THDS模擬列車(chē)綜合檢測(cè)設(shè)備研究

李國(guó)直，李建國(guó)

（1. 北京鐵路局 北京科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100036；2. 北京鐵路局 豐臺(tái)車(chē)輛段，北京 100071）

THDS模擬列車(chē)綜合檢測(cè)設(shè)備研究

李國(guó)直1，李建國(guó)2

（1. 北京鐵路局 北京科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100036；2. 北京鐵路局 豐臺(tái)車(chē)輛段，北京 100071）

THDS模擬列車(chē)綜合檢測(cè)設(shè)備是針對(duì)THDS存在的維護(hù)維修管理問(wèn)題而研制。通過(guò)THDS模擬列車(chē)綜合檢測(cè)設(shè)備發(fā)出仿真模擬列車(chē)信號(hào)，能夠檢測(cè)THDS的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)THDS的動(dòng)態(tài)檢測(cè)及模擬標(biāo)定。采用閉環(huán)控制技術(shù)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)THDS各部位的故障診斷，在日常維護(hù)保養(yǎng)和定期維護(hù)管理中對(duì)系統(tǒng)性能和工況進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)軸溫探頭進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)、標(biāo)定。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在天窗時(shí)間段內(nèi)或沒(méi)有外接電源的情況下正常工作，對(duì)完善THDS，提高THDS防燃、防切軸能力，保證鐵路運(yùn)輸安全具有深遠(yuǎn)意義。

THDS；綜合檢測(cè)；仿真模式；列車(chē)信號(hào)；動(dòng)態(tài)標(biāo)定

鐵路車(chē)輛部門(mén)維修維護(hù)管理規(guī)程明確規(guī)定，維護(hù)車(chē)輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS，也稱(chēng)紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)）的工作只能在天窗點(diǎn)進(jìn)行，THDS的維護(hù)包括：臨修、周檢、半月檢，以及故障搶修、配合其他部門(mén)的設(shè)備檢修（如工務(wù)搗固）等。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須完成檢修或維護(hù)工作。目前，由于THDS沒(méi)有完整的檢測(cè)手段，在天窗時(shí)間段常無(wú)法完成對(duì)THDS的維護(hù)和恢復(fù)工作，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)[1]。因此，為解決這些維修過(guò)程中遇到的困難和問(wèn)題，研制開(kāi)發(fā)一套THDS綜合檢測(cè)設(shè)備具有重要意義。

1 THDS維修工作常見(jiàn)問(wèn)題

現(xiàn)場(chǎng)維修工作中具體遇到的問(wèn)題主要有以下幾方面：

（1）檢測(cè)過(guò)程中經(jīng)常需要對(duì)THDS中的接頭部位、磁頭靈敏度和探頭精準(zhǔn)度等重要環(huán)節(jié)進(jìn)行檢測(cè)，在此過(guò)程中經(jīng)常需要人工檢查接頭、插拔接頭、檢測(cè)磁頭觸發(fā)電壓和標(biāo)定探頭測(cè)溫精度等[2]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如遇復(fù)雜故障，沒(méi)有合適的檢測(cè)手段，很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。

（2）THDS出現(xiàn)突發(fā)狀況需要搶修時(shí)，沒(méi)有一套齊全的檢測(cè)設(shè)備快速檢測(cè)出故障點(diǎn)，進(jìn)行快速、準(zhǔn)確搶修。常在天窗時(shí)間段無(wú)法完成對(duì)THDS的恢復(fù)工作。

（3）因檢測(cè)手段落后，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)因磁頭引發(fā)的故障，通常作業(yè)人員用替換法、對(duì)調(diào)法等方式檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果也無(wú)法準(zhǔn)確確認(rèn)磁頭的好壞[3]。不明確的結(jié)果致使設(shè)備存在安全隱患。

（4）在如京滬三線、承德等地區(qū)，每天經(jīng)過(guò)車(chē)輛很少。雖然在天窗時(shí)間段內(nèi)可以完成對(duì)THDS的檢修或維護(hù)工作，但需長(zhǎng)時(shí)間等待列車(chē)通過(guò)，用以檢測(cè)THDS是否恢復(fù)正常工作[4]。在冬季遇到周檢、月檢、季度檢等時(shí)，維護(hù)人員工作環(huán)境非常艱苦。

