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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，石家莊電力機務(wù)段SS4-510機車在太原北站一場5道停車，等待換班過程中，由于機車總風(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型機車回路電壓檢測方面進(jìn)行了專業(yè)實驗，但功能單一。張俊峰[2]在機車制動檢測方面也做了大量研究，但大多數(shù)局限于理論，沒有設(shè)計成完整的一套系統(tǒng)。本設(shè)計為防止由于機車總風(fēng)壓力過低造成的受電弓拉弧燒斷接觸網(wǎng)事故，同時也為了防止乘務(wù)員抱閘運行或停車時制動力不足造成的溜車事故以及蓄電池控制電壓低造成的機車故障，研制了一套完整的基于以太網(wǎng)傳輸?shù)碾娏C車風(fēng)壓電壓[3]監(jiān)測報警裝置，以保證機車運行的安全性。

1 系統(tǒng)技術(shù)內(nèi)容

1.1 機車總風(fēng)壓力

實時監(jiān)測機車總風(fēng)壓力，如果總風(fēng)壓力低于700 kPa，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置將進(jìn)行顯示和語音報警，提醒乘務(wù)員進(jìn)行泵風(fēng)，防止因機車總風(fēng)壓力低而造成的安全事故。

1.2 受電弓控制風(fēng)壓

當(dāng)升弓信號存在時(即受電弓升起時)，實時監(jiān)測受電弓控制風(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)測報警裝置將進(jìn)行顯示和語音報警，提醒乘務(wù)員及時進(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)測機車制動缸壓力

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

1.4 監(jiān)測機車控制電壓

實時監(jiān)測SS4機車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，低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置都將進(jìn)行顯示和語音報警，提醒乘務(wù)員蓄電池電壓低，及時將蓄電池閘刀轉(zhuǎn)到重聯(lián)位，保證機車安全運行，防止發(fā)生由于蓄電池電壓低造成的機車故障。

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，及時發(fā)現(xiàn)機車存在的前期隱患，為查找機車故障和分析乘務(wù)員操縱提供參考。

1.6 故障切除功能

當(dāng)電力機車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置本身發(fā)生故障時，可以將裝置主機上的開關(guān)置“OFF”位，切除裝置，維持運行，機車的其它各項功能均不受任何影響。

1.7 數(shù)據(jù)儲存、發(fā)送功能

本設(shè)計利用SD卡實時采集列車運行的數(shù)據(jù)，當(dāng)列車返回站內(nèi)時，單片機會和室內(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軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時判斷司機操作正確與否，解決機車潛在的風(fēng)險問題。

2 風(fēng)壓電壓監(jiān)控系統(tǒng)解決方案

2.1 系統(tǒng)概述

機車總風(fēng)壓力、升弓信號、受電弓控制風(fēng)壓、制動缸壓力、機車速度、蓄電池電壓等信號經(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CPU(主控芯片STM32F103VET6)，CPU對數(shù)據(jù)進(jìn)行單位變換，計算分析后一路通過485通訊送給2個從機(主控芯片STM32F103VET6)，從機顯示器中的程序根據(jù)預(yù)定的邏輯對數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過設(shè)定門限值時，由報警單元進(jìn)行顯示和語音報警；另一路存入SD卡，通過轉(zhuǎn)儲設(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 電力機車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置原理圖

2.2 器件選型

電力機車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置的傳感器單元包括3個傳感器，分別采集機車總風(fēng)壓力和A、B節(jié)受電弓控制風(fēng)壓。3個壓力傳感器均采用深圳市深思維自動化設(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，供電電壓為直流15 V。速度、蓄電池電壓信號直接從機車信號接線端子得到。

2.3 原理圖介紹

2.3.1 壓力傳感信號采集電路

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，TBU內(nèi)部自動斷開，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，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 壓力傳感器信號處理電路

2.3.2 制動缸壓力采集電路

圖3是制動缸壓力信號的采集模塊，輸入的差分信號經(jīng)過2級放大，輸出到外部，確保了制動缸壓力信號的采集精度要求。運放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。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，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，輸出的差分信號再經(jīng)過OP07放大，滿足了A/D采集電壓范圍。

圖3 制動缸壓力信號采集電路

2.3.3 速度采集電路

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

2.3.4 信號傳輸電路

電力機車上的電磁輻射非常強烈，為減少電磁輻射對監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響，電力機車低風(fēng)壓低電壓監(jiān)測報警裝置信號傳輸采用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仲裁，也就是不能夠同時發(fā)送數(shù)據(jù)以避免總線競爭，所以整個系統(tǒng)的通信效率必然較低，數(shù)據(jù)冗余量較大，對于速度要求高的應(yīng)用場所不適合應(yīng)用RS485總線。同時由于RS485總線上通常只有一臺主機，所以這種總線方式是典型的集中—分散型控制系統(tǒng)。一旦主機出現(xiàn)故障，會使整個系統(tǒng)的通信陷于癱瘓狀態(tài)，因此做好主機的在線備份是一個重要措施。 信號傳輸采用了隔離485通訊方式，信號穩(wěn)定性好，能夠滿足機車設(shè)計的要求，其原理圖如圖5所示。

