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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050000)

2016年2月22日，石家莊電力機(jī)務(wù)段SS4-510機(jī)車在太原北站一場(chǎng)5道停車，等待換班過程中，由于機(jī)車總風(fēng)缸壓力逐漸下降，受電弓控制風(fēng)壓不足以維持規(guī)定的接觸壓力，造成受電弓持續(xù)拉弧，最終將接觸網(wǎng)燒斷，構(gòu)成一般C類(C14)事故。

近幾年來有許多技術(shù)人員在這方面做了大量研究，張磊[1]在HXD2型機(jī)車回路電壓檢測(cè)方面進(jìn)行了專業(yè)實(shí)驗(yàn)，但功能單一。張俊峰[2]在機(jī)車制動(dòng)檢測(cè)方面也做了大量研究，但大多數(shù)局限于理論，沒有設(shè)計(jì)成完整的一套系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)為防止由于機(jī)車總風(fēng)壓力過低造成的受電弓拉弧燒斷接觸網(wǎng)事故，同時(shí)也為了防止乘務(wù)員抱閘運(yùn)行或停車時(shí)制動(dòng)力不足造成的溜車事故以及蓄電池控制電壓低造成的機(jī)車故障，研制了一套完整的基于以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娏C(jī)車風(fēng)壓電壓[3]監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，以保證機(jī)車運(yùn)行的安全性。

1 系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容

1.1 機(jī)車總風(fēng)壓力

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車總風(fēng)壓力，如果總風(fēng)壓力低于700 kPa，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置將進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員進(jìn)行泵風(fēng)，防止因機(jī)車總風(fēng)壓力低而造成的安全事故。

1.2 受電弓控制風(fēng)壓

當(dāng)升弓信號(hào)存在時(shí)(即受電弓升起時(shí))，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受電弓控制風(fēng)壓。如果受電弓控制風(fēng)壓低于360 kPa，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置將進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員及時(shí)進(jìn)行泵風(fēng)，防止因受電弓控制風(fēng)壓低，持續(xù)拉弧，造成燒斷接觸網(wǎng)的事故。

1.3 監(jiān)測(cè)機(jī)車制動(dòng)缸壓力

低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)車制動(dòng)缸壓力及機(jī)車速度。在機(jī)車速度為零的情況下，如果制動(dòng)缸壓力低于100 kPa，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置將進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員及時(shí)增加制動(dòng)缸壓力，防止發(fā)生溜車事故。在機(jī)車速度不為零的情況下，如果制動(dòng)缸壓力高于20 kPa，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置也將進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員及時(shí)緩解，防止機(jī)車抱閘運(yùn)行，發(fā)生機(jī)車“刷輪”事故。

1.4 監(jiān)測(cè)機(jī)車控制電壓

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SS4機(jī)車A、B節(jié)的蓄電池控制電壓。當(dāng)任何一節(jié)車蓄電池控制電壓低于92 V時(shí)，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置都將進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員蓄電池電壓低，及時(shí)將蓄電池閘刀轉(zhuǎn)到重聯(lián)位，保證機(jī)車安全運(yùn)行，防止發(fā)生由于蓄電池電壓低造成的機(jī)車故障。

1.5 數(shù)據(jù)重放和分析

利用配套的地方分析軟件，能夠?qū)⒀b置所記錄的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重放和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)車存在的前期隱患，為查找機(jī)車故障和分析乘務(wù)員操縱提供參考。

1.6 故障切除功能

當(dāng)電力機(jī)車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置本身發(fā)生故障時(shí)，可以將裝置主機(jī)上的開關(guān)置“OFF”位，切除裝置，維持運(yùn)行，機(jī)車的其它各項(xiàng)功能均不受任何影響。

1.7 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、發(fā)送功能

本設(shè)計(jì)利用SD卡實(shí)時(shí)采集列車運(yùn)行的數(shù)據(jù)，當(dāng)列車返回站內(nèi)時(shí)，單片機(jī)會(huì)和室內(nèi)電腦通過W5200以太網(wǎng)建立聯(lián)系，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。電腦接收數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，操作人員通過Labview軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)判斷司機(jī)操作正確與否，解決機(jī)車潛在的風(fēng)險(xiǎn)問題。

