趙文飛，譚廣忠

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

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計(jì)算機(jī)與應(yīng)用

接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置無線監(jiān)測終端的研究與設(shè)計(jì)

趙文飛，譚廣忠

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州545616）

摘要：在環(huán)境溫度變化時(shí)，棘輪式接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置的a值和b值會隨之發(fā)生變化，將會導(dǎo)致墜砣卡滯或墜地而失去補(bǔ)償功能。設(shè)計(jì)了以DSP芯片為核心的無線監(jiān)測系統(tǒng)，通過超聲波傳感器對b值的變化的監(jiān)測，可以有效的防止張力補(bǔ)償裝置斷線、超限等常見故障。

關(guān)鍵詞：張力補(bǔ)償裝置；無線監(jiān)測；b值

目前，我國的電氣化鐵路的接觸網(wǎng)懸掛方式普遍采用全補(bǔ)償鏈懸掛，為了在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，保證接觸線與機(jī)車受電弓之間穩(wěn)定地接觸受流，因此需要通過張力補(bǔ)償裝置來保證接觸線及承力索張力恒定。但是當(dāng)補(bǔ)償裝置發(fā)生卡滯、丟失墜砣等現(xiàn)象時(shí)就會使線索張力過大或過小時(shí)就會造成斷線或弓網(wǎng)故障，嚴(yán)重影響列車的正常運(yùn)行。本文根據(jù)接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了補(bǔ)償裝置的在線監(jiān)測終端。

1　基本工作原理

如圖1所示為本設(shè)計(jì)的安裝示意圖，在補(bǔ)償裝置的墜砣的正下方裝設(shè)有測距傳感器，用來不間斷地檢測傳感器與墜砣底部之間的距離，即棘輪補(bǔ)償裝置的b（變量斜體）值。當(dāng)墜砣在接觸網(wǎng)張力變化作用下上下移動(dòng)時(shí)，即可以測量b值得變化情況，同時(shí)通過b值的變化可以間接獲取得a值得變化情況。在正常情況下，b值隨著環(huán)境溫度變化呈規(guī)律性的變化，通過定時(shí)采集監(jiān)測點(diǎn)b值數(shù)據(jù)，并與理論計(jì)算值做對比便可以知道補(bǔ)償裝置是否出現(xiàn)卡滯、超限或其他異常情況。在發(fā)生斷線情況時(shí)，可以將測量到的b值數(shù)據(jù)和間接得到的a值數(shù)據(jù)與斷線故障下的極限值進(jìn)行對比，進(jìn)而判斷是否有斷線故障［1］。

圖1　監(jiān)測終端安裝示意圖

2　硬件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用TI公司的TMS320F28335作為硬件設(shè)計(jì)的核心，實(shí)現(xiàn)棘輪補(bǔ)償裝置a、b值等參數(shù)的采集、計(jì)算、判斷并控制協(xié)調(diào)整個(gè)終端系統(tǒng)的正常工作。整個(gè)系統(tǒng)的組成如圖2所示，主要包括測距傳感器、信號處理單元、數(shù)據(jù)采集與處理單元、串口通信模塊、ARM管理模塊和電源模塊。

圖2　總體設(shè)計(jì)方案框圖

2.1測距傳感器

由以上的闡述可知，本監(jiān)測終端主要的信號采集就是完成測距傳感器對接觸線和承力索補(bǔ)償裝置b值得檢測。目前常用的有激光測距傳感器、紅外線測距傳感器和超聲波測距傳感器，綜合開發(fā)應(yīng)用的成本、監(jiān)測效果和系統(tǒng)的性能要求，在此選用超聲波傳感器［2］。

2.2信號處理單元

超聲波傳感器的輸出電壓一般為0～5 V，而TMS320F28335芯片的片內(nèi)12位AD采樣模塊對其管腳的輸入電壓不允許超過3 V，否則會燒壞TMS320F28335芯片。因此，為滿足張力檢測單元與數(shù)據(jù)采集及處理的信號協(xié)調(diào)性，需要對采集到的信號進(jìn)行調(diào)理，設(shè)計(jì)了如圖3中所示的信號調(diào)理電路［3］。

圖3　信號調(diào)理電路

調(diào)理后的信號在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換前，根據(jù)數(shù)據(jù)處理單元的處理能力和存儲的要求，需要對模擬信號進(jìn)行濾波處理，本設(shè)計(jì)采用如圖4所示的四階的低通濾波器。通過信號調(diào)理和低通濾波電路后，可以得到理想的數(shù)據(jù)采集信號，對后面的數(shù)據(jù)采集和處理提供了較好的條件。

圖4　低通濾波電路

2.3數(shù)據(jù)采集與處理單元

在數(shù)據(jù)處理方面，采用了DSP+ARM的雙CPU的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4］。DSP芯片采用目前控制領(lǐng)域廣泛使用的高性能處理器TMS320F28335，該芯片具有精度高、速度快和集成度高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)控領(lǐng)域。此外，TMS320F28335自帶12位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換處理數(shù)據(jù)誤差滿足系統(tǒng)要求。ARM芯片則選用成都英創(chuàng)公司生產(chǎn)的ARM9系列微控制器EM9170［5］.

