動車組電氣柜智能自檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

余 博，趙紅衛(wèi),3，孔 元,3

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

電氣柜是動車組的一類重要裝置，是網(wǎng)絡(luò)控制、安全監(jiān)測、PIS 等系統(tǒng)的主要載體，主要承擔(dān)了子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、操作命令執(zhí)行等功能，其穩(wěn)定性、安全性和可靠性直接影響到動車組運營質(zhì)量。歷年來，電氣柜故障導(dǎo)致列車晚點的事故時有發(fā)生，優(yōu)化動車組電氣柜性能、增強維保質(zhì)量、提高可靠性是車輛設(shè)計制造企業(yè)需要解決的重要問題。通過對既有電氣控制柜產(chǎn)品進行改進，設(shè)計實現(xiàn)電氣柜智能自檢測系統(tǒng)，作為列車安全，電氣監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展的一種嘗試。

1 需求分析

下一代動車組正在向更高速、更安全、更環(huán)保、更節(jié)能、更智能的方向發(fā)展，目前各平臺動車組電氣柜關(guān)鍵零部件主要是由廠家提供的車輛級硬件產(chǎn)品，調(diào)研了解到既有具備監(jiān)測功能的零部件主要面向工業(yè)領(lǐng)域［1］，未考慮動車組實際運用場景，動車組設(shè)計及運營企業(yè)對于適用的電氣柜信息實時監(jiān)控、隱患預(yù)警、優(yōu)化設(shè)計等技術(shù)較為缺乏，導(dǎo)致部分車輛異常狀態(tài)跟蹤、溯源困難，故障難以迅速有效定位。除了修程所規(guī)定的人工檢測方法［2］，沒有更有效的途徑了解電氣柜內(nèi)實際狀態(tài)，更無法為運營提供進一步的安全保障。

1.1 機械設(shè)計需求

電氣柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計正在向小型化和輕量化方向發(fā)展。主體框架一般采用鋁合金材料，內(nèi)部零部件采用鋁合金型材或鋁板加工而成；柜體框架梁類、器件安裝板類、回轉(zhuǎn)架框架采用鋁合金，柜體墊塊、回轉(zhuǎn)架支撐軸承等關(guān)鍵承重部件可采用不銹鋼，為了增加防塵性能，柜體封閉并采用風(fēng)機冷卻，電氣柜頂部設(shè)有吊裝吊耳孔。電氣柜及安裝的所有電氣部件應(yīng)能承受動車組正常運行中的振動和沖擊，滿足 IEC 61373 標準相關(guān)振動等級的要求。

1.2 電氣需求

在電路設(shè)計完成后，詳細設(shè)計如選型、排布、三維布線設(shè)計等，必須考慮電氣、布線、電磁兼容、環(huán)境相關(guān)的各項技術(shù)指標要求。較為重要的項點包括控制電源電壓的變化應(yīng)滿足在直流條件下靜態(tài)+6%~-3%的偏差和動態(tài)±25%的偏差。安裝在柜中的所有電氣設(shè)備應(yīng)符合電壓要求?？諝忾g隙及爬電距離的最小值、暴露的導(dǎo)電部件以及其他電路中帶有較低電壓的有源件符合EN 50124-1《鐵路應(yīng)用—絕緣配置》中 PD2 污染程度（保護安裝位置）及OV2 過電壓等級的要求。電氣柜前端底座的左、右側(cè)框架處設(shè)保護接地座（2XM10）?；剞D(zhuǎn)門/支架裝有保護接地。產(chǎn)品實物依據(jù)電路圖，執(zhí)行GB/T 34571-2017《鐵路應(yīng)用機車車輛布線規(guī)則》進行布線。各種走線槽、管應(yīng)易于接近和檢查，控制線、低壓電纜、中壓電纜布線盡量分開布置。電氣柜設(shè)計必須確保在所有環(huán)境條件下電氣柜功能的實現(xiàn)，在使用期間避免可能產(chǎn)生冷凝水現(xiàn)象。

