高铁接触网补偿装置检测系统通信模块设计毕业设计.docx

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高铁接触网补偿装置检测系统通信模块设计毕业设计

石家庄铁道大学毕业设计

高铁接触网补偿装置检测

系统通信模块设计

TheCommunicationModuleDesignofHigh-speedRailwayCatenaryCompensationDevice

DetectionSystem

毕业设计成绩单

学生姓名

学号

班级

专业

电气工程及其自动化

毕业设计题目

高铁接触网补偿装置检测系统通信模块设计

指导教师姓名

指导教师职称

教授

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长签字：

年月日

毕业设计任务书

题目

高铁接触网补偿装置检测系统通信模块设计

学生姓名

***

学号

***

班级

***

专业

电气工程及其自动化

指导单位

电气与电子工程学院

导师

***

导师职称

教授

一、设计内容

研制一种能对接触网的补偿装置运行状态进行在线实时监测系统的通信模块，在发生线索卡滞、补偿装置a、b值超标时准确及时向监控主机的发出预警信息和故障地点，指导设备管理人员进行检查、处理，避免发生断线故障和弓网故障。

将正常监测到的数据按照规定要求定时上传到监控主机；当出现非正常数据时，则立即向监控主机发出报警信号并附带报警信息。

二、基本要求

1、检测终端定时与监控主机进行握手通信。

2、按监控主机的要求对检测终端进行必要的参数配置。

3、采集到的数据若在正常范围内，则将数据存储在本地的存储器中。

在一定时间内将一个该时间长度的平均值上传到监控主机。

4、根据监测终端分析认定为发生线索卡滞、补偿装置a、b值超标的情况，向监控主机准确及时的发出预警信息和故障地点。

三、主要技术指标

基于C8051F020的下位机通信系统程序，通信协议具体设计，系统通信过程安全可靠，系统通信数据结构简洁。

四、应收集的资料及参考文献

可参考C8051F020，C8051F020/1/2/3混合信号ISPFLASH微控制器数据手册，C语言程序设计，GPRS远程监控，系统通信协议的设计，接口等方面的相关资料。

五、进度计划

1、第1周至第2周：

查资料，确定系统总体设计方案，开题报告。

2、第3周至第6周：

通信协议的商定，初步完成系统设计。

3、第7周至第10周：

联机调试系统。

4、第11周至第13周：

完成设计说明书。

5、第14周至第15周：

修改设计说明书，准备答辩。

教研室主任签字

时　间

毕业设计开题报告

题目

高铁接触网补偿装置检测系统通信模块设计

学生姓名

***

学号

***

班级

***

专业

电气工程及其自动化

指导单位

电气与电子工程学院

导师

***

导师职称

教授

一、研究背景

电力机车所需要的电能是通过其自带的取电设施（受电弓）在高速行进中与悬挂在铁路上空的输电设备（接触网）滑动接触而取得的，这种相对高度动态的接触取流方式极大地增加了设备状态的不可控性和不可预见性，给电气化铁路正常供电状态的保持带来了巨大的挑战。

因此，如何有效的监测接触网的运行状况，及时发现和解决安全隐患，是当前急需解决的问题。

二、国内外研究现状

国内外对接触网的运行状态的主要监控手段有三种，一种是通过接触网动态检测车对接触网的弓网配合关系进行模拟实验检测。

一种是在机车顶部安装便携式的监控设备。

还有一种是红外热像仪检测接触网。

这些检测技术手段对接触网的维护和检修能够提供参数和依据，但对于接触网的突发性事故却不能有效地控制。

远程通信模块是基于GPRS的无线通信，国内外在基于GPRS的远程监控领域进行了大量的理论及应用开发研究，取得了长足的进步，基于GPRS网络的无线监控系统已广泛用于遥控、遥测、工业数据采集系统、防盗报警、交通运输监控管理等工业领域和智能家庭仪器等民用产品。

三、课题研究内容

本课题研究的主要内容是研制一种能对接触网的补偿装置运行状态进行在线实时监测系统的通信模块，主要是通信协议的设计。

在发生线索卡滞、补偿装置a、b值超标时准确及时向监控主机的发出预警信息和故障地点，指导设备管理人员进行检查、处理，避免发生断线故障和弓网故障，实现检测终端定时与监控主机进行握手通信，并按监控主机的要求对检测终端进行必要的参数配置。

