铁路信号设备防雷集中监测系统的研究与设计

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3.0 高德中 2024-11-19 8 4 3.35MB 90 页 15积分
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摘要
在自然灾害中，雷电引起的灾害是世界上十大自然灾害之一[1]。随着经济社会
和科学技术的发展，雷电灾害造成的经济损失和危害程度越来越严重，全世界每
年因雷击造成的经济损失达 10 亿美元以上。
铁路运输作为我国主要的长途交通工具，保证其安全运营的意义尤为重要，
随着铁路防雷工作的开展，对防雷模块的安全性能需要实时检测。防雷模块一旦
失效，防雷工程如同虚设，后果不堪设想。对于铁路系统来说，信号设备规模较
大，防雷模块数目众多，当有防雷器损坏时，只能单个指示自身好坏，且需要工
作人员在现场仔细检查才能发现，排查故障困难繁琐，更重要的是反映不及时。
因此只靠防雷器本身的自我监测不能满足目前铁路安全运行的需要。为解决上述
问题，设计出一种车站信号设备防雷集中监测系统，集中式监控系统设计具有实
时触发、实时采集、集中监测、远程管理等核心功能，改变了原先防雷器工作状
态不能快速反馈的现状，具备了一定的先进性。
随着 Internet 技术的普及，信息共享的程度越来越高，将避雷监测的相关信息
传递送到 Internet 上，实现远程监测具有重要意义，本文基于 TCP/IP 协议的嵌入
式防雷远程监测系统，使用 STM32 单片机作为核心控制器，设计了网络接口等硬
件模块及软件。
由于需要进行 TCP/IP 通信，在 STM32 内嵌入 RT_Thread 操作系统，该操作
系统为多任务抢占式实时操作系统，并且内嵌 LwIP TCP/IP 协议栈，集成一个供调
试用的 Shell。
本文研究的主要内容有：简要说明雷电的形成及监测意义；其次简要介绍信
号设备防雷集中监测系统的组成、TCP/IP 协议和 RT-Thread 操作系统；再次介绍
了系统的硬件和软件设计，并对设计的硬件电路进行测试和验证。结果表明，系
统实现了实时触发、实时采集、集中监测、远程管理的核心功能，同时也对测试
中遇到的问题进行了分析和处理。
关键字：防雷 集中监测 实时采集 远程监测
Abstract
Lightning is nature’s most spectacular and one of the important atmospheric
phenomena, the disasters caused by lightning in natural are one of the world’s top ten
natural disasters. With the development of economic, social, scientific and technology,
economic losses caused by lightning becomes more and more serious, Every year the
economic losses caused by lightning is more than 10 billion U.S. dollars.
Railway transportation is one of our country’s major long distance transport,
ensure the safe operation of railway has important significance, along with the work
development of railway lightning protection, the safety performance of lightning
protection module requires real-time detection. Lightning protection module once spent,
lightning protection engineering would become a dummy, consequence is unimaginable.
For railway system, the scale of signal equipment is large, when a lighting arrester is
damaged, it can only indicate itself good or bad, it also need work staff on the spot to
check whether the arrester is work or not, Troubleshooting is difficult and trival,
response is not timely, therefore only by arrester-self monitoring already cannot satisfy
the needs of present. To solve this problem, we designed a new signal equipment
lighting protection centralized monitoring system, It‘s core functions contains real-time
trigger, real-time data acquisition, real-time monitoring, remote management etc. The
new system has a certain advanced that it can real-time feedback the working condition
of the arrester.
With the popularity of Internet technology, the extent of information sharing is
getting higher and higher, transmitted the test information to the Internet, It is of great
significant to realize the remote monitoring, for this purpose, this paper studies based on
TCP/IP protocol embedded lightning protection remote monitoring system, use STM32
microcontroller as the core controller, design the network interface and other hardware
module and software, design the remote monitoring application.
Due to the need for TCP/IP communication, the STM32 embedded RT-Thread
operating system, the operating system is preemptive multitasking real-time operating
system, and embedded LwIP/IP protocol stack, integrated a Shell for debugging.
