客貨共用車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)中檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳天柱，秦菊，李甫永，李旭偉

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

客貨共用車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)中檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計

陳天柱，秦菊，李甫永，李旭偉

(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路客車配備電子標簽，實現(xiàn)了客車車輛自動追蹤識別的信息化，使跟蹤監(jiān)測客車車輛運行品質(zhì)成為可能。在既有貨車車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計出客貨共用TPDS即可實現(xiàn)對客車車輛運行品質(zhì)的監(jiān)測，其關(guān)鍵在于對既有TPDS的檢測控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。新的檢測控制系統(tǒng)很好地解決了客車對TPDS的電磁干擾問題，使不同車型丟列比均出現(xiàn)大幅下降，達到了TPDS的優(yōu)化升級目的，為客貨車行車安全提供了技術(shù)保障。

客車車輛 運行品質(zhì) 檢測控制

車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)是車輛運行安全監(jiān)控“5T”系統(tǒng)之一。主要是為監(jiān)測貨車而研發(fā)的安全監(jiān)測系統(tǒng)，在抗電磁干擾和數(shù)據(jù)采集處理能力等方面無法滿足監(jiān)測客車的要求，故在既有TPDS基礎(chǔ)上，設(shè)計出同時滿足客貨車的監(jiān)測控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)TPDS對客車的有效監(jiān)測。

1 TPDS檢測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

TPDS主要由二維板式壓力傳感器、剪力傳感器、多路高速數(shù)據(jù)采集儀、工業(yè)控制計算機和測試軟件組成。將傳感器檢測到的軌道力學(xué)信號按比例轉(zhuǎn)換成電壓信號傳送至數(shù)據(jù)采集儀，數(shù)據(jù)采集儀對信號進行放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出數(shù)字信號到計算機，通過測試軟件完成對監(jiān)測車輛運行品質(zhì)的判別和數(shù)據(jù)處理［1-2］。TPDS檢測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 傳感器

TPDS采用二維板式壓力傳感器和剪力傳感器，兩種傳感器均為應(yīng)變式惠斯登全橋自補償測試電路，壓力、剪力傳感器的輸入輸出阻抗因不同廠家略有不同，均為數(shù)百歐姆，原理如圖2所示。

圖1 TPDS檢測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)采集儀

數(shù)據(jù)采集儀主要功能是對傳感器信號進行調(diào)理放大、濾波、偏移糾正和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸?shù)接嬎銠C。其中信號調(diào)理放大、濾波和偏移糾正由采集儀上電位器和集成電路芯片實現(xiàn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換由采集儀上板載數(shù)字信號處理器件完成，并按EPP并口通訊協(xié)議與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸［3］。數(shù)據(jù)采集儀原理如圖3所示。

圖2 傳感器的原理圖

圖3 數(shù)據(jù)采集儀原理框圖

在鐵路線上，電磁干擾主要來自電氣化鐵路的接觸網(wǎng)以及機車。既有TPDS對貨車監(jiān)測時來自接觸網(wǎng)和機車的電磁干擾源比較確定，容易規(guī)避;當(dāng)對客車進行監(jiān)測時，尤其是動車組每節(jié)車輛都有動力，電磁干擾源比較復(fù)雜，為此要設(shè)計出電磁兼容能力更強的數(shù)據(jù)采集儀。

有無電磁干擾下，TPDS對客車監(jiān)測波形對比如圖4所示?？梢?，電磁干擾對客車監(jiān)測結(jié)果的影響非常顯著，必須予以解決。

基于以上對客車電磁兼容問題的分析，需要對數(shù)據(jù)采集儀的信號調(diào)理模塊、模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號模塊進行優(yōu)化設(shè)計。從隔離干擾源、阻斷傳播路徑和保護接受載體三個角度，分別采用了隔離技術(shù)、濾波技術(shù)、接地技術(shù)。