设计包括：

（1）、系统整体方案的设计

（2）、系统通信协议的商定与设计。

（3）、GPRS无线通信模块的配置与调试。

（3）、联机调试。

教研室主任签字

时　间

摘要

电力机车所需要的电能是通过其自带的取电设施（受电弓）与悬挂在铁路上空的输电设备（接触网）滑动接触而取得的，这种相对高度动态的接触取流方式极大地增加了设备状态的不可控性和不可预见性，给电气化铁路正常供电状态的保持带来了巨大的挑战。

因此，如何有效的监测接触网的运行状况，及时发现和解决安全隐患，是当前急需解决的问题。

该设计研究一种监测接触网补偿装置状态的系统，以此来综合分析接触网运行状态。

该设计以C8051F020为基础，通过GPRS（GeneralPacketRadioService）模块与监控中心通信，具体的通信协议的是本设计的主要内容。

该课题研究的主要内容是研制一种基于GPRS无线通信对接触网的补偿装置运行状态进行在线实时检测系统。

设计包括：

通信协议的确定、下位机通信程序的设计与编写、GPRS连接调试。

关键词：

牵引网接触网检测接触网补偿装置C8051F020GPRS通信协议

Abstract

Electriclocomotivesneedtotakepowerthroughitsownfacilities（pantograph）bycontactingpowertransmissionequipment,hangingovertherailway.Thisrelativelyhighdegreeofdynamiccontacttotakeflowhasgreatlyincreasedtheuncontrollabilityandunpredictabilityofthestatusofthedevice,andbringsahugechallengetomaintainthenormalpowersupplystateoftheelectrifiedrailway.Therefore,howtomonitorthehealthofthecatenary,todiscoverandresolvesecurityrisksistheurgentproblem.Thisdesignstudiedamonitoringsystemofthethecatenarycompensationdevicetoanalyzethestatusofthecatenaryoperationcomprehensively.ThedesignisbasedontheC8051F020,communicatingwiththemonitoringcenterthroughtheGPRS（GeneralPacketRadioService）module.Themaincontentofthedesignisthespecificcommunicationprotocol.

Themaincontentofthisresearchistodevelopstatuson-lineandreal-timemonitoringsystemofthecompensationdeviceofcatenarybasedontheGPRSwirelesscommunication.Thedesignincludes:

thedeterminationofcommunicationprotocol,theslavemachinecommunicationprogramdesignandwritingandtheGPRSconnectiondebugging.

Keywords:

tractionnetworkdetectionofcatenary compensationdeviceofcatenaryC8051F020GPRScommunicationprotocol

第1章绪论

1.1课题背景

近年来我国高速铁路取得长足的进展，中国经济的蓬勃发展，需要安全、高速、稳定的电气化铁路运输。

电力机车通过受电弓与接触网的直接接触，将电能传送给电力机车。

接触网最早出现的形式是利用钢轨供电。

随着电压的提高、运输量的增大、技术的不断改进以及对人身安全的严格要求等，使接触网的结构逐渐发展成为目前广泛采用的架空式接触网[1]。

接触网在供电回路中起着十分重要的作用，直接影响着电气化铁路的运行，因此使接触网始终处于良好的工作状态，安全可靠的向电力机车供电，对于保证铁路运输畅通无阻有着极为重大的意义。

伴随着我国高速铁路迅猛发展，电力机车的功率不断扩大，对接触网的性能的要求进一步提高，一旦接触网运行出现故障，将会造成巨大的损失。

因此，如何有效的监测接触网的运行状况，及时发现和解决安全隐患，是当前急需解决的问题。

国内外对接触网的运行状态的主要监控手段有三种，一种是通过接触网动态检测车对接触网的弓网配合关系进行模拟实验检测。

一种是在机车顶部安装便携式的监控设备。

还有一种是红外热像仪检测接触网[2]。

这些检测技术手段对接触网的维护和检修能够提供参数和依据，但对于接触网的突发性事故却不能有效地控制。

目前，铁路局对接触网的运行状态检测还缺乏实时在线的监测手段。

接触网补偿装置是自动调节接触线和承力索张力的补偿器及其制动装置的总称。

它安装在锚段的两端，并且串接在接触线承力索内。

补偿装置的作用是当温度变化时，线索受温度影响而伸长或缩短，由于补偿坠陀重力的作用，使线索顺线路方向移动而自动调整线索张力，并以保持线索的弛度使之符合规定，从而保证接触悬挂的技术状态，提高了接触网运营质量[3]。