The main contents of this paper are: briefly explain the formation of lightning and
the significance of lightning monitoring, Secondly, this paper briefly introduces the
composition of signal equipment of ligntning protection and monitoring system, briefly
introduced the TCP/IP protocol and RT-Thread operating system; Again introduced the
hardware and software design of the system, also test and verify the design of hardware
circuit. Results show that the system realized the core functions for real-time trigger,
real-time data acquisition, real-time monitoring, remote management, meanwhile
analysed and processed the problems that encountered in the test process.
Key word：Lightning protection, Centralized monitoring, Real time
acquisition, Remote Monitoring
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论...........................................................................................................1
§1.1 学术背景及选题意义............................................................................1
§1.2 课题来源及研究内容............................................................................2
§1.3 章节安排................................................................................................2
第二章 雷电的形成及监测意义 .......................................................................... 3
§2.1 雷电的形成概述....................................................................................3
§2.2 雷击的三种形式和监测意义..................................................................3
第三章 信号设备防雷集中监测系统.....................................................................5
§3.1 系统概述................................................................................................5
§3.2 系统功能及硬件平台构建....................................................................5
§3.3 系统主要设备实现..................................................................................7
§3.3.1 系统采集器.................................................................................7
§3.3.2 FXFL-1 型防雷分线柜 .............................................................. 8
第四章 TCP/IP 协议与 RT-Thread 操作系统简介.............................................. 10
§4.1 基于 TCP/IP 协议的远程通信..............................................................10
§4.1.1 通信协议的选择.........................................................................10
§4.1.2 TCP/IP 协议简介 .........................................................................10
§4.1.3 TCP/IP 协议的封装 .....................................................................12
§4.1.4 TCP/IP 协议的优点 .....................................................................13
§4.2 RT-Thread 实时操作系统简介 .............................................................. 13
§4.3 RT-Thread 协议栈 LwIP .........................................................................15
§4.4 RT-Thread/STM32 移植说明.............................................................. 15
第五章 系统硬件电路设计...................................................................................17
§5.1 采集器硬件电路总体架构..................................................................17
§5.2 采集器各主要硬件电路设计................................................................18
§5.2.1 采集器 MCU 最小系统 ........................................................... 18
§5.2.2 避雷器信号输入接口与光耦隔离电路...................................20