1.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)需求

智能自檢測電氣柜研究為電氣柜的實時狀態(tài)監(jiān)測提供方法和算法。其基本設(shè)計思路是運用采集到的車載檢測模塊信息，將信息作為輸入，使用分析和故障預(yù)警方法最終輸出電氣柜現(xiàn)有狀態(tài)及預(yù)測狀態(tài)?；緦崿F(xiàn)方法是基于系統(tǒng)硬件平臺，首先對采集到的數(shù)據(jù)進行分類，然后應(yīng)用電氣性能信息、溫度信息，結(jié)合RFID 技術(shù)進行信息智能分析和故障的預(yù)警及診斷。通過可獲取到的各項數(shù)據(jù)，智能自檢測系統(tǒng)能夠?qū)崟r或離線進行信息分析與診斷。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能自檢測系統(tǒng)硬件通過設(shè)置在柜內(nèi)外的子系統(tǒng)及模塊實現(xiàn)，主要的子系統(tǒng)包括電氣檢測子系統(tǒng)，射頻檢測子系統(tǒng)，溫度檢測子系統(tǒng)。電氣檢測子系統(tǒng)又由系統(tǒng)主機、供電模塊、直流測量單元、交流測量單元、開關(guān)量監(jiān)測模塊、模擬量監(jiān)測模塊、工控機組成；射頻檢測子系統(tǒng)主要由RFID射頻天線、射頻檢測主機、射頻檢測標簽組成；溫度檢測子系統(tǒng)主要由熱成像檢測模塊、溫度監(jiān)測模塊及多種電氣元件組成。系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 檢測系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)圖

電氣檢測子系統(tǒng)各個模塊間通過背板總線采用標準以太網(wǎng)接口進行通訊，系統(tǒng)主機對單元和模塊進行統(tǒng)一控制。測量單元、開關(guān)量監(jiān)測模塊和模擬量監(jiān)測模塊均設(shè)置測量端口、通信接口，各模塊通過總線與主機相連。熱成像檢測模塊和溫度監(jiān)測模塊分別輸出數(shù)字量和模擬量信號。電氣元件主要由空氣開關(guān)、旋鈕開關(guān)、繼電器、接觸器、端子排、連接器和電線電纜構(gòu)成，實現(xiàn)了智能自檢測系統(tǒng)的配電和控制。

通過提取既有動車組車輛電路原理中典型邏輯關(guān)系，進行了精簡化的實現(xiàn)，功能組電氣子系統(tǒng)進行劃分見表1。

表1 智能自檢測系統(tǒng)電氣子系統(tǒng)功能劃分

3 信息分析與診斷技術(shù)

信息分析與診斷技術(shù)是智能自檢測電氣柜一項主要技術(shù)［3］，其目的是為電氣柜的實時狀態(tài)監(jiān)測提供技術(shù)支撐。其實現(xiàn)思路是先研究對車載檢測模塊信息采集、分析和故障預(yù)警方法，然后設(shè)計基于系統(tǒng)硬件的工程方案［4-5］。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分類，應(yīng)用電氣性能信息、溫度信息，結(jié)合RFID 技術(shù)進行信息智能分析和故障預(yù)警及診斷。結(jié)合系統(tǒng)硬件及可獲取到的各項數(shù)據(jù)，介紹一種智能自檢測系統(tǒng)信息分析與診斷的方法。

3.1 信息分析方法研究

按照電氣柜內(nèi)負載功能進行區(qū)分，車上電氣柜可分為電氣控制柜、中壓柜和PIS 柜3 大類。中壓柜內(nèi)負載的電壓等級為交流380 V，電氣控制柜及PIS 柜內(nèi)負載電壓等級主要是直流24 V 及110 V，子電路根據(jù)負載及電壓等級選用對應(yīng)的電信號采集模塊，再由采集模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至采集設(shè)備主機進行處理并轉(zhuǎn)發(fā)。