补偿器靠坠砣串的重力使线索的张力保持平衡。

当温度变化时，线索的伸缩使坠砣串上升和下降，当坠砣串升降超出允许范围时，如下降过多使坠砣串底面接触地面或上升过多使坠砣杆耳环孔卡在定滑轮槽中，都会使补偿器失去补偿作用。

因此用补偿器的a、b值来限定坠陀串的升降范围。

坠陀杆耳环孔中心至补偿（定）滑轮下沿的距离为a值。

由坠陀串最下面一块坠陀的底面至地面（或基础面）的距离称为补偿器的b值。

补偿器a、b值随温度变化而发生变化，接触线和承力索补偿器的a、b值不相等[4]。

为了适应高速铁路的发展，迫切需要研制一种能对接触网运行状态进行在线实时监测的装置。

现拟设计一种在线监测装置，该装置可以通过对接触网补偿装置的运行状态监测，借此为综合分析、判定接触网的运行状态提供参考依据，以保证接触网设备的安全运行，并在接触网发生故障时，及时和准确的提供故障点的定位。

本文的设计就是基于GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分组无线服务技术）无线通信的接触网补偿装置的在线监测系统的通信。

1.2GPRS远程监控系统的国内外发展概况

早期的远程数据采集技术是非在线，非实时监测的方式，而现代的远程监测技术是在线实时的方式，借助于计算机、通信技术和互联网，操作员通过安装在现场的各种传感器等设备，远隔千里即能随时了解现场的情况，对现场的情况进行实时监督和判断。

近年来，国内在基于GPRS的远程监控领域进行了大量的理论及应用开发研究，取得了长足的进步，基于GPRS的远程监控技术正逐渐应用于各行各业，遍及国民经济的很多领域。

基于GPRS网络的无线监控系统已广泛用于遥控、遥测、工业数据采集系统、防盗报警、交通运输监控管理等工业领域和智能家庭仪器等民用产品。

其典型应用有：

1、水库大坝、水闸、供水系统的远程监控[5]：

河流、湖泊的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质的变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监控这些状态数据意义重大。

2、对人体有害的环境下的远程监控：

化工厂周围的空气质量的远程监控[6]，噪声严重区域的噪声远程监控和噪声抑制，地震测试点的资料上传，气象监控点的资料上传。

3、煤气、天然气、石油、电力等能源系统设备，网络的远程监控发电机组[7]，变电站，供电所的远程监控。

4、自动化工厂生产过程，机器和设备的远程控制：

在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对之进行远程监控。

关键的机器和设备事关产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监控，越限报警。

5、各种信息查询系统：

交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。

6、车辆状态远程监控：

如车辆位置、时间、运动方向、速度的监控，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监控等[8]。

综上所述，远程监控系统应用的行业众多，随着GPRS网络的进一步完善和发展，基于GPRS的远程监控系统的应用也必将越来越广泛。

1.3GPRS无线通信的特点

1、快速登录：

GPRS无线终端一开机，即已经与GPRS网络建立了连接。

每次登录Internet只需要一个激活的过程，一般仅需要1到3秒钟[9]。

2、永远在线：

通信时，不需要PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork,公共交换电话网络）那样要先拨号以后才能通信。