圖4 有無電磁干擾下TPDS對客車監(jiān)測的波形對比

1)信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊主要工作是對來自傳感器的電壓信號進行放大、濾波和零點糾偏。由于傳感器采用的是直流電壓輸出方式，信號調(diào)理模塊必須采用直流電源供電。器件選擇的關(guān)鍵在于選擇合適的運算放大器。綜合考慮使用條件和維修便利，運算放大器要選擇非貼片式、增益高、信噪比大、工作電壓匹配的型號，確定采用高精度運算放大器AD620和AD712，由它們組成兩級運放單端輸出的結(jié)構(gòu)，并采用有源濾波方式，原理如圖5所示。

圖5 兩級運放單端輸出原理

2)模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號模塊

本模塊對調(diào)理后的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號傳輸給工業(yè)控制計算機。在充分考慮測量精度、抗電磁干擾性能、調(diào)試便捷性和接口通用性的前提下，采用了64通道16位多功能數(shù)據(jù)采集模塊，如圖6所示。該模塊支持32位PCI總線，即插即用，分辨率高達16 bit，精度優(yōu)于0.02%(滿量程)，64路模擬通道輸入，采樣頻率為500 kHz，帶DC/DC隔離電源，抗干擾能力強［4-6］。

由以上模塊組成的客貨共用TPDS數(shù)據(jù)采集儀經(jīng)過實驗室疲勞試驗和現(xiàn)場試用，完全滿足對客貨車的監(jiān)測要求，克服電磁干擾的影響，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性［7］。

為方便維修和提高使用率，該數(shù)據(jù)采集儀采用了模塊化設(shè)計和插卡式，如圖7所示。依據(jù)國家軌道衡器形式評價大綱以及電磁兼容國標對數(shù)據(jù)采集儀進行電磁兼容測試，取得了河北省計量監(jiān)督檢驗院的合格證書［8］。

圖6 多功能數(shù)據(jù)采集模塊

圖7 數(shù)據(jù)采集儀及插槽卡

1.3 隔離電源

為了提高整個系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，防止供電電源對客貨共用TPDS檢測控制系統(tǒng)產(chǎn)生高壓放電或其他原因破壞殃及整個系統(tǒng)，設(shè)計了隔離電源裝置。隔離電源采用1∶1的工頻變壓器與供電電源進行隔離，由于隔離電源沒有地線，即使外部傳感器輸入高壓信號，也會降低整個設(shè)備被燒毀的可能性并提高系統(tǒng)的電磁兼容能力。隔離電源原理及裝置如圖8所示。

圖8 隔離電源原理及裝置

1.4 遠控電源

由于TPDS現(xiàn)場處于無人值守狀態(tài)，當(dāng)需要系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)死機時，需要人工去現(xiàn)場啟動電源。為了解決這個問題，在客貨共用TPDS中設(shè)計了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠程控制電源。遠程控制電源主要由Silicon Labs公司的高度集成混合信號單片機CF8051F236、西門子公司的通信芯片MC37I以及6組繼電器組成，使用匯編語言對CF8051F236進行軟件開發(fā)，最終實現(xiàn)MC37I依據(jù)接收短信內(nèi)容控制CF8051F236對繼電器操作。遠程控制電源裝置如圖9所示［9-10］。

圖9 遠程控制電源裝置

遠程控制電源可以通過MC37I中的SIM卡接收手機短信，依據(jù)短信內(nèi)容來分別控制四路直流和兩路交流電源的關(guān)閉和啟動，并回復(fù)操作結(jié)果短信給手機。

1.5 數(shù)據(jù)采集檢測軟件

數(shù)據(jù)采集檢測軟件由動態(tài)測量、數(shù)據(jù)回放、設(shè)備測試3個功能模塊組成，基于Microsoft Visual C++6.0集成開發(fā)環(huán)境進行設(shè)計。其軟件體系結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 TPDS數(shù)據(jù)采集檢測軟件體系結(jié)構(gòu)

