作调度员王晓河沉着冷静地进行远程操作。呼唤应答，手指眼看，鼠标轻点，SCADA系统用类似于“无影手”的远程操作倒换分相隔离开关，迅速实现对无电区供电。10分钟后，这趟动车组列车升弓受电开车，顺利启程。

如果没有SCADA系统的鼎力相助，调动指挥供电人员必须赶往事故现场，进行手动操作隔离开关送电，至少需要两个小时以上的时间，那样就会严重影响京广高铁的正常运输秩序。

“嘟——嘟——嘟——”每次故障发生后，SCADA系统都在第一时间与现场设备同步发出事故音响，供电调度员闻声立刻进入战斗状态。SCADA系统还能够发出各种预告音响信号。例如，无人值班的箱变开门信号、烟雾报警信号、风机启动信号等等。据此，调度员就能察知相关设备出现异常情况，需要注意观察，提高警惕。这无疑给调度员装上了名副其实的“顺风耳”。

SCADA系统灵活多样的报警功能，为调度指挥故障处理节省了大量时间，提高了工作效率，极大地减少了对铁路运输秩序的干扰。

SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，由监控站(调度端)、被控站(被控端)及通道三大部分组成。

调度端设在调度所，可以实现对远方对象的监控、数据统计及管理功能等。被控端可以完成数据采集、预处理、发送、接受及输出执行等功能。在电气化铁路牵引供电系统中使用的SCADA系统，主要用于监控铁路沿线各变电所、分区所、开闭所、电力配电所和电力箱变设备运行状态，实现千里之外的遥控、遥信、遥测及遥调等功能。SCADA系统通过对调度指挥模式的创新，让调度员通过远程操作就可迅速实现灵活多变的供电，在电气化铁路事故救援中发挥了积极作用。

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