用户随时都与网络保持着联系，即使没有数据传输时，用户也仍然附着在网上与网络保持着联系。

3、高速传输：

由于GPRS采用了先进的分组交换技术，数据传输的最高理论值可达171.2kb/s，高于GSM-Circuit的瞬时传输速率[10]。

4、覆盖面广：

目前，GPRS网络已基本覆盖了所有GSM（GlobalSystemforMobilecommunications）网络，偏远地区不再是数据传输的盲区[11]。

5、按量计费：

GPRS网络按照用户接收和发送数据包的数量来收取费用。

没有数据流量传输时，用户即使在线，也不收费。

6、可移动性：

用户对系统所有设备有自主权，无需与运营商交涉，可以自由分配[12]。

7、可靠性强：

系统具有纠错、重发机制，从而确保数据的完整性和正确性。

其次，系统具有自动恢复功能，在GPRS网络状态不稳定的情况下，保证系统稳定工作，而无需人工干预。

8、无人职守：

系统具有双向数据传输功能，从而实现远程控制，无人职守。

9、安全性高：

系统在数据传输过程中加入了加密机制，数据可以在公网上安全地传输[13]。

10、灵活方便：

系统依托相应的软件，可以灵活实现点～点、点～多点、中心～多点的对等数据传输。

1.4本文的研究内容

本文主要研究的是基于GPRS的接触网补偿装置在线实时监测系统的通信模块，主要是通信协议的设计。

在发生线索卡滞、补偿装置a、b值超标时准确及时向监控主机的发出报警信息和故障地点，指导设备管理人员进行检查、处理，避免发生断线故障和弓网故障，实现检测终端定时与监控主机进行握手通信，并按监控主机的要求对检测终端进行必要的参数配置。

研究包括：

无线通信方式的选择、系统通信协议的确定、程序源代码的编写与调试、GPRS模块的联机调试。

总体设计思路是将各个下位机监测的信息，通过GPRS无线通信模块传送至上位机，以供上位机处理。

下位机上传的信息包括如下几点：

1、下位机定时发送的接触网补偿装置的当前信息。

2、下位机发送的各种报警信息，包括：

接触网补偿装置高度超限信息、接触网补偿装置卡死信息和接触网补偿装置断线信息。

其中接触网补偿装置断线是严重的故障，下位机必须保障上位机能正确接收到该信息并作出响应。

1.5本文的结构安排

本文内容通过以下四个部分进行论述：

第一章为绪论部分，阐述了接触网监测的历史现状，介绍了课题的来源及研究意义，着重介绍了GPRS远程监控系统的国内外发展概况,并针对本文工作内容做出了具体的规划。

第二章对本设计研究的监测系统进行了总体设计，分别介绍监测系统整体设计思路及系统整体设计方案，详细介绍了GPRS的工作原理，并确定了该系统的GPRS组网方案。

第三章主要介绍该监测系统通信协议的设计，包括：

系统通信过程分析、系统通信的数据格式的设计和数据校验方式的比较与选择。

第四章具体介绍该系统通信的实现过程，利用C语言对该监测系统通信进行编程，对C8051F020串行口配置。

设计完成了数据接收模块、数据发送模块、数据解包模块、数据配置模块和数据查询模块的编程和调试，并通过GPRS模块将下位机与上位机联机调试。

本章最后介绍了在各模块编程和调试过程中出现的问题及解决方法。

第2章系统总体设计

2.1系统设计思路

从硬件物理结构看，该监测系统是一个由三级硬件组成的分布式系统：

第一级是以数据采集为主要功能的数据探测器；第二级是数据处理报警为主要功能的监控单元；第三级是系统的监控主机，它实现对全局的监控[14]。

示意图见图2-1

图2-1分布式系统框图

从系统所实现的功能看，系统可分为监控中心、通信系统和数据采集系统。

监控中心的任务是通过通信系统实时监视和控制远程设备的远行，并为综合管理系统提供实时数据。

通信系统主要完成信息的远距离传输，可采用有线方式传输、无线方式传输及混合信道传输。

数据采集系统可以实现对现场设备的就地控制和数据采集显示，并能方便的与通信系统相连，实现信息的远距离传输。

由分布式系统框图可以看出，第一级与第二级的硬件设备构成了数据采集系统，第三级设备为监控中心，监控中心与数据采集系统之间的实现数据交换的设备是通信系统，这是本设计的主要内容。

2.2系统整体方案

由于接触网补偿装置沿铁路分散，不适合有线数据传输。

综合考虑GPRS通信的特点，最终选择用GPRS通信模块传输数据。

在通过对通用分组业务的理论研究，结合该通信系统的环境，接触网状态在线监测系统整体结构框图设计如图2-2所示[15]。

图2-2系统整体结构框图

检测终端安装在接触网补偿装置的每一个锚段处，通过超声波测距传感器对补偿装置的坠坨对地距离进行测量，将采集到的数据分析并存储，并通过GPRS网络作为数据传输的通道，将正常监测到的数据按照规定要求定时上传到监测中心。

