基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)設計研究

楊曉林，張劍平，吳建新，朱思平，楊建平，馬嘉杰

(1.成都貨安計量技術中心有限公司 研發(fā)部，四川 成都 610081；2.中國鐵路青藏集團有限公司 客貨營銷部，青海 西寧 810007)

1 鐵路計量系統(tǒng)現(xiàn)狀

鐵路計量系統(tǒng)是鐵路運輸安全監(jiān)測和貨物計量的重要工具。目前通用的鐵路計量系統(tǒng)設備有軌道衡和超偏載儀，二者都是由模擬信號方式的壓力傳感器及剪力傳感器、傳感器接線箱、多路數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)、工業(yè)控制計算機、打印機和檢測軟件等組成。鐵路計量系統(tǒng)根據(jù)秤體結(jié)構(gòu)設計、不同的數(shù)據(jù)算法，實現(xiàn)對檢測列車整車重量的測量，以及檢測車輛的前后重量偏載和左右中心偏移的功能。鐵路計量系統(tǒng)的工作原理是對傳感器模擬信號采集、傳輸、轉(zhuǎn)換、處理的系列過程。鐵路計量系統(tǒng)的工作流程如下：被檢測車輛的軸重信息通過傳感器的測量電路將電阻應變計電阻轉(zhuǎn)換成等比例的模擬電信號(電壓或電流)輸出，傳送給數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)把傳感器輸出的信號進行放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，通過專用數(shù)據(jù)接口輸入計算機。在稱量系統(tǒng)軟件的支持下，完成系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，以及機車車輛判別，最后輸出數(shù)據(jù)。通用鐵路計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 通用鐵路計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of general railway weighing system

傳統(tǒng)鐵路計量系統(tǒng)方式下采用模擬信號以串行方式輸出數(shù)據(jù)，存在傳輸速度慢，不便于組合，傳感器放大倍數(shù)不可調(diào)，A/D轉(zhuǎn)換速度和網(wǎng)絡速度較慢，工作狀態(tài)不穩(wěn)定等特點。傳統(tǒng)鐵路計量系統(tǒng)通常會帶來以下問題：①傳感器模擬信號容易受到干擾。在模擬信號的傳輸過程中，容易被外界的電源、強磁場、微波對弱電的模擬信號造成干擾，導致最終采集信號的不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)不真實，影響對貨物的計量和貨運安全的監(jiān)控。②現(xiàn)場設備或采集處理機維護較困難。在現(xiàn)場配置的采集處理機，容易在電源或系統(tǒng)等發(fā)生異常故障時，難以及時發(fā)現(xiàn)和恢復，影響到計量監(jiān)測的正常工作；同時需要維護人員到達現(xiàn)場進行維護，增加維護難度。③不能滿足高速車輛的檢測精度要求?，F(xiàn)有計量設備由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，采樣頻率較低，傳輸方式的限制等因素，造成了在高速列車通過時所采集的信號周期不完整，對計量誤差有較大影響。④不便遠程監(jiān)控和管理。由于傳感器輸出為模擬信號，遠程監(jiān)控設備狀態(tài)困難，設備故障檢查維護不便。⑤系統(tǒng)不易靈活組網(wǎng)。在傳統(tǒng)的不同類別的軌道衡系統(tǒng)和高低速超偏載系統(tǒng)中，需要根據(jù)傳感器個數(shù)、機械臺面的個數(shù)等情況，使用不同的采集設備、信號處理設備、傳輸設備，達到應用和設備匹配，不能靈活地在不更換設備的情況下，在各系統(tǒng)中進行自由轉(zhuǎn)換。⑥系統(tǒng)方案統(tǒng)一困難。當前用戶使用多種形式的設備，需要對不同系統(tǒng)的維護、管理、使用進行相應地學習，致使對出現(xiàn)問題的設備維護、保養(yǎng)、處理難度加大，難以對設備儀器實現(xiàn)高效管理[1]。

針對傳統(tǒng)鐵路計量系統(tǒng)存在的上述問題，研究設計基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)，以提高鐵路計量設備的測量精度、高速檢測和遠程化管理水平。

2 基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)設計研究

以太網(wǎng)技術是指運用當前流行的網(wǎng)絡傳輸技術，采用指定的傳輸協(xié)議，按統(tǒng)一的以太網(wǎng)信息傳輸規(guī)則，對采集的原始信息，以數(shù)字數(shù)據(jù)的形式從采集點向接收端進行協(xié)議輸送。其優(yōu)勢表現(xiàn)在：把原始信息以數(shù)字化信息進行傳輸，減少外界的電磁場等干擾，提高采樣數(shù)據(jù)的精度；同時可以避免模擬電信號長距離傳輸時的信號衰減，達到用以太網(wǎng)技術傳輸時不受傳輸距離限制的功能。把鐵路計量系統(tǒng)中各種傳感器采集的原始信息以以太網(wǎng)技術的方式進行信息傳輸，可以保證采集信息的真實性、實時性，體現(xiàn)遠距離傳輸?shù)膬?yōu)勢，有利于提高設備的抗干擾能力和計量的精確度等級，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡管理的功能。此外，基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)還具有更高的傳輸速度，結(jié)合高性能的模塊采樣率，以及計算機性能和軟件處理性能的提升，對高速通過列車的頻變周期采樣更完整，有利于高速列車的計量檢測和安全監(jiān)控[2]。

