呂崇偉，洪際偉，彭毅

（國能鐵路裝備有限責(zé)任公司滄州機(jī)車車輛維修分公司,河北滄州，061113）

1 機(jī)車智能絕緣檢測儀設(shè)計

1.1 繪制絕緣檢測儀整體框圖

在機(jī)車絕緣檢測儀中，必須能實(shí)現(xiàn)電路、電機(jī)、電阻的檢測，傳統(tǒng)的機(jī)車絕緣監(jiān)測儀主要采用手搖發(fā)電機(jī)和磁電式比率表進(jìn)行電流比值檢測，但在機(jī)車絕緣檢測的過程中手搖發(fā)電機(jī)往往會產(chǎn)生過高的交流電壓，導(dǎo)致電流比值不穩(wěn)定，因此為了保證手搖發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，需要設(shè)置專屬的絕緣檢測發(fā)電裝置，保證其能在轉(zhuǎn)速為120r/s的情況下正常輸出，降低測量誤差，增加測量范圍。

因此設(shè)計的智能絕緣檢測檢測儀必須由符合檢測要求的檢測電路組成，在絕緣檢測儀內(nèi)部附加的測量電壓使用的內(nèi)部電源可靠性一定要高，避免機(jī)車進(jìn)行絕緣智能檢測時存在電氣設(shè)備異?，F(xiàn)象，因此設(shè)計的絕緣智能檢測儀框圖必須包括正負(fù)測量主線，設(shè)計的機(jī)車智能絕緣檢測儀供電干線的絕緣電阻數(shù)值必須能保證機(jī)車的正常運(yùn)行，因此在連接時需要保證絕緣檢測儀與電阻的一一對應(yīng)關(guān)系。

在檢測儀內(nèi)部，經(jīng)常會受到電流高壓的影響，可能會出現(xiàn)檢測不準(zhǔn)的問題，因此為了保證檢測效果，需要在設(shè)計的絕緣檢測儀中加入port1物理接口，保證絕緣檢測儀在測量后能實(shí)現(xiàn)高壓檢測和輸出轉(zhuǎn)換。在繪制的絕緣檢測整體框圖內(nèi)部需要設(shè)置三相四線電力系統(tǒng)，保證檢測儀的絕緣檢測功能。

在智能絕緣檢測儀設(shè)計中，最重要的就是保證絕緣監(jiān)測儀的實(shí)時自動化檢測功能，因此為設(shè)計的絕緣檢測儀內(nèi)部添加自動轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)附1000V直流電源，可與500V直流電源交通工作，絕緣檢測儀在測量時可與U、V、W、N、P進(jìn)行組合測量，實(shí)現(xiàn)不同類型的絕緣檢測，在人機(jī)交互界面需要添加信息化功能，保證操作界面的通信功能，設(shè)計的智能絕緣檢測儀可以針對不同類型的機(jī)車進(jìn)行絕緣電阻測量，超過測量量程則會觸發(fā)報警開關(guān)并保存檢測結(jié)果，因此檢測儀必須具備歷史數(shù)據(jù)記錄保存功能，便于歷史數(shù)據(jù)的查詢。智能絕緣檢測儀的數(shù)據(jù)上傳及參數(shù)處理使用RS-232，能保證各種惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集精度。

為了保證絕緣檢測的準(zhǔn)確性，在絕緣檢測過程中，需要實(shí)時控制電流與電壓的作用關(guān)系，因此設(shè)計的絕緣檢測儀必須能靈敏檢測出施加電壓的變化，首先需要研究絕緣檢測儀的電壓變化范圍，如下表1所示。

表1 電壓變化范圍

由表1可知，在連續(xù)15次檢測下，電壓變化的范圍總體波動較小，選取在檢測中的濕度及溫度信息可知，在不同的濕度和溫度下絕緣電阻的檢測數(shù)值會實(shí)時發(fā)生改變，根據(jù)該特性，本方法設(shè)計了絕緣檢測的整體檢測框圖，如下圖1所示。