電氣柜智能自檢測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、射頻識別閱讀器、熱成像儀、溫度傳感器，其通過通信電纜或電信號線纜互相連接。車上可采集到的信號主要有電壓、電流、功率、溫度、開關(guān)量數(shù)據(jù)等，按照電路電氣類型，分別選用合適的傳感器接入電路，能夠在前端完成負載數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以實時獲取設(shè)置在電氣柜的電氣元件上的射頻識別標簽內(nèi)的標簽信息。

除了熱成像儀、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，還包括電氣柜的電氣元件對應(yīng)的溫度影響參數(shù)獲取系統(tǒng)。首先，通過電子標簽讀取電氣柜的電氣元件對應(yīng)的溫度影響參數(shù)，獲取系統(tǒng)包括2 個溫度傳感器和1個電流檢測單元。第1 個溫度傳感器、電流檢測單元和第2 個溫度傳感器分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通信連接。第1 個溫度傳感器用于檢測電氣柜內(nèi)的環(huán)境溫度，第2 個溫度傳感器用于檢測對應(yīng)的電子元件的傳導(dǎo)溫度，電流傳感器用于檢測對應(yīng)的電子元件電流。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分別與熱成像儀和電氣柜的電氣元件對應(yīng)的溫度影響參數(shù)獲取系統(tǒng)通信連接，熱成像儀用于檢測電氣柜中電氣元件的熱量監(jiān)測數(shù)據(jù)，溫度影響參數(shù)獲取系統(tǒng)用于獲取電氣柜中電氣元件的溫度影響參數(shù)；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于根據(jù)熱量監(jiān)測數(shù)據(jù)和每個電氣元件的溫度影響參數(shù)對每個電氣元件進行故障預(yù)警。

根據(jù)每個電氣元件的當前檢測溫度、上一次檢測溫度以及檢測時差，獲得每個電氣元件的實測溫度變化速率。根據(jù)每個電氣元件的溫度影響參數(shù)，獲得每個電氣元件的推算溫度變化速率。若判斷獲知電氣元件的實測溫度變化速率與推算溫度變化速率差值的絕對值大于電氣元件的第一閾值，則對電氣元件進行故障預(yù)警。

電氣柜的信息分析方法的流程示意圖，如圖2所示。

圖2 電氣柜的智能自檢測方法流程圖

3.2 故障預(yù)警方法研究

對電氣元件進行故障判斷的過程中，結(jié)合電氣元件的溫度影響參數(shù)，提高了電氣元件故障預(yù)測的準確性。

電氣柜A 為設(shè)置在動車組上的電氣柜，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得電氣柜A 的電氣元件A1 的實測溫度變化速率為Tr，電氣元件A1 的當前溫度變化速率為Tt，計算|Tr-Tt|=e，然后將e與電氣元件A1 的第一閾值α1進行比較，如果e>α1，那么對電氣元件A1 進行故障預(yù)警。預(yù)先在電子標簽和系統(tǒng)中輸入電氣元件布置、位置信息和電氣柜電氣元件的熱量監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)，通過自檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理，可實現(xiàn)檢測范圍內(nèi)電氣原件溫度預(yù)測，在目前標準動車組結(jié)構(gòu)與布置下，考慮到元器件的尺寸、安裝形式空間等因素，檢測范圍主要為后板導(dǎo)軌安裝的繼電器與接觸器。相應(yīng)地，通過檢測溫度，推算溫度變化速率與檢測時差可計算當前預(yù)測溫度，通過比對當前預(yù)測溫度和檢測溫度，可實現(xiàn)故障預(yù)警?？梢詫㈦姎庠嗀1 故障的預(yù)警信息發(fā)送到動車組司機及機械師顯示屏（Human Machine Interface，簡稱HMI）進行顯示，以提示駕駛?cè)藛T電氣元件A1 出現(xiàn)故障。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也可以將電氣柜的電氣元件的當前檢測溫度、電流和電壓等信息發(fā)送到HMI 顯示。