2 風(fēng)壓電壓監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

2.1 系統(tǒng)概述

機(jī)車總風(fēng)壓力、升弓信號(hào)、受電弓控制風(fēng)壓、制動(dòng)缸壓力、機(jī)車速度、蓄電池電壓等信號(hào)經(jīng)過保護(hù)電路的分壓、降壓或放大處理后送給A/D采集電路，進(jìn)入主機(jī)CPU(主控芯片STM32F103VET6)，CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單位變換，計(jì)算分析后一路通過485通訊送給2個(gè)從機(jī)(主控芯片STM32F103VET6)，從機(jī)顯示器中的程序根據(jù)預(yù)定的邏輯對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過設(shè)定門限值時(shí)，由報(bào)警單元進(jìn)行顯示和語音報(bào)警；另一路存入SD卡，通過轉(zhuǎn)儲(chǔ)設(shè)備，將SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)孛婀ぷ髡?，利用Labview的分析軟件[4]可以對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行重放和分析。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 電力機(jī)車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置原理圖

2.2 器件選型

電力機(jī)車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的傳感器單元包括3個(gè)傳感器，分別采集機(jī)車總風(fēng)壓力和A、B節(jié)受電弓控制風(fēng)壓。3個(gè)壓力傳感器均采用深圳市深思維自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SSW-YL01A型壓力變送器，其量程為1 000 kPa，輸出電壓為0～5 V，精度為0.5級(jí)，供電電壓為直流15 V。速度、蓄電池電壓信號(hào)直接從機(jī)車信號(hào)接線端子得到。

2.3 原理圖介紹

2.3.1 壓力傳感信號(hào)采集電路

在圖2的電路中，TBU起限流保護(hù)作用，當(dāng)電流大于200 mA時(shí)，TBU內(nèi)部自動(dòng)斷開，防止因電流過大而燒損采集電路；穩(wěn)壓管TV起限壓作用，此大小是5 V，當(dāng)電壓大于5 V時(shí)，穩(wěn)壓管因反向擊穿而導(dǎo)通，避免因浪涌而導(dǎo)致電氣元件燒壞；穩(wěn)壓管和TBU構(gòu)成了雙層保護(hù)措施，提高了電路的穩(wěn)定性。運(yùn)放OP07C采用的是具有低失調(diào)、高開環(huán)增益特性的貼片式OP07芯片，同相輸入，電阻R63、R62和R65用來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，此電路電壓放大倍數(shù)是2倍，達(dá)到了A/D采集的許可范圍(下面相同電路不再敘述)。

圖2 壓力傳感器信號(hào)處理電路

2.3.2 制動(dòng)缸壓力采集電路

圖3是制動(dòng)缸壓力信號(hào)的采集模塊，輸入的差分信號(hào)經(jīng)過2級(jí)放大，輸出到外部，確保了制動(dòng)缸壓力信號(hào)的采集精度要求。運(yùn)放U30采用全差分隔離放大器AMC1200，它是一款高精度隔離放大器，輸出與輸入電路由二氧化硅隔離層隔開，抗電磁干擾性能極強(qiáng)。該隔離層經(jīng)UL1577與IEC60747-5-2標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，可提供高達(dá)4 250 V的電流隔離。當(dāng)與隔離電源配合使用時(shí)，該器件可防止共模高電壓線路上的噪聲電流進(jìn)入本地接地并干擾或損害敏感電路，它是雙端輸入、雙端輸出器件，輸出的差分信號(hào)再經(jīng)過OP07放大，滿足了A/D采集電壓范圍。

圖3 制動(dòng)缸壓力信號(hào)采集電路

2.3.3 速度采集電路

圖4速度采集電路可檢測(cè)1 Hz以下脈沖信號(hào)，它通過主機(jī)STM32F103VET6進(jìn)行定時(shí)器捕獲、溢出中斷采集的，精度較高。