2.1 總體架構(gòu)

基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)的整個機械結(jié)構(gòu)由剪力傳感器、壓力傳感器、鋼軌、連接配件、過渡區(qū)及線纜組成，整個測試區(qū)間分為7個檢測臺面，每個檢測臺面包括左右2段測量區(qū)及其區(qū)間內(nèi)的檢測部件，主要涉及區(qū)間內(nèi)的2根水泥枕，中心距為600 mm，每根水泥枕的兩端上方安設有壓力傳感器，主要檢測貨車通過時上方軌道的垂直壓力，區(qū)間內(nèi)有4只壓力傳感器；在測試區(qū)間的端部，鋼軌的中合軸安裝剪力傳感器，中心距為1 200 mm，檢測貨車通過時軌道的剪切力。基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

每只傳感器在安裝到現(xiàn)場后，由一根特制網(wǎng)線輸出，在輸出網(wǎng)線的一端配置有Rj45接口，直接插入到就近的網(wǎng)絡控制設備上，即完成該路傳感器的連接過程，其他傳感器進行同樣的操作即可。整個實施方案流程簡單、方便、快速，對線路的快速投用起到積極作用。中間環(huán)節(jié)的縮減，有利于故障點的減少，所有傳感器接入網(wǎng)絡后，只需要一條專用網(wǎng)絡，把終端計算機和網(wǎng)絡控制箱連接起來即可投入工作，后期設備維護更加方便。

圖2 基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 The overall structure diagram of railway weighing system based on the Ethernet

2.2 硬件設計

硬件設計主要采用數(shù)字電位器和網(wǎng)絡傳輸信號的方式，實現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，多路傳感器并用，通過設定IP，實現(xiàn)遠程訪問，采集到每一只傳感器的輸出信號，可根據(jù)現(xiàn)場實際使用情況，對每只傳感器信號(包括增益、零點)輸出進行遠程調(diào)試與維護，通過調(diào)試使得系統(tǒng)盡可能處于理想狀態(tài)，方便查找故障傳感器，保證系統(tǒng)的可靠性與精度，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)每只傳感器狀態(tài)的遠程監(jiān)控，還有利于計量設備智能化發(fā)展及信息化管理。電路原理框圖如圖3所示。

圖3 電路原理框圖Fig.3 Circuit principle block diagram

電路原理框圖的具體功能描述。

（1）傳感器經(jīng)過外部供橋電路產(chǎn)生穩(wěn)定的壓力輸出信號進入前置放大電路，對壓力信號預放大后，進入濾波電路。

（2）濾波電路可通過遠程傳輸指令傳輸給主控CPU，主控CPU再發(fā)送控制信號給濾波電路進而調(diào)整濾波系數(shù)。

（3）可變放大電路受主控CPU控制放大倍數(shù)，信號放大幅度為100 ～ 1 000倍。輸出端與調(diào)零電路連接?？勺兎糯箅娐方邮諄碜灾骺谻PU的控制信號，對每只模擬傳感器信號幅度進行調(diào)節(jié)和設置，將信號幅度調(diào)整至預定值。

（4）常用的調(diào)零電路一般采用調(diào)零電位器，零點輸出值較大或者較小通過手動改變調(diào)零電位器阻值來改變零點大小，但調(diào)零電位器的調(diào)節(jié)是有限的，超過限度則無法調(diào)節(jié)。在此電路中當零點輸出值較大或者較小時，通過遠程傳輸指令給主控CPU電路，主控CPU電路再發(fā)送控制信號至調(diào)零電路實現(xiàn)調(diào)整零點[3-4]。

（5）主控CPU由單片機組成，主控CPU接收遠程控制指令，再發(fā)送控制信號給可變放大電路、調(diào)零電路、濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換電路。主控CPU控制數(shù)字電位器實現(xiàn)可變放大和調(diào)零。主控CPU連接的存儲電路用于存儲各部分電路所需參數(shù)和部分采樣數(shù)據(jù)[5]。

網(wǎng)絡信號轉(zhuǎn)換電路與交換機連接，交換機與上位機連接。根據(jù)網(wǎng)絡帶寬情況，電路具有采樣率可調(diào)功能，以適應各種不同的網(wǎng)絡環(huán)境。網(wǎng)絡接口支持標準的TCP協(xié)議和Modbus / TCP協(xié)議，便于PLC與組態(tài)軟件操控；IP地址、網(wǎng)關、子網(wǎng)掩碼、端口號均可設置；具有8 MB (可擴展)緩沖區(qū)，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的主動上傳、自動重發(fā)；網(wǎng)絡接口可以將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)或公網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)功能設計

基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)功能按需求分為數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)接收及分解模塊、數(shù)據(jù)打包組合模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、檢測信息計算模塊、檢測數(shù)據(jù)報警及處理模塊、波形分析模塊、車號識別模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，各模塊相互協(xié)作，完成從信號采集到最終檢測數(shù)據(jù)輸出的系列過程。

