一種道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

隋功浩 齊小民 彭軍民

隨著鐵路高速、高密度行車區(qū)段不斷增加，為確保行車安全，對(duì)道岔性能與狀態(tài)穩(wěn)定性要求越來(lái)越高，人工維護(hù)維修負(fù)擔(dān)也越來(lái)越大。為此，特開發(fā)了一種道岔綜合檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)室外道岔設(shè)備實(shí)施工電一體化的綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)道岔狀態(tài)進(jìn)行智能診斷，并進(jìn)行狀態(tài)趨勢(shì)分析預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了道岔設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控，保證了行車安全。

1 道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

道岔綜合檢測(cè)系統(tǒng) （TIMS）主要由室外部分和室內(nèi)控制部分組成，如圖1所示。室外部分包含檢測(cè)傳感器部分和軌旁箱。安裝于軌旁箱內(nèi)的機(jī)匣是道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)處理單元，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、緩存、預(yù)處理、協(xié)議打包，并與室內(nèi)控制部分進(jìn)行通信，現(xiàn)場(chǎng)處理單元由4塊采集板、1塊監(jiān)測(cè)分機(jī)板 （MPU）、電源板和防雷板等組成。

圖1 TIMS系統(tǒng)組成框圖

室內(nèi)控制單元由接口轉(zhuǎn)換部分、中心服務(wù)器組成。通過(guò)光纖或者既有的雙絞線進(jìn)行室外軌旁箱和室內(nèi)通信，室內(nèi)的接口轉(zhuǎn)換部分將通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)線送到中心服務(wù)器。中心服務(wù)器選用高可靠性的工控機(jī)，道岔檢測(cè)系統(tǒng)的用戶界面安裝在服務(wù)器上，采用自動(dòng)觸發(fā)采集或者人工觸發(fā)采集模式，從分布在道岔軌旁的軌旁箱收集傳感器信息，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理和分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行警告、預(yù)警、趨勢(shì)分析等。

檢測(cè)傳感器部分包括位移、振動(dòng)、濕度、溫度等傳感器，以及收集轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口信息的圖像傳感器?？紤]到鐵路現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾比較嚴(yán)重，傳感器優(yōu)先選擇0～20mA的電流型，傳感器信號(hào)通過(guò)差分信號(hào)傳輸，對(duì)干擾有很好的抑制作用。

2 硬件設(shè)計(jì)組成

現(xiàn)場(chǎng)處理單元通過(guò)采集板收集各種傳感器的物理信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)分機(jī)板打包處理，再通過(guò)不同的通信接口送到室內(nèi)主機(jī)記錄分析?，F(xiàn)場(chǎng)處理單元和通信接口是硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2．1 現(xiàn)場(chǎng)處理單元

采集板、監(jiān)測(cè)分機(jī)板 （MPU）、防雷板、電源板插在軌旁箱的現(xiàn)場(chǎng)處理單元內(nèi)，在電氣接口上，不同的板卡通過(guò)插針的形式和PCB背板進(jìn)行可靠的連接。采集板和監(jiān)測(cè)分機(jī)板之間通過(guò)CAN總線進(jìn)行傳輸。

采集板分時(shí)采集多路傳感器的0～20mA模擬信號(hào)，電氣框圖如圖2所示。在采集板上將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò) MCU的A／D轉(zhuǎn)換、MCU微處理器對(duì)數(shù)據(jù)處理分析及協(xié)議打包，最終以CAN總線的方式將傳感器信號(hào)傳輸至MPU板。

圖2 采集板電氣框圖

轉(zhuǎn)轍機(jī)GAP圖像數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)綑C(jī)匣背板，MPU板卡的主要功能是通過(guò)CAN接口處理采集單元的傳感器數(shù)據(jù)和GAP圖像數(shù)據(jù)，如圖3所示，經(jīng)過(guò)微控制器的數(shù)據(jù)處理，打包分析，將現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)以光纖或者雙絞線通信的方式發(fā)送到室內(nèi)車站控制單元。數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行記錄分析，當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，給出報(bào)警信息。

圖3 MPU板電氣框圖

MPU板卡在邏輯上位于采集板卡和室內(nèi)主機(jī)中間，起到中轉(zhuǎn)站的作用，除了完成數(shù)據(jù)處理外，還要完成通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。MPU板卡分別提供以太網(wǎng)電平接口和LonWorks網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)據(jù)傳輸方式靈活，可以通過(guò)更換MPU板卡適應(yīng)不同的通信接口。