2.3.4 信號(hào)傳輸電路

電力機(jī)車上的電磁輻射非常強(qiáng)烈，為減少電磁輻射對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，電力機(jī)車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置信號(hào)傳輸采用485通訊方式，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)木?，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。RS485總線是一種常規(guī)的通信總線，它不能夠做總線的自動(dòng)仲裁，也就是不能夠同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)以避免總線競(jìng)爭(zhēng)，所以整個(gè)系統(tǒng)的通信效率必然較低，數(shù)據(jù)冗余量較大，對(duì)于速度要求高的應(yīng)用場(chǎng)所不適合應(yīng)用RS485總線。同時(shí)由于RS485總線上通常只有一臺(tái)主機(jī)，所以這種總線方式是典型的集中—分散型控制系統(tǒng)。一旦主機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的通信陷于癱瘓狀態(tài)，因此做好主機(jī)的在線備份是一個(gè)重要措施。 信號(hào)傳輸采用了隔離485通訊方式，信號(hào)穩(wěn)定性好，能夠滿足機(jī)車設(shè)計(jì)的要求，其原理圖如圖5所示。

圖4 速度采集電路

圖5 信號(hào)傳輸電路

2.3.5 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路

如圖6所示的電路中，1、2、7、8管腳是數(shù)據(jù)傳輸管腳，管腳5是SDIO通訊時(shí)鐘接口，接口3是命令接口。開路輸出型電路提供電流和電壓的能力是有限的，上拉電阻R6、R9、R10、R11的功能主要是為集電極開路輸出型電路輸出電流通道，也具有限流的作用。

2.3.6 網(wǎng)絡(luò)傳輸單元

數(shù)據(jù)通信是通過以太網(wǎng)進(jìn)行的，并采用網(wǎng)絡(luò)控制器W5200實(shí)現(xiàn)通信驅(qū)動(dòng)。在W5200中TCP/IP協(xié)議被硬件化，因此通過初始化配置W5200可完成電腦和單片機(jī)之間的通信。具體如圖7所示。

2.3.7 語音模塊

語音模塊是采用VS1003芯片搭建的外圍電路，主控芯片和VS1003通過SPI通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)互傳，語音數(shù)據(jù)從SD內(nèi)進(jìn)行讀取調(diào)用。

圖6 SD卡數(shù)據(jù)寫入電路

圖7 W5200接口電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 整體界面分析

圖8為Labview數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)[5]分析軟件的整體界面，它分為5部分，包括1個(gè)對(duì)話框和4個(gè)子窗口。程序在左上角有一個(gè)文件使用對(duì)話框，此對(duì)話框?yàn)槲募x擇功能按鈕，通過它來選擇需要分析的數(shù)據(jù)文件，包括兩方面的內(nèi)容，一是目錄，一是文件名。

圖8 系統(tǒng)分析總界面

3.2 數(shù)據(jù)庫文件結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫存放的文件為文本文件，里面的數(shù)據(jù)是一行一行的字符串，字符串以回車符為結(jié)束符。程序執(zhí)行后，打開文件，按行讀取字符串，并對(duì)字符串進(jìn)行分析，判斷字符串長度是否為0，假如字符串長度為0，程序結(jié)束。字符串長度不為0時(shí)，執(zhí)行字符串顯示程序。

字符串由16段構(gòu)成。其中前6段為時(shí)間的年月日時(shí)分秒。時(shí)間數(shù)據(jù)為其它各部分在數(shù)據(jù)波形圖表顯示時(shí)的橫坐標(biāo)。第7、8、9段分別為總風(fēng)壓力，A弓氣壓，B弓氣壓。第10、11段分別為A升弓電壓和B升弓電壓。第12、13、14段分別為A制動(dòng)電壓，B制動(dòng)電壓和車速大小。第15、16段表示蓄電池A、蓄電池B的電壓值。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 波形圖表1中的顯示及其報(bào)警功能說明