圖4 速度采集電路

圖5 信號傳輸電路

2.3.5 數(shù)據(jù)儲存電路

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實現(xiàn)通信驅(qū)動。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 實驗結(jié)果分析

3.1 整體界面分析

圖8為Labview數(shù)據(jù)監(jiān)測[5]分析軟件的整體界面，它分為5部分，包括1個對話框和4個子窗口。程序在左上角有一個文件使用對話框，此對話框為文件選擇功能按鈕，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，執(zhí)行字符串顯示程序。

字符串由16段構(gòu)成。其中前6段為時間的年月日時分秒。時間數(shù)據(jù)為其它各部分在數(shù)據(jù)波形圖表顯示時的橫坐標(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制動電壓，B制動電壓和車速大小。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，壓縮機開始工作，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，表示風(fēng)壓下降和補充壓縮空氣的過程，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)壓低于限值的時候，啟動空氣壓縮機，也能在風(fēng)壓達(dá)到規(guī)定值之后，停止壓縮機的工作。

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，風(fēng)壓達(dá)到預(yù)定值，當(dāng)受電弓下降時，受電弓控制風(fēng)壓變?yōu)榱?。總風(fēng)壓力檢測功能描述：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，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，表示總風(fēng)壓力異常，此時點亮報警顯示燈,并且在波形圖表1中顯示壓力異常時的總風(fēng)壓力數(shù)據(jù)波形。

A升弓壓力檢測功能描述：程序開始執(zhí)行后，首先讀取A升弓控制信號數(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升弓控制信號數(shù)據(jù)，假如小于360 kPa，則此時報警燈亮起，在波形圖表1中顯示此時的A弓升弓汽缸氣壓數(shù)據(jù)。

B升弓壓力檢測功能與A弓相同(如上)。

3.3.2 波形圖表2中的顯示及其報警功能說明

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

升雙弓監(jiān)測功能描述：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弓是否同時升起，如果沒有同時升起，則顯示正常波形。假如A、B弓同時升起，則報警顯示燈亮起，圖表2中顯示此時的A升弓、B升弓數(shù)據(jù)波形。

3.3.3 波形圖表3中的顯示及其報警功能說明

數(shù)據(jù)分析軟件的圖8(c)表示制動和車速的情況。線1是A節(jié)車制動缸風(fēng)壓，線2是B節(jié)制動缸風(fēng)壓，線3表示車輛行駛速度。在圖8(c)中可以看到，機車行駛時，機車速度不為零，兩個制動缸的風(fēng)壓為零，機車停止運動時，制動缸風(fēng)壓很大，表示司機在列車停車時，給機車施加了制動，防止出現(xiàn)溜車的情況。曲線較平穩(wěn)區(qū)域為機車較長時間停車或行車過程，制動缸風(fēng)壓保持不動。曲線波動較大區(qū)域為頻繁制動過程，制動缸風(fēng)壓不斷起伏。

A、B制動監(jiān)測功能描述：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，則此時應(yīng)施加制動，分析A和B制動缸氣壓數(shù)據(jù)，與100 kPa比較，如果大于100 kPa，則此時正常，繼續(xù)讀取A和B制動氣壓數(shù)據(jù)；如果小于100 kPa，表示司機停車沒有施加制動，點亮報警燈，波形圖表3中顯示此時的數(shù)據(jù)波形。假使車速不為0，那么此時車處于行進(jìn)狀態(tài)，不應(yīng)施加制動。分析A和B制動缸氣壓數(shù)據(jù)，與20 kPa比較，假如小于20 kPa，則此時正常，繼續(xù)讀取A和B制動電壓數(shù)據(jù)。如果大于20 kPa，表示司機在行車時未釋放制動，點亮報警燈，波形圖表3中顯示此時的數(shù)據(jù)波形。

3.3.4 波形圖表4中的顯示及其報警功能說明

程序前面板右下角的第4個圖片(圖8(d))顯示機車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，橫軸表示時間。由圖8(d)可以看出，機車正常行駛過程中，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)行報警部分點亮報警燈，此時波形圖表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)行報警部分點亮報警燈，此時波形圖表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)測報警裝置基本實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)：

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

(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，及時發(fā)現(xiàn)機車存在的前期隱患，為分析乘務(wù)員操縱和查找機車故障提供參考。