2．2 通信接口

由于我國(guó)鐵路光纜網(wǎng)沒(méi)有覆蓋道岔設(shè)備，因此現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)多采用成熟的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線，利用既有信號(hào)電纜，滿足數(shù)據(jù)從專用光纜到信號(hào)電纜的實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)可以提供光纖、DSL、LonWorks 3種高、中、低速通信模式，既可以通過(guò)光纜與區(qū)間道岔數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)通信，也可利用一對(duì)普通信號(hào)電纜實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信，可根據(jù)實(shí)際工程情況選用性價(jià)比最優(yōu)的通信方案。

2．2．1 光纖通信模式

光纖通信支持多模光纖和單模光纖。采用單模光纖作為傳輸介質(zhì)時(shí)傳輸距離可以長(zhǎng)達(dá)幾十千米，通道速率可以達(dá)到100Mb／s。對(duì)于新建車站，可以預(yù)先鋪設(shè)光纜，作為道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)留通道，實(shí)現(xiàn)軌旁箱監(jiān)測(cè)信息的高像素視頻信息的傳送。室內(nèi)采用光纖端口的以太網(wǎng)交換機(jī)，將多個(gè)軌旁箱的信息通過(guò)光纖傳輸?shù)街行姆?wù)器。

2．2．2 DSL通信模式

對(duì)于較大車站，最遠(yuǎn)道岔到達(dá)機(jī)械室的距離要達(dá)到幾千米。以太網(wǎng)傳輸采用網(wǎng)線傳輸時(shí)，由于雙絞線的最大傳輸長(zhǎng)度為100m，滿足不了通信距離的要求。因此，采用一對(duì)DSL設(shè)備進(jìn)行通信距離延伸，如圖4所示，在軌旁箱側(cè)和交換機(jī)旁布置DSL設(shè)備，利用站場(chǎng)內(nèi)預(yù)留的一對(duì)雙絞線，可以達(dá)到 （1Mb／s）／2km的傳輸指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)圖片或普通視頻信息的傳送。

圖4 DSL通信組網(wǎng)圖

圖5 LonWorks通信組網(wǎng)圖

星型結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最廣、實(shí)用性最好的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳輸介質(zhì)是常見(jiàn)的雙絞線和光纖，擔(dān)當(dāng)集中連接的設(shè)備是具有雙絞線RJ45以太網(wǎng)端口，或者各種光纖端口的集線器或交換機(jī)。系統(tǒng)的光纖通信和DSL通信都采用了星型總線。

2．2．3 LonWorks通信模式

一個(gè)鐵路車站的道岔分布比較分散，呈片狀分布，通常難以通過(guò)單一總線連接所有軌旁箱。LonWorks現(xiàn)場(chǎng)總線是由美國(guó)Echelon公司推出的局部操作系統(tǒng)，支持自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且不需要DSL設(shè)備做距離延伸，設(shè)備成本更具有優(yōu)勢(shì)。使用Doubly總線拓?fù)鋾r(shí)，可以達(dá)到 （78kb／s）／2．7km的傳輸指標(biāo)，使用現(xiàn)場(chǎng)雙絞線／電力線時(shí)，傳輸距離有所下降。如圖5所示，上行線和下行線的軌旁箱分別通過(guò)LonWorks總線連接，中間通過(guò)室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)路由器橋接，將LonWorks總線上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)線傳輸?shù)街行姆?wù)器。

3 結(jié)束語(yǔ)

道岔綜合檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)，機(jī)匣可以通過(guò)擴(kuò)展采集板卡靈活擴(kuò)展檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)量，提供了靈活的通信接口，適應(yīng)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況，并且可根據(jù)用戶需求進(jìn)行定制。維護(hù)人員在遠(yuǎn)程端可以全面、實(shí)時(shí)的掌控道岔實(shí)際運(yùn)用狀態(tài)，提前預(yù)警各項(xiàng)參數(shù)變化趨勢(shì)和異常狀態(tài)，克服人工定期巡視無(wú)法實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和趨勢(shì)預(yù)警，提高運(yùn)輸效率，保障行車安全。

［1］ 徐禎 ．鐵路道岔綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究［J］．鄭鐵科技通訊，2010（2）．

［2］ 曹均平 ．高速鐵路道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］．西南交通大學(xué)碩士論文，2007．

［3］ 劉克強(qiáng) ．高速客運(yùn)專線道岔監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究及應(yīng)用［J］．中國(guó)鐵路，2009（4）．

［4］ 張華 ．道岔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］．鐵道通信信號(hào)．2008（11）．