該數(shù)據(jù)采集檢測軟件可實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)采集、數(shù)據(jù)平滑濾波、實時統(tǒng)計分析、信號波形回放、設(shè)備狀態(tài)自檢等諸多功能。該軟件充分發(fā)揮了windows視窗所提供的可交互式操作環(huán)境，集繪圖、按鈕操控、數(shù)據(jù)顯示于一體。數(shù)據(jù)采集檢測軟件中數(shù)據(jù)采集界面如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)采集界面

2 客貨共用TPDS監(jiān)測效果

客貨共用TPDS檢測控制系統(tǒng)研發(fā)成功后，在北京鐵路局廊坊探測點進行了試用。檢測控制系統(tǒng)升級前(2013年7月)和升級后(2014年7月)對不同車型的監(jiān)測情況對比如表1。

表1 檢測控制系統(tǒng)升級前后對不同車型的監(jiān)測情況

將車號系統(tǒng)監(jiān)測列數(shù)與TPDS監(jiān)測列數(shù)的差值與車號系統(tǒng)監(jiān)測列數(shù)的比值定義為丟列比，丟列比越大表明TPDS未監(jiān)測到的列車越多，系統(tǒng)穩(wěn)定性越差。通過對以上數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，可以得出TPDS檢測控制系統(tǒng)升級前后丟列比情況，如圖12所示。

由圖可見，在TPDS檢測控制系統(tǒng)升級后不同車型的丟列比均出現(xiàn)大幅下降，尤其是動車的丟列比由63.27%下降到1.96%，對動車監(jiān)測效果大大提高，貨運列車的丟列比接近于0，實現(xiàn)了對貨運列車的全部監(jiān)測，表明客貨共用TPDS很好地實現(xiàn)了電磁兼容。

圖12 TPDS檢測控制系統(tǒng)升級前后丟列情況對比

由于統(tǒng)計列車數(shù)與實際列車數(shù)存在著因客觀條件和樣本數(shù)量等造成的系統(tǒng)性誤差，因此TPDS檢測控制系統(tǒng)升級后，實際的丟列比應(yīng)略小于統(tǒng)計值。

3 結(jié)論

在既有的TPDS基礎(chǔ)上，成功地設(shè)計出同時滿足客貨車監(jiān)測需要的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了高性能多通道數(shù)據(jù)采集和最新電磁兼容技術(shù)，解決了客車電磁干擾源對系統(tǒng)的擾動問題;同時針對無人值守狀態(tài)下的系統(tǒng)復(fù)位問題，設(shè)計了遠程控制電源。

［1］柴雪松，朱興紅．車輛運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(TPDS)在軌道負荷監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2008(11):93-95．

［2］李家林，羅林．軌道負荷、車輛狀態(tài)安全監(jiān)測新系統(tǒng)［R］．北京:鐵道部科學(xué)研究院，1998．

［3］唐穎，阮文海．高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制電路的設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2004(19):21-23．

［4］王衛(wèi)江，陶然．高速ADC的性能測試［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2004(2):34-37．

［5］陳非凡．儀器設(shè)計技術(shù)基礎(chǔ)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2007．

［6］宗孔德，胡廣書．?dāng)?shù)字信號處理［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1988．

［7］中華人民共和國鐵道部．鐵運函［2007］776號TPDS、TADS、TFDS設(shè)備檢修維護管理規(guī)程［S］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［8］李旭偉，呂大壯，暴學(xué)志．地面安全監(jiān)測系統(tǒng)TPDS傳感器標定的虛擬儀器技術(shù)［J］．鐵道機車車輛，2009(2):19-22．

［9］戴梅萼，史嘉權(quán)．微型計算機技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，1996．

［10］何立民．單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1990．

(責(zé)任審編葛全紅)

U216．3

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．03．32

1003-1995(2015)03-0115-04

2015-01-10;

2015-02-10

陳天柱(1981—)男，遼寧昌圖人，助理研究員，碩士。