圖8(a)中共有3條曲線，線1為總風(fēng)壓力，線2為A弓氣壓，線3為B弓氣壓。

機(jī)車在正常行駛過程中，各種設(shè)備不斷地使用壓縮空氣，使總風(fēng)缸內(nèi)壓力逐漸下降。當(dāng)總風(fēng)缸壓力不足時(shí)，壓縮機(jī)開始工作，向總風(fēng)缸內(nèi)泵風(fēng)，使總風(fēng)缸壓力保持在750～900 kPa之間。圖8(a)線1的波動(dòng)，表示風(fēng)壓下降和補(bǔ)充壓縮空氣的過程，從圖中還可以看出，車上的壓縮空氣控制系統(tǒng)，工作正常，能在風(fēng)壓低于限值的時(shí)候，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)，也能在風(fēng)壓達(dá)到規(guī)定值之后，停止壓縮機(jī)的工作。

線2、線3兩條曲線，分別表示A、B節(jié)受電弓控制風(fēng)壓，當(dāng)受電弓升起時(shí)，風(fēng)壓達(dá)到預(yù)定值，當(dāng)受電弓下降時(shí)，受電弓控制風(fēng)壓變?yōu)榱?。總風(fēng)壓力檢測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，讀取文件中的總風(fēng)壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)總風(fēng)壓力大于700 kPa時(shí)，總風(fēng)壓力正常，繼續(xù)讀取總風(fēng)數(shù)據(jù)，如果總風(fēng)壓力小于700 kPa時(shí)，表示總風(fēng)壓力異常，此時(shí)點(diǎn)亮報(bào)警顯示燈,并且在波形圖表1中顯示壓力異常時(shí)的總風(fēng)壓力數(shù)據(jù)波形。

A升弓壓力檢測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，首先讀取A升弓控制信號(hào)數(shù)據(jù)，判斷是否有A弓升起指令，即與70 V作比較，大于70 V表示有升起指令。假如沒有A弓升起指令，那么繼續(xù)讀取A升弓控制信號(hào)數(shù)據(jù)。假如有A弓升起指令，再分析A弓升弓汽缸氣壓數(shù)據(jù)，A弓氣壓與360 kPa進(jìn)行比較。如果A弓升弓汽缸氣壓大于360 kPa，表示氣壓正常，繼續(xù)讀取A升弓控制信號(hào)數(shù)據(jù)，假如小于360 kPa，則此時(shí)報(bào)警燈亮起，在波形圖表1中顯示此時(shí)的A弓升弓汽缸氣壓數(shù)據(jù)。

B升弓壓力檢測(cè)功能與A弓相同(如上)。

3.3.2 波形圖表2中的顯示及其報(bào)警功能說明

圖8(b)位于前面板右上角，線1、線2分別表示A、B節(jié)升弓控制信號(hào)的電壓大小。在機(jī)車正常運(yùn)行過程中，A、B節(jié)受電弓中的某一個(gè)弓處于升起狀態(tài)，其工作電壓保持在110 V。

升雙弓監(jiān)測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，讀取A升弓和B升弓的數(shù)據(jù)，判斷A弓、B弓是否同時(shí)升起，如果沒有同時(shí)升起，則顯示正常波形。假如A、B弓同時(shí)升起，則報(bào)警顯示燈亮起，圖表2中顯示此時(shí)的A升弓、B升弓數(shù)據(jù)波形。

3.3.3 波形圖表3中的顯示及其報(bào)警功能說明

數(shù)據(jù)分析軟件的圖8(c)表示制動(dòng)和車速的情況。線1是A節(jié)車制動(dòng)缸風(fēng)壓，線2是B節(jié)制動(dòng)缸風(fēng)壓，線3表示車輛行駛速度。在圖8(c)中可以看到，機(jī)車行駛時(shí)，機(jī)車速度不為零，兩個(gè)制動(dòng)缸的風(fēng)壓為零，機(jī)車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸風(fēng)壓很大，表示司機(jī)在列車停車時(shí)，給機(jī)車施加了制動(dòng)，防止出現(xiàn)溜車的情況。曲線較平穩(wěn)區(qū)域?yàn)闄C(jī)車較長時(shí)間停車或行車過程，制動(dòng)缸風(fēng)壓保持不動(dòng)。曲線波動(dòng)較大區(qū)域?yàn)轭l繁制動(dòng)過程，制動(dòng)缸風(fēng)壓不斷起伏。