§5.2.3 并转串电路...............................................................................23
§5.2.4 以太网接口电路.........................................................................24
§5.2.5 RS232 接口电路 ..........................................................................26
§5.2.6 地阻检测接口电路.....................................................................27
§5.2.7 电源电路.....................................................................................30
第六章 系统软件设计...........................................................................................33
§6.1 系统软件需求分析..............................................................................33
§6.1.1 软件功能概述.............................................................................33
§6.1.2 软件具体需求.............................................................................34
§6.2 监测系统软件整体架构......................................................................38
§6.2.1 基本设计概念和处理流程.........................................................38
§6.2.2 系统架构.....................................................................................39
§6.3 各指令流程..........................................................................................41
§6.3.1 系统初始化.................................................................................41
§6.4 通信链路的维持....................................................................................43
§6.4.1 采集器与中心服务器通信链路的维持.....................................43
§6.4.2 客户端与中心服务器通信链路的维持.....................................46
§6.4.3 故障信息的处理流程及编码.....................................................47
§6.4.4 时间同步指令流程及编码.........................................................50
§6.4.5 重启指令流程及编码.................................................................52
§6.4.6 关机指令流程及编码.................................................................54
§6.4.7 复位指令流程及编码.................................................................56
§6.4.8 报警消音指令流程及编码.........................................................57
§6.4.9 开启地阻采集功能流程及编码.................................................59
§6.4.10 关闭地阻采集功能指令流程及编码.......................................61
§6.4.11 设置地阻采集频率指令及编码...............................................63
§6.4.12 查询地阻采集频率指令...........................................................65
第七章 系统调试及功能验证...............................................................................68
§7.1 调试流程..............................................................................................68
§7.1.1 触摸显示屏开发环境的搭建......................................................68
§7.1.2 下位机软件开发环境及系统软件说明......................................69
§7.1.3 服务器和客户端软件调试..........................................................71
§7.2 硬件电路调试......................................................................................79
第八章 总结与展望.............................................................................................81
参考文献.................................................................................................................83
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.....................................85
一 论文.......................................................................................................85