采集到的補(bǔ)償裝置參數(shù)信號經(jīng)過以上單元的調(diào)理和濾波，調(diào)理為0～3 V范圍內(nèi)的電壓信號后進(jìn)入TMS320F28335數(shù)模轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，而數(shù)據(jù)處理單元對A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析處理，ARM管理模塊接收來自處理單元的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類顯示、存儲、上傳等處理。

2.4數(shù)據(jù)傳輸串口通信模塊

測量到的電壓值經(jīng)DSP的片內(nèi)ADC處理后變?yōu)榱耸M(jìn)制的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過串口通信將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給管理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包加密并儲存到硬盤中保存，最后采用3G無線通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)數(shù)據(jù)庫中，通過編寫的客戶端軟件可以實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)。針對監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元較為分散且數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，選擇RS-485串口進(jìn)行通信。如圖5所示為基于TMS320F28335的RS-485接口電路［5］，其中驅(qū)動(dòng)芯片采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX485，該芯片不僅符合RS-485的串口通信標(biāo)準(zhǔn)，還具有集成度高、低功耗的特點(diǎn)。

圖5　RS-485接口電路

2.5ARM管理和無線傳輸模塊

以ARM核心的管理模塊通過RS-485接收到監(jiān)測數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包保存以完成監(jiān)測終端的數(shù)據(jù)采集，通過給定的通訊協(xié)議上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)，處理完成后的數(shù)據(jù)通過采用通道向數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳。在無線傳輸方面本設(shè)計(jì)擬采用相對成熟，覆蓋面比較廣的3G通訊方式。

2.6電源模塊的設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端的各模塊都需要穩(wěn)定的電源供電才可以正常運(yùn)行，在本設(shè)計(jì)中各部件用到的電壓等級主要有1.5V、5V、-5V、12V，考慮到補(bǔ)償裝置的工作環(huán)境基本上是在野外且不能直接從接觸網(wǎng)上獲取電壓，因此本設(shè)計(jì)采用“太陽能+蓄電池”的模式為系統(tǒng)供電。通過這種電源模式，可以使系統(tǒng)在陽光充足的時(shí)候，產(chǎn)生穩(wěn)定的供電電壓，同時(shí)可以將多余的太陽能轉(zhuǎn)換為電能存儲入蓄電池中，當(dāng)夜晚或者陰雨天氣的時(shí)候，電池管理系統(tǒng)自動(dòng)從蓄電池中提取電能進(jìn)行供電。

3　軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)測終端的工作主要由DSP來完成，通過片內(nèi)ADC對調(diào)理電路上輸出的的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并由DSP對其進(jìn)行濾波、計(jì)算處理和軟件校正，最后將最終的結(jié)果通過串口發(fā)送給管理模塊。因此主要設(shè)計(jì)的程序有檢測終端主程序、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、通信協(xié)議、串口收發(fā)等子程序的設(shè)計(jì)，其中主程序具體流程如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

4　模擬實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)完成后，對該終端的檢測性能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。通過人為上下移動(dòng)墜砣，采集b值數(shù)據(jù)記錄并進(jìn)行狀態(tài)判斷，實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)如圖7所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，本設(shè)計(jì)對補(bǔ)償裝置墜砣位移的監(jiān)測具有較高的精度和準(zhǔn)確度，補(bǔ)償裝置超限、斷線等常見故障的報(bào)警功能也正常。

圖7　b值變化曲線圖

5　結(jié)束語

本文根據(jù)接觸網(wǎng)張力補(bǔ)償裝置的b值在斷線、超限等故障時(shí)的變化特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以超聲波傳感器為檢測元件，以DSP+ARM為數(shù)據(jù)處理和控制元件的張力補(bǔ)償裝置監(jiān)測終端，并對其性能通過模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測試。如果該監(jiān)測裝置能進(jìn)一步開發(fā)完善并通過3G網(wǎng)絡(luò)與高速鐵路SCADA系統(tǒng)建立起通訊途徑，就可以對接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，消除故障隱患，保證行車安全。

參考文獻(xiàn)：

［1］白博淳．高鐵接觸網(wǎng)補(bǔ)償裝置在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］．石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2013．

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［5］王亮．基于DSP+ARM的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］．成都：電子科技大學(xué)，2013．

Research and Design of the Wireless Monitoring Terminal for the Tension Compensation Device of the Contact Network

ZHAO Wen-fei，TAN Guang-zhong
（Liuzhou Railway Vocation Technical College，Liuzhou Guangxi 545616，China）

Abstract：When the environment temperature changes，the a value and the b value of the ratchet type contact net tension compensation device will be changed，this will make the weight of stuck or landing and lost compensation.the wireless monitoring system based on DSP chip is designed，and the monitoring of the change of b value by ultrasonic sensor can effectively prevent the failure of tension compensation device，such as broken line，overrun and so on.

Key words：tension compensating device；wireless monitoring；b value

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0090-03

收稿日期：2015-12-13

作者簡介：趙文飛（1982-），男，甘肅永昌人，本科，助理講師，主要從事電氣化鐵道技術(shù)專業(yè)課程的教學(xué)和研究工作；譚廣忠（1969-），男，廣西來賓人，本科，講師，主要從事鐵道車輛專業(yè)課程的教學(xué)和研究工作。