（5）為配合工務(wù)部門(mén)定期對(duì)軌枕的維護(hù)和搗固、換軌換枕等工作，必須拆卸軌邊所有探測(cè)設(shè)備，待工務(wù)完工后，軌邊探測(cè)設(shè)備需重新安裝和調(diào)試。

2 THDS綜合檢測(cè)設(shè)備研究目標(biāo)

THDS綜合檢測(cè)設(shè)備的研究是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外線探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行快速標(biāo)定。以前單面與三面高精度黑體輻射源對(duì)紅外線探測(cè)設(shè)備探測(cè)溫度標(biāo)定時(shí)，需多次調(diào)節(jié)黑體輻射源的溫度，并逐一標(biāo)定[5]。工人上線作業(yè)需配帶UPS不間斷電源，耗時(shí)耗力，已不能滿(mǎn)足現(xiàn)代鐵路車(chē)輛管理模式的需要。

THDS綜合檢測(cè)設(shè)備可以裝備4個(gè)黑體輻射源，能同時(shí)提供4個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)紅外線探測(cè)系統(tǒng)探頭的標(biāo)定，工人上線一次即可完成對(duì)探頭系統(tǒng)的標(biāo)定。該裝置設(shè)計(jì)內(nèi)置電源，在線下運(yùn)用AC 220 V供電，調(diào)節(jié)黑體輻射源溫度，當(dāng)黑體輻射源溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，拔下電源，利用內(nèi)置電源供電，工人上線標(biāo)定無(wú)需配帶UPS。

為了同時(shí)控制4個(gè)黑體輻射源溫度，THDS綜合檢測(cè)設(shè)備應(yīng)用先進(jìn)的新型PID溫度控制儀，使用該裝置上線對(duì)探頭標(biāo)定時(shí)間不超過(guò)20 min。

由于工人在天窗點(diǎn)工作，在線維修完成后無(wú)法判斷THDS是否恢復(fù)正常，利用THDS綜合檢測(cè)設(shè)備可以模擬列車(chē)來(lái)車(chē)信號(hào)，可以完成對(duì)THDS功能正常與否的驗(yàn)證，從而確定維修工作是否完成。解決了以往只能等待列車(chē)通過(guò)后才能判斷紅外線檢測(cè)系統(tǒng)是否恢復(fù)正常的問(wèn)題。

3 THDS綜合檢測(cè)設(shè)備方案設(shè)計(jì)

采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的單片機(jī)主控板、軸溫控制模塊、車(chē)輛運(yùn)行模擬終端、工業(yè)PID控制儀表、標(biāo)準(zhǔn)黑體、磁頭激勵(lì)線圈、觸控屏及電源模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案示意見(jiàn)圖1。

設(shè)計(jì)方案包括列車(chē)信號(hào)發(fā)生模塊、軸溫控制模塊和電源模塊三部分。列車(chē)信號(hào)發(fā)生模塊包括主電路板、磁頭信號(hào)觸發(fā)板、磁頭信號(hào)發(fā)生器（磁頭安裝卡尺）和彩色液晶屏。軸溫控制模塊包括4個(gè)PID溫度控制儀和4個(gè)黑體輻射源，分別代表左內(nèi)、左外、右內(nèi)和右外4個(gè)探頭探測(cè)的軸溫。電源模塊包括電源逆變裝置、充電器和鋰電池。

4 THDS綜合檢測(cè)設(shè)備功能

4.1 單片機(jī)系統(tǒng)功能

項(xiàng)目選用ATmega128——Atmel的AVR系列中檔單片機(jī)作為核心處理單元。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位高性能、低功耗CMOS微處理器。傳承了傳統(tǒng)單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和功能，又兼有DSP芯片的優(yōu)點(diǎn)，比傳統(tǒng)單片機(jī)速度快，采用哈佛結(jié)構(gòu)，并有乘法器，可進(jìn)行大量信息的實(shí)時(shí)處理，同時(shí)AVR單片機(jī)也具有與DSP芯片幾乎相同的硬件資源。由于其先進(jìn)的指令集及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz（工作于16 MHz時(shí)性能高達(dá)16 MIPS），從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度間的矛盾。

AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有寄存器都直接與算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）相連接，使得1條指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問(wèn)2個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通復(fù)雜指令集微處理器高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。