二 承担项目...................................................................................................85
致谢.........................................................................................................................86
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 学术背景及选题意义
嵌入式 Internet 监测技术的发展历史不长，但发展速度却很快，国内外已经出
现很多种实现方法。目前，嵌入式 Internet 监测技术已经出现在各种家电领域，嵌
入式 Internet 技术在 UPS 及变频器这样的工业设备中也得到了大量的应用[2]。美国
的APTRONIX 公司提出一种嵌入式 Internet 的解决方案，利用嵌入式技术和 Java，
通过 Run-time codegenerator 生成 JavaApplets，嵌入或下载到 MCU 中，从而实现
对现场设备的控制。
铁路运输是当前我国长距离客货运输的主要方式，铁路信号设备的正常工作
关系到列车正常有序的运行[3]。我国电气化铁道分布广阔，动车和高铁近几年发展
也很迅速，铁路沿途地区的气象条件差异很大，而且一些信号设备与牵引网裸露
在自然环境中，易受到自然环境特别是雷电的影响，因此对铁路信号设备的实时
监测越来越重要，电气化铁路受雷击损害的特征主要表现在三个方面，一是支撑
接触网设备的水泥杆支柱大面积损坏，安装在支柱上的接触网受力金具由于雷击
而烧蚀严重；二是线路由于雷击频繁跳闸，对牵引供电的供电质量、可靠性和设
备安全产生严重影响；三是影响正常传输的铁路信号和信号设备的安全等。
为最大限度降低雷击造成的各种损失，国内外专家都在悉心研究新的防雷技
术和新的防雷设备。现代雷电监测定位系统起源于美国人 Krider.E.P 等人成功地对
原双阴极示波器闪电探测仪的改进，并由此设计出磁方向闪电定位系统，起初应
用航天发射。80 年代中后期国外在雷电监测方面的技术发展迅速，比如用于时差
法定位时间同步的全球定位系统；用于闪电回击波形数字分析的 DSP 技术，用于
中心站点和探测仪之间的高速数据传输的卫星通信……也有人直接利用闪电定位
资料制作雷电临近预报，例如日本的副岛毅和奥山和彦在 1998 年利用法国
Dimensions 公司的 SAFIR 雷电监测系统，采用云闪发生时间比地闪发生时间的超
前性进行雷击预报，美国 E.F.Australasia 公司成功研制 System3000 动力球形避雷
针和 E.E.放射性避雷针系统；美国 LEA 公司设计出多短针型消雷器，法国和意大
利等国在避雷针上应用放射性元素来扩大其保护范围；国内电气化电路发展历史
不长，铁路系统的防雷避雷器逐步由管型和阀形避雷器向氧化锌避雷器转变，但
是系统的防雷措施仍待进一步加强。随着我国铁路电气化的普及率不断提高和动
铁路信号设备防雷集中监测系统的研究与设计
2
车高铁技术的迅速发展，对铁路供电线路和信号设备的安全的要求也不断提高，
使用先进的技术设备和较低的成本确保铁路运输的安全，是铁路运营企业一致追
求的目标。
对避雷器及设备的运行状况进行实时远程化、网络化在线监测，是提高铁路
运行安全的有效手段之一，在现场采集了数据后，就能为工作人员对每个设备的
运行情况和发生故障的设备状况进行综合分析提供可靠的依据，保证了快速准确
地判断事故或设备的运行状况，进行及时有效地恢复处理。
§1.2 课题来源及研究内容
本课题来自中国铁路通信信号上海工程集团有限公司的一个研发项目。该课
题的主要研究内容有：基于 STM32 MCU 的信号采集器的硬件设计；基于 TCP/IP
的以太网通信与软件设计。本人在该课题中主要负责信号采集器的硬件设计和测
试。
§1.3 章节安排
本文主要研究了铁路信号设备防雷集中监测系统的硬件构架以及软件和服务
器的设计与实现。按照论述的内容，本文第一章为绪论，主要介绍论文的选题背
景和国内外现状。第二章简要介绍了雷电的形成及监测意义；第三章主要介绍监
测系统的架构和设计流程，从硬件和软件两方面概述了铁路信号设备防雷集中监
测系统总体技术方案；第四章简要介绍了 TCP/IP 协议和 RT-Thread 实时操作系统；
第五章讲解了铁路信号设备防雷集中监测系统的硬件电路各部分的具体设计。第
六章主要是系统软件设计和通信报文的编码；第七章是系统调试。第八章是总结
和展望；最后是致谢、参考文献及附录。
第二章 雷电的形成及监测意义
3
第二章 雷电的形成及监测意义
§2.1 雷电的形成概述
雷电的产生与带电的云层是分不开的，并非所有的云都形成闪电，只有少量
特定的云才有闪电和雷电，在气象学中，将云分成高（卷云、卷积云和卷层云）、
中（高层云、高积云）、低云（层云、层积云、雨层云、积云和积雨云），以上的
各类云都能带电，但是能形成闪电的是积雨云，因为它能带来强烈的灾害性天气
闪电、雷暴、大风和暴雨，故也称雷暴云。雷暴是发展旺盛的强对流现象，是伴
有电闪雷鸣和强风骤雨的积雨云系统的统称，在地面观测中，是以是否出现闪电
进行判别是否是雷暴云，一旦出现闪电就认定是雷暴云，否则就不是。我国地域
辽阔，雷暴分布十分复杂，初雷平均出现的时间，华南是 2月，长江流域是 3月，
华北和东北是 4月，西北是 5月，6、7、8月全国都有雷暴出现，10 月之后仅长
江南部有雷暴。不同地区雷电活动的频繁程度用雷电日或雷电小时表示，雷电日
是该地区 1年中有雷电的天数。我国各地各地平均雷电日数，北回归线以南，雷
电日一般大于 80,北回归线至长江以南大部分地区一般在 40 到80 之间，长江以北
的华北东北地区，一般在 20 至40 之间，西北地区多在 20 以下，为区分雷电活动
的频度和雷害的严重程度，《电力设备过电压保护设计技术规程》把年平均雷电日
超过 90 的地区叫强雷区，大于 40 的叫多雷区，小于 15 的叫少雷区，以便因地制
宜地进行防雷设计[4]。
§2.2 雷击的三种形式和监测意义
雷击通常有三种形式：
1、直击雷：所谓直击雷是指雷电直接击在建筑物构架或动植物上，因电效应、
机械效应和热效应等造成人员伤亡及建筑物等损坏，是带电的云层与大地上某一
点发生迅猛的放电现象。防直击雷一般是通过安装避雷装置——接闪器引下线构
成完整的电气通路将雷电流泄入大地，这只能保护建筑本身免受直击雷的损坏，
直击雷还可以通过电磁场等物理效应对电力、电子及通讯设备造成破坏和影响。
2、感应雷：所谓感应雷是由于带电云层的静电感应而使地面某一范围带上异
种电荷产生的。发生感应雷的几率比直击雷大得多，直击雷在云对地闪击时才会
对地面造成灾害，而感应雷则不论云地闪还是云云闪电，都可能造成灾害。直击
摘要：

摘要在自然灾害中，雷电引起的灾害是世界上十大自然灾害之一[1]。随着经济社会和科学技术的发展，雷电灾害造成的经济损失和危害程度越来越严重，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上。铁路运输作为我国主要的长途交通工具，保证其安全运营的意义尤为重要，随着铁路防雷工作的开展，对防雷模块的安全性能需要实时检测。防雷模块一旦失效，防雷工程如同虚设，后果不堪设想。对于铁路系统来说，信号设备规模较大，防雷模块数目众多，当有防雷器损坏时，只能单个指示自身好坏，且需要工作人员在现场仔细检查才能发现，排查故障困难繁琐，更重要的是反映不及时。因此只靠防雷器本身的自我监测不能满足目前铁路安全运行的需要。为解决上...

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