当出现非正常数据时，则立即向监控中心发出报警信号并附带报警信息。

参照C8051f020微处理器的各资源，结合实时该监测系统的要求，该系统选用C8051F020作为检测终端的微处理器。

GPRS通信网络是数据监测中心与检测终端之间的数据传输的桥梁，各自的GPRS数据终端将数据打成IP包，经GPRS模块接入无线GPRS网络，由移动服务商转接到Internet，最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理中心工作站，使检测终端数据能够及时传送到中心的计算机中。

监测中心将从各检测终端发回的数据经整理后存入SQL（StructuredQueryLanguage,结构化查询语言）Server数据库，并可以通过网页浏览方式提供给相关部门及其他用户。

它由主机和上位机软件组成。

一方面监测中心通过GPRS网络与检测终端进行双向通信收发数据，另一方面进行数据库管理和WEB网页浏览服务。

上位机软件为用户提供一个可视化界面，实时监测铁路沿线接触网的运行状态[16]。

2.3GPRS的基本原理

GPRS系统通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元来提供无线系统上的数据业务。

作为承载网络GPRS系统本身采用IP（InternetProtocol）网络结构，并对用户分配独立地址，将用户作为独立的数据用户，从而实现了从网络到移动用户端到端的数据应用[17]。

GPRS系统网络结构如图2-3所示。

图2-3GPRS系统网络结构

（1）PCU（PackageControlUnit,分组控制单元）

PCU是分组数据处理单元，它与BSC（BaseStationController,基站控制器）协同工作，提供无线数据的处理功能，如逻辑链路与物理链路的映射、数据包的拆封、数据包的确认、无线数据信道的分配等。

PCU可作为模块单元插入BSC中，或者作为独立于BSC的单元存在。

PCU与SGSN之间Gb接口采用帧中继协议。

PCU具有Gb接口管理的功能[18]。

（2）SGSN（ServingGPRSSupportNode,GPRS服务支持节点）

SGSN通过Gb接口提供与无线分组控制器PCU的连接，进行移动数据的管理，如用户身份识别、加密、压缩等；通过Gr接口与HLR（HomeLocationRegister，注册地信息注册器）相连，进行用户数据库的访问及接入控制；通过Gn接口与GGSN相连，提供IP数据包到无线单元的传输通路和协议转换等功能。

SGSN还可以提供与MSC（MobileSwitchingCenter）的Gs接口连接，以及与SMSC（ShortMessageServiceCenter，短消息服务中心）的Gd接口连接，用以支持数据业务和电路业务的协同工作和短信收发等。

（3）GGSN（GatewayGPRSSupportNode,网关GPRS支持节点）

GGSN负责GPRS网络与外部数据网的连接，提供GPRS与外部数据网之间的传输通路，进行移动用户与外部数据网之间的数据传送。

GGSN起到路由器的作用，它与其他相关网络单元设备协同时间数据业务的接入和传送等功能。

GGSN与SGSN之间的接口为Gn接口，采用GTP（GPRSTunnellingProtocol,GPRS隧道协议）协议类型；GGSN与外部数据网之间的接口为Gi接口，采用IP协议类型。

对于网络发起的数据单元传送业务，GGSN需要通过Gc接口到HLR查询用户相关信息，对于计费信息的传送工作，GGSN通过Ga接口完成。

2.4GPRS组网方案的选择

GPRS无线数据终端与其他无线数据传输模块的使用不同，它是基于TCP/IP（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol,传输控制协议/因特网互联协议）协议进行数据传输，并且上位机（监测中心）通常是连接在公网Internet上的一台普通计算机，具有动态的或固定的公网IP地址，或者是利用GPRSModem接入GPRS网络或从中国移动中获取的数据专线接入，而具有动态的或固定的移动子网（通常称为“移动梦网”）IP地址[19]。

根据用户的不同需要，及采用的组网技术方案的不同，组网方案就不同。

使用固定IP地址或向中国移动申请数据专线，实现多点对一点的数据传输，如图2-4所示。

数据采集设备与GPRS终端可以通过RS485或RS232相连，GPRS终端自动拨号登陆GPRS网络，获得移动子网IP地址后，主动与接入Internet的上位机建立Socket连接并保持，然后将GPRS终端的ID号及子网IP地址通过TCP/IP协议发送至上位机。

这样上位机（监测中心）在Socket连接保持的情况下，就可以实现与GPRS终端，也就是数据采集设备的通信。

该方案具有组网简单，性能稳定，可靠性高，用户的使用难度低，使用