圖1 絕緣檢測整體框圖

由圖1可知，應(yīng)用該架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計后，機(jī)車能夠采用電子繼電器陣列對多芯連接器端口的絕緣值進(jìn)行自動循環(huán)全排列檢測與測量，解決任意插芯之間絕緣電阻的測量問題。利用該整體框圖，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存與查詢，無線數(shù)據(jù)傳輸，觸摸等功能。

根據(jù)上述設(shè)計的智能絕緣檢測儀的框圖，可以設(shè)計智能絕緣檢測儀的技術(shù)指標(biāo)，首先對檢測技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分類，第一種檢測技術(shù)指標(biāo)是機(jī)車的檢測對象，設(shè)為22B25B/25K25T幾種，第二種則為測量范圍，擬定測量的標(biāo)準(zhǔn)范圍在0.0～60MΩ之間，整個絕緣檢測儀呈背光照明夜景顯示狀態(tài)，外形為T型結(jié)構(gòu)，凈重約0.5kg，使用的環(huán)境濕度小于百分之八十，使用海拔高度小于2000m，最后一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)為智能絕緣檢測儀的充電時間，保證絕緣檢測儀符合技術(shù)指標(biāo)的需求。

可以將設(shè)計的智能絕緣檢測儀看成一個較大的系統(tǒng)，可以將其劃分為電源管理模塊，電路保護(hù)模塊，繼電器測量模塊，電路轉(zhuǎn)換模塊、總線電路模塊、數(shù)字溫濕度傳感模塊以及液晶顯示模塊。

1.2 設(shè)計絕緣檢測儀硬件部分

根據(jù)上述的整體框圖，此時需要設(shè)計絕緣檢測儀的硬件部分，傳統(tǒng)的智能絕緣檢測儀主要使用兆歐表進(jìn)行控制，控制效果較差，不能滿足絕緣檢測儀的檢測需求，因此為了增加檢測的效果，智能絕緣檢測儀的硬件部分選用指定的STM32F103單片機(jī)進(jìn)行控制，STM32F103單片機(jī)加入了精準(zhǔn)控制模塊和直流控制高壓電源，可以在保證數(shù)字信號高效處理的情況下進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，在數(shù)字顯示和功能方面，STM32F103單片機(jī)也進(jìn)行了重新設(shè)計，從而保證絕緣檢測儀的檢測精度，STM32F103單片機(jī)的引腳功能示意圖如下圖2所示。

圖2 STM32F103單片機(jī)引腳功能示意圖

由圖2可知，STM32F103單片機(jī)的控制性能較好，能實(shí)現(xiàn)較高效率的資源分配，在進(jìn)行絕緣檢測時能增加絕緣檢測的效率，提高絕緣檢測的速度，除此之外，STM32F103單片機(jī)的執(zhí)行速度和抗干擾能力也較高，可以避免外界環(huán)境因素對其運(yùn)行造成的影響。組裝好硬件后需要測試對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的理論電壓值，如下（1）所示。

公式（1）中，VBn代表對應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓，VD代表給定的電源電壓，n代表節(jié)點(diǎn)的線號，R代表電阻值，N代表導(dǎo)線數(shù)量，測試的理論電壓值符合絕緣檢測需求即可進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計。以鎳氫電池為電源，使用STM32F103單片機(jī)作為控制器，進(jìn)行電路擴(kuò)展可以形成雙積分大規(guī)模集成電路，為了避免外界的檢測溫濕度對機(jī)車絕緣智能檢測儀的影響在檢測儀內(nèi)部設(shè)置了數(shù)字濕溫度芯片，保證該絕緣檢測儀的控制功能。

絕緣智能檢測儀為了避免出現(xiàn)產(chǎn)品計算偏差，設(shè)置了看門狗來降低外界磁場干擾，避免程序運(yùn)行循環(huán)，降低系統(tǒng)的重置風(fēng)險，該看門狗使用一個特定的接口與STM32F103單片機(jī)進(jìn)行連接，避免程序進(jìn)入死循環(huán)后的信號誤差問題，執(zhí)行正確的復(fù)位程序。