（1）數(shù)據(jù)采樣模塊。該模塊主要負責集成在傳感器中的各硬件電路，在接線箱的控制下，實時采集傳感器輸出的模擬信號信息，并實時的對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化處理，通過以太網(wǎng)絡向外進行輸出。

（2）數(shù)據(jù)接收及分解模塊。該模塊為運行在上位計算機中的一個獨立模塊，負責實施主控程序與采樣模塊的通信，并實時接收其上傳的原始數(shù)據(jù)，并按規(guī)則進行解碼，按各自獨立的通道進行數(shù)據(jù)緩存。

（3）數(shù)據(jù)打包組合模塊。該模塊把接收及分解模塊中各通道緩存的數(shù)據(jù)，按照一定的準則進行獲取，并融合為一個數(shù)據(jù)包，并將協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)封裝在協(xié)議頭和尾中，進而緩存的過程。

（4）數(shù)據(jù)分析處理模塊。該模塊對采集的信號進行存儲與回放及分析，把數(shù)據(jù)打包組合模塊中，緩存的整合后的數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)進行分析、處理，如進行異常數(shù)據(jù)的過濾，去掉各通道初始狀態(tài)的碼值，保留車輛通過時有效的變化數(shù)據(jù)等。

（5）檢測信息計算模塊。該模塊把數(shù)據(jù)分析處理模塊中處理后的數(shù)據(jù)，按照超偏載儀設備檢測的要求，進行逐項的分析計算。對采集數(shù)據(jù)采用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform)算法[6]，計算得到車輛的相關檢測數(shù)據(jù)[7]。

（6）檢測數(shù)據(jù)報警及處理模塊。該模塊根據(jù)計算出的檢測數(shù)據(jù)，進行信息的輸出，并根據(jù)貨運管理規(guī)則，判斷相關檢測信息是否達到報警值，再進行相應的處理。

（7）波形分析模塊。該模塊對采樣的原始數(shù)字數(shù)據(jù)，以一種圖形的方式進行展示，方便工作人員對設備狀態(tài)的查看和分析，對數(shù)據(jù)曲線進行縮放、平移、定位(游標)、對比，同時可以通過檢測信息計算模塊再次模擬呈現(xiàn)過車時的狀態(tài)及數(shù)據(jù)。

（8）車號識別模塊。在車輛通過檢測區(qū)域時，該模塊根據(jù)臺面?zhèn)鞲衅鞯淖兓闆r，對車輛識別系統(tǒng)進行有效控制，并接受其采集返回的車輛車號和車型信息，同步與車輛計量數(shù)據(jù)進行處理，同步輸出顯示[8]。

（9）數(shù)據(jù)處理模塊。該模塊對采樣計算保存的數(shù)據(jù)進行后期的管理及應用，包含檢測數(shù)據(jù)的顯示、偏載數(shù)據(jù)報警提示、收貨單位和發(fā)貨單位的快捷選擇和編輯、裝載貨物的品名的快捷選擇和編輯、過磅打印、日報表和月報表的打印、按條件查詢過磅數(shù)據(jù)和打印查詢的數(shù)據(jù)等。

2.4 實施方案

基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)，由于在信號模式、傳輸通道、處理方式上發(fā)生了較大的變化，達到了減少現(xiàn)場設備安設的需求，簡化了的安裝步驟。基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)，實施方案結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

當測量區(qū)間沒有車輛通過時，整套系統(tǒng)處于待機檢測狀態(tài)，實時采集傳感器的輸出信息，判斷當前所處狀態(tài)，自動跟蹤設備零點的變化，為車輛到達時進行相應的初始狀態(tài)檢測。

當列車通過計量設備時，稱重界面上會實時自動顯示車輛的車號、車型、速度、重量等信息。程序自動進行車輛判別、重量檢測、數(shù)據(jù)存儲、波形文件的生成、三級聯(lián)網(wǎng)所需的狀態(tài)文件、過衡數(shù)據(jù)文件的生成等功能。

3 結(jié)束語

圖4 實施方案結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structure diagram of implementation plan

基于以太網(wǎng)技術的鐵路計量系統(tǒng)與傳統(tǒng)鐵路計量系統(tǒng)相比，改變了傳感器輸出的原始信息的數(shù)據(jù)形式，采用具有高速傳輸速率的網(wǎng)絡方式進行數(shù)字化傳輸，可以提高檢測信號的抗干擾能力，在高速采樣技術支持下，還能進一步滿足高速列車(可達100 km/h)的檢測準確度要求。同時，在授權(quán)條件下，通過鏈接網(wǎng)絡對采集終端可進行遠程化管理和維護等功能。通過在青藏鐵路(西寧—拉薩)西寧西至雙寨區(qū)間上行線K0 + 010 m至K0 + 120 m處的試驗，該系統(tǒng)達到了鐵路計量系統(tǒng)的相關技術指標，符合對鐵路運營管理單位的使用要求，為鐵路計量系統(tǒng)的進一步標準化制定、高速檢測手段、遠程化管理，提供了有效的解決方案，提升了鐵路貨物運輸安全保障能力。