4.2 觸控與信息處理

觸控屏與主控板通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口進(jìn)行連接，采用自定義通信協(xié)議進(jìn)行通信。當(dāng)觸控液晶屏?xí)r，液晶屏將觸控信息轉(zhuǎn)換為相關(guān)信息，以串行方式發(fā)送至主控板。

主控板采用MAGE128十六位高檔單片機(jī)作為控制CPU，包括串行接口、串行協(xié)議、校驗(yàn)?zāi)K、AD轉(zhuǎn)換、定時(shí)計(jì)數(shù)、車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)、PWM控制、信號(hào)觸發(fā)等軟件模塊。主控板是系統(tǒng)的核心處理單元，主要具有采集處理磁頭模擬信號(hào)、處理液晶屏及儀表的串行消息、發(fā)送溫控及模擬參數(shù)、運(yùn)算處理車(chē)輛信息等功能。觸控屏、軸溫控制模塊及車(chē)輛運(yùn)行模擬終端3個(gè)模塊與主控板直接連接。

圖1 THDS綜合檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)方案示意圖

主控板根據(jù)參數(shù)信息及指令類(lèi)型，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)的車(chē)輛數(shù)據(jù)，執(zhí)行相應(yīng)的處理及運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果分發(fā)到對(duì)應(yīng)軸溫控制模塊或車(chē)輛運(yùn)行模擬終端。

4.3 軸溫控制

左、右兩側(cè)及內(nèi)、外共4個(gè)軸溫模擬由相應(yīng)的觸控窗控制，各觸控窗內(nèi)設(shè)置溫度測(cè)量值顯示窗、溫度給定值顯示窗及溫度調(diào)節(jié)滾動(dòng)條，溫度調(diào)節(jié)滾動(dòng)條可實(shí)現(xiàn)0～120 ℃的連續(xù)設(shè)定值調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)分辨率為1 ℃。設(shè)定的給定值通過(guò)溫度給定值顯示窗進(jìn)行顯示；同時(shí)，當(dāng)觸發(fā)設(shè)定按鈕時(shí)，按照通信協(xié)議，通過(guò)觸控屏串行接口將設(shè)定值數(shù)據(jù)下發(fā)至主控板；主控板收到下發(fā)設(shè)定值，按照儀表協(xié)議將給定值分發(fā)給相應(yīng)儀表；儀表按照收到的控溫給定值，對(duì)黑體溫度進(jìn)行PID控制；儀表實(shí)時(shí)測(cè)量的黑體溫度值，經(jīng)過(guò)主控板傳輸至觸控屏，動(dòng)態(tài)顯示在溫度測(cè)量值顯示窗內(nèi)。

4.4 車(chē)輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬

車(chē)輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)模擬終端接收主控板調(diào)用的車(chē)輛數(shù)據(jù)庫(kù)信息，初始化單片機(jī)參數(shù)，設(shè)定定時(shí)計(jì)數(shù)器和PWM值。定時(shí)器的頻率由車(chē)輛速度參數(shù)決定，車(chē)輛車(chē)型參數(shù)與輪位距離一一對(duì)應(yīng)，不同輪距決定定時(shí)器的定時(shí)值；磁頭信號(hào)大小由PWM值進(jìn)行改變。其原理為：

（1）單片機(jī)輸出與磁頭信號(hào)大小相關(guān)的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波后形成標(biāo)準(zhǔn)直流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁頭信號(hào)的先行調(diào)節(jié)及電壓設(shè)定。

（2）當(dāng)車(chē)輛模擬啟動(dòng)后，單片機(jī)發(fā)出脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)的頻率和脈寬與車(chē)輛速度和車(chē)輪位置相關(guān)。

（3）脈沖信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路，將PWM標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)，發(fā)送至磁頭激勵(lì)線圈，觸發(fā)2＃、3＃磁鋼啟動(dòng)。

（4）PWM標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)主控板AD采集后，一是調(diào)節(jié)PWM，形成一階閉環(huán)控制，以提高電壓控制精度；二是通過(guò)RS232接口傳輸?shù)接|控屏。