在機(jī)車絕緣檢測過程中，電氣設(shè)備及配線的檢測對整體絕緣檢測的結(jié)果有著重要影響，因此還需要設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器來避免絕緣檢測中由于配線和電氣設(shè)備造成的絕緣檢測誤差，設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部含有幾個特殊接口，與絕緣檢測儀的檢測線路呈一一對應(yīng)關(guān)系，也可以通過檢測和物理連接完成組合，該轉(zhuǎn)換器與上述設(shè)計的STM32F103單片機(jī)相連，能產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓，使用設(shè)計的算法實(shí)現(xiàn)高壓檢測和A/D轉(zhuǎn)換，但在A/D轉(zhuǎn)換時需要注重與STM32F103單片機(jī)的連接接口，一定要保證兩者的接口方向一致，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效轉(zhuǎn)換。

1.3 設(shè)計絕緣檢測儀功能模塊

設(shè)計的絕緣檢測儀含有眾多功能模塊，以Leil為主要開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，首先是系統(tǒng)設(shè)置模塊，在該模塊可以設(shè)置絕緣檢測儀內(nèi)部系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)后方可運(yùn)行，其次是歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，該模塊可以查詢到曾經(jīng)向絕緣檢測儀輸入或者輸出的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取和調(diào)用，第三是測量絕緣數(shù)值模塊，是整個絕緣檢測儀的核心模塊，可以根據(jù)繼電器的組合情況實(shí)現(xiàn)測量，并自動報警，最后是串口通信模塊，在上位機(jī)工作的過程中，經(jīng)常需要與其他模塊進(jìn)行交互，因此為了實(shí)現(xiàn)各個模塊與上位機(jī)之間的通信，設(shè)計了串口通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存，查詢、分析等功能。

接下來對液晶顯示部分進(jìn)行設(shè)計，需要保證液晶的讀寫時序與執(zhí)行的內(nèi)容一一對應(yīng)，因此設(shè)計的智能絕緣檢測儀添加了8位并行接口，保證其可以在高速的檢測工作下實(shí)時傳輸檢測數(shù)據(jù)，各個接口的運(yùn)行狀態(tài)需要預(yù)先進(jìn)行設(shè)定，根據(jù)檢測次數(shù)，測試接口的對接情況，其中Positive docking代表正位對接，Multi interface docking代表多接口對接，這八位接口的對接狀況如下表2所示。

表2 接口對接情況

根據(jù)表2的對接情況，可以設(shè)置絕緣檢測儀的主界面菜單，該菜單具有選擇性，因此可以按照需求確定菜單的執(zhí)行功能，除了上述設(shè)計外，還需要設(shè)置液晶顯示部分的參數(shù)，保證其能滿足機(jī)車的檢測需求。

為了增加智能絕緣檢測儀的抗干擾功能，在設(shè)計的智能絕緣檢測儀內(nèi)部安裝了抗干擾裝置，增加絕緣檢測儀的檢測效果，除此之外，在絕緣檢測儀內(nèi)部使用雙積分A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)抗干擾，選取恰當(dāng)?shù)臅r鐘頻率，利用雙支路采樣網(wǎng)絡(luò)降低電源電壓波動對測量結(jié)果產(chǎn)生的影響，設(shè)置正確的高壓電源模塊，保證電路與其他模塊之間的距離。設(shè)計的智能絕緣檢測儀使用特定的開關(guān)量輸入檢測模塊，降低電路功率器件之間的電源沖擊，保持整個絕緣檢測儀的可靠性。除此之外，使用數(shù)字濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，多次采樣后剔除最大最小樹枝，降低脈沖干擾誤差。

鍵盤錄入部分首先需要確定按鍵值，其次進(jìn)行掃描，錄入按鍵值需要與絕緣檢測的參數(shù)相對應(yīng)，在檢測過程中，包含的參數(shù)值選項(xiàng)眾多，例如絕緣檢測耗時、地面濕滑狀態(tài)、電極狀態(tài)、絕緣系數(shù)等，這些錄入值必須與標(biāo)準(zhǔn)檢測參數(shù)相匹配才能進(jìn)一步進(jìn)行檢查，此時的參數(shù)匯總值如下表3所示。