A、B制動(dòng)監(jiān)測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，首先讀取車速數(shù)據(jù)，如果車速為0，表示車輛停止，則此時(shí)應(yīng)施加制動(dòng)，分析A和B制動(dòng)缸氣壓數(shù)據(jù)，與100 kPa比較，如果大于100 kPa，則此時(shí)正常，繼續(xù)讀取A和B制動(dòng)氣壓數(shù)據(jù)；如果小于100 kPa，表示司機(jī)停車沒有施加制動(dòng)，點(diǎn)亮報(bào)警燈，波形圖表3中顯示此時(shí)的數(shù)據(jù)波形。假使車速不為0，那么此時(shí)車處于行進(jìn)狀態(tài)，不應(yīng)施加制動(dòng)。分析A和B制動(dòng)缸氣壓數(shù)據(jù)，與20 kPa比較，假如小于20 kPa，則此時(shí)正常，繼續(xù)讀取A和B制動(dòng)電壓數(shù)據(jù)。如果大于20 kPa，表示司機(jī)在行車時(shí)未釋放制動(dòng)，點(diǎn)亮報(bào)警燈，波形圖表3中顯示此時(shí)的數(shù)據(jù)波形。

3.3.4 波形圖表4中的顯示及其報(bào)警功能說明

程序前面板右下角的第4個(gè)圖片(圖8(d))顯示機(jī)車A、B節(jié)兩節(jié)車蓄電池組的電壓情況。線1表示A蓄電池，線2表示B蓄電池?？v軸表示電壓值，橫軸表示時(shí)間。由圖8(d)可以看出，機(jī)車正常行駛過程中，蓄電池電壓保持在110 V。

A蓄電池電壓監(jiān)測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，讀取文件中的蓄電池A數(shù)據(jù)，判斷蓄電池A的電壓值是否大于92 V，如果蓄電池B電壓大于92 V，電壓正常，繼續(xù)讀取文件中的蓄電池A數(shù)據(jù)，如果不大于92 V，則程序執(zhí)行報(bào)警部分點(diǎn)亮報(bào)警燈，此時(shí)波形圖表4顯示異常數(shù)據(jù)的波形。

B蓄電池電壓監(jiān)測(cè)功能描述：程序開始執(zhí)行后，讀取文件中的蓄電池B數(shù)據(jù)，判斷蓄電池B的電壓值是否大于92 V，如果蓄電池B電壓大于92 V，電壓正常，繼續(xù)讀取文件中的蓄電池B數(shù)據(jù)，如果不大于92 V，則程序執(zhí)行報(bào)警部分點(diǎn)亮報(bào)警燈，此時(shí)波形圖表4顯示異常數(shù)據(jù)的波形。

4 結(jié)語

低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)：

(1)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)并記錄機(jī)車運(yùn)行中的總風(fēng)缸壓力、受電弓控制風(fēng)壓、制動(dòng)缸壓力以及蓄電池控制電壓，當(dāng)檢測(cè)值低于系統(tǒng)設(shè)定的門限值時(shí)，進(jìn)行顯示和語音報(bào)警，提醒乘務(wù)員進(jìn)行相應(yīng)操作，防止發(fā)生行車事故，保證機(jī)車運(yùn)行安全。

(2)利用配套的地面分析軟件，通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X，能夠?qū)λ涗浀臄?shù)據(jù)進(jìn)行重放和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)車存在的前期隱患，為分析乘務(wù)員操縱和查找機(jī)車故障提供參考。