綜上所述，THDS綜合檢測(cè)設(shè)備通過(guò)融合現(xiàn)代控制技術(shù)及總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集紅外探頭標(biāo)定、磁頭標(biāo)定及THDS系統(tǒng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)模擬標(biāo)定，具備軸溫設(shè)定功能及溫度、速度等動(dòng)態(tài)信息的顯示功能，解決了THDS日常維護(hù)中存在的問(wèn)題。設(shè)備采用的觸屏設(shè)計(jì)性能優(yōu)良，人機(jī)交互性較好。

THDS綜合檢測(cè)設(shè)備將列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)模擬及磁頭動(dòng)態(tài)激勵(lì)技術(shù)融入軸溫標(biāo)定中，構(gòu)建了便攜式THDS綜合檢測(cè)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)THDS的動(dòng)態(tài)檢測(cè)及模擬標(biāo)定；采用閉環(huán)控制技術(shù)、PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電感線圈對(duì)磁鋼的激勵(lì)，首次實(shí)現(xiàn)輪位檢測(cè)的動(dòng)態(tài)模擬和磁鋼的動(dòng)態(tài)標(biāo)定；采用MODEBUS協(xié)議、PID工控儀表及標(biāo)準(zhǔn)黑體，實(shí)現(xiàn)軸溫參量的動(dòng)態(tài)高精度控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著列車(chē)的提速、列車(chē)運(yùn)行圖密度的增加，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)管理規(guī)程對(duì)紅外線維修人員在線作業(yè)時(shí)間的要求更加嚴(yán)格。THDS綜合檢測(cè)設(shè)備是鐵路車(chē)輛現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)模擬器和單面黑體等各種新技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，方便了工作人員對(duì)紅外線系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)，通過(guò)模擬列車(chē)通過(guò)、模擬車(chē)輪溫度，更真實(shí)地反映紅外線系統(tǒng)功能是否正常，天窗時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)也無(wú)需等待列車(chē)通過(guò)再行檢測(cè)，完全提高了工作效率；能準(zhǔn)確、快速判斷紅外線系統(tǒng)設(shè)備故障，減少工作人員在線時(shí)間。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)在天窗時(shí)間段內(nèi)或沒(méi)有外接電源的情況下正常工作，使THDS的檢修維護(hù)管理工作更加安全、快捷、高效、科學(xué)、合理。

[1]馬千里．中國(guó)鐵路車(chē)輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃 研究[J]．中國(guó)鐵路，2015(10)：1-7．

[2]張泉海．THDS動(dòng)態(tài)檢測(cè)的典型故障及分析[J]．鐵道 技術(shù)監(jiān)督，2012，40(12)：22-26．

[3]孟志剛，馬建生．紅外線軸溫探測(cè)系統(tǒng)通信故障鑒 別儀[J]．鐵道車(chē)輛，2008，46(3)：36-37．

[4]吳猛．便攜式紅外線軸溫探測(cè)設(shè)備動(dòng)態(tài)檢測(cè)儀的研 制[C]//紅外線軸溫探測(cè)技術(shù)論文匯編．成都，2000.

[5]馬?。甌HDS快速標(biāo)定設(shè)備的研制[J]．鐵道機(jī)車(chē)車(chē) 輛，2013(1)：100-102．

責(zé)任編輯高紅義

The Study of THDS Train Simulator Integrated Testing Equipment

LI Guozhi1，LI Jianguo2
（1. Beijing Institute of Science and Technology，Beijing Railway Administration，Beijing 100036，China；2. Fengtai Train Depot，Beijing Railway Administration，Beijing 100071，China）

THDS train simulator integrated testing equipment is developed aiming to solve the problems of maintenance, repair and management for THDS. The operating state of THDS can be detected through the simulation of train signal emitted by THDS train simulator integrated testing equipment, realizing dynamic detection and simulating calibration of THDS. The technology of closed-loop control and PWM are adopted to make an inspection of THDS component failure as well as an assessment and verification for systematic performance and working condition in daily maintaining and regular management. Meanwhile, it can also make a dynamic detection and calibration for journal temperature detectors. The equipment can perform normally during maintenance window time or without external power supply, which is profound for improving THDS, enhancing the capability of fame-proof and severed axle-proof and ensuring the safety of railway trafc.

THDS；integrated test；simulating mode；train signal；dynamic calibration

U279.3

：A

：1001-683X（2017）07-0081-04DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2017.07.081

2017-03-01

李國(guó)直（1973—），男，高級(jí)工程師。E-mail：375560245@qq.com