表3 參數(shù)匯總值

根據(jù)上述的參數(shù)匯總值，可以由CPU檢查機(jī)車的列線的狀態(tài)，確定機(jī)車列線的組合。菜單模塊是整個機(jī)車智能絕緣檢測儀最關(guān)鍵的模塊，絕緣檢測儀的所有功能都是通過該模塊實(shí)現(xiàn)的，菜單模塊的性能也決定了整個絕緣檢測儀的操作性能，因此首先需要設(shè)計菜單的索引，規(guī)劃不同的索引號，其次設(shè)計菜單的流程，實(shí)現(xiàn)菜單的完整設(shè)計。數(shù)據(jù)采集模塊依賴上述的單片機(jī)，完成AD模數(shù)轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)處理中，需要注意絕緣電阻值的變化，及時調(diào)整絕緣檢測儀的檢測距離，實(shí)現(xiàn)高效檢測。

2 應(yīng)用分析

為了檢測設(shè)計的機(jī)車智能絕緣檢測儀的檢測效果，將其與傳統(tǒng)的絕緣檢測儀進(jìn)行對比，分析了兩種檢測儀的檢測耗時，如下。

2.1 應(yīng)用準(zhǔn)備

為了保證絕緣檢測儀的性能檢測效果，首先對絕緣檢測儀自身進(jìn)行了初步測試，在200V的條件下進(jìn)行單元檢測，檢測結(jié)果證明該絕緣檢測儀符合后續(xù)的測試需求，其次加大電壓，進(jìn)行500V單元檢測，檢測結(jié)果證明，該絕緣檢測儀依然符合后續(xù)的測試需求，其次進(jìn)行單元對地測試和組隊(duì)組測試，檢測結(jié)果也符合后續(xù)的測試需求，此時檢測儀的功能界面如下圖3所示。

由圖3可知此時的功能界面簡潔，各項(xiàng)指標(biāo)對接完整，通過了上述的初始檢測，即可進(jìn)行后續(xù)的性能檢測。為了保證檢測效果，測試平臺選取256MB儲存器作為檢測數(shù)據(jù)的儲存中心，添加了時間檢測模塊，可以實(shí)現(xiàn)檢測儀性能的測試。

圖3 檢測儀功能界面

在檢測過程中，首先利用單片機(jī)充當(dāng)控制器，使用鍵盤進(jìn)行操作，進(jìn)行驗(yàn)證后調(diào)整列車的絕緣檢測類型，進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字信號，計算數(shù)據(jù)之間的差異，輸出檢測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)絕緣檢測儀性能檢測。

2.2 應(yīng)用結(jié)果與討論

分別使用本文設(shè)計的智能絕緣檢測儀和傳統(tǒng)的絕緣檢測儀進(jìn)行絕緣檢測，記錄兩種方法在15次檢測中的檢測耗時，應(yīng)用結(jié)果如下表4所示。

表4 應(yīng)用結(jié)果

由表4可知，設(shè)計的絕緣檢測儀在連續(xù)15次的絕緣檢測中均耗時較短，證明設(shè)計的絕緣檢測儀的性能良好，有一定的應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

設(shè)計機(jī)車智能絕緣檢測儀對維持機(jī)車安全運(yùn)行，保證機(jī)車乘客的安全有重要意義，因此，本文設(shè)計了機(jī)車智能化絕緣檢測儀，選取了符合檢測需求的檢測硬件，進(jìn)行了應(yīng)用分析，結(jié)果表明設(shè)計的機(jī)車智能絕緣檢測儀的檢測耗時較短，證明設(shè)計的絕緣智能檢測儀檢測效果較好，有一定的應(yīng)用價值，可以作為后續(xù)機(jī)車智能檢測的參考。