文中研究的電氣柜智能自檢測熱量檢測方法流程如圖3 所示。

圖3 電氣柜智能自檢測方法流程圖

4 工程實施及試驗

4.1 系統(tǒng)硬件

通過調(diào)研，綜合考慮功能需求與應(yīng)用場景，智能自檢測系統(tǒng)的工程化實施方案通過軟硬件集成進行了實現(xiàn)，系統(tǒng)功能和排布如圖4 所示。進行子系統(tǒng)調(diào)試前，智能自檢測系統(tǒng)產(chǎn)品安裝在實驗室環(huán)境下分別接線并進行調(diào)試，實驗室環(huán)境的智能自檢測系統(tǒng)產(chǎn)品分布如圖4 所示，智能自檢測系統(tǒng)內(nèi)裝置及子系統(tǒng)均為導(dǎo)軌安裝，分別布置在各排導(dǎo)軌之上，分別是檢測子系統(tǒng)、傳感器模塊、RFID 接收裝置，實物如圖5 所示。

圖4 智能自檢測系統(tǒng)產(chǎn)品分布圖

圖5 實驗室環(huán)境產(chǎn)品調(diào)試圖

4.2 系統(tǒng)軟件

在系統(tǒng)硬件功能基礎(chǔ)上，使用C++語言對通信協(xié)議及算法進行了實現(xiàn)。軟件運行前，首先對硬件自帶的配置界面或使用配置平臺進行硬件參數(shù)配置，如IP、傳輸速率、傳輸方法、主機名稱、采樣數(shù)據(jù)，通信協(xié)議注入等，然后應(yīng)用軟件在正常收到數(shù)據(jù)情況下進行數(shù)據(jù)的處理和分析。系統(tǒng)軟件的主要功能模塊劃分見表2。

表2 電氣柜智能自檢測系統(tǒng)功能模塊劃分表

進入實時監(jiān)測界面后，可通過選擇下拉選項框?qū)崿F(xiàn)柜內(nèi)元器件的點選，元器件選擇完畢后，界面實時刷新該元器件的運行狀態(tài)，可以觀察到該元器件的電壓、電流、功率、溫度信息，同時歷史數(shù)據(jù)可通過Chart 圖形界面實時顯示。電子標簽數(shù)據(jù)采集功能可以對讀寫器及天線參數(shù)進行設(shè)置，對標簽執(zhí)行特殊指令，對天線進行信號測試。

4.3 試驗結(jié)果

使用的熱成像儀模塊技術(shù)參數(shù)見表3，采用海曼熱成像儀模塊，測試對象為均勻黑體，黑體的發(fā)射率系數(shù)為 1，在測量實際物體時，由于發(fā)射率系數(shù)小于 1，因此測量溫度低于實際物體的溫度。熱成像儀實際捕捉的電氣柜內(nèi)溫度矢量如圖6 所示，不同顏色對應(yīng)不同溫度探測值，按規(guī)則進行排列，直觀所見溫度越高處，圖像偏向紅色?？梢钥闯鲎笊辖墙佑|器側(cè)面溫度與面板溫度存在較大差異，下部中間處的繼電器溫度最低?？紤]到人眼的觀測差異，實際溫度的準確值可從界面或數(shù)據(jù)流中讀取。動車組自檢測實時狀態(tài)檢測界面如圖7 所示，通過該界面可以實現(xiàn)系統(tǒng)各設(shè)備運行狀態(tài)詳細信息的實時查詢。

表3 熱成像儀模塊技術(shù)參數(shù)表

圖6 熱成像儀實際捕捉的電氣柜內(nèi)溫度

圖7 動車組智能自檢測實時狀態(tài)檢測界面圖

5 結(jié) 論

依據(jù)中國標準動車組電氣柜技術(shù)條件，文中在既有動車組電氣柜產(chǎn)品基礎(chǔ)上開展了動車組電氣柜智能自檢測技術(shù)研究，為監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域提供了新的方法及工程實踐，作為一項動車組電氣控制系統(tǒng)智能自檢測領(lǐng)域成果，所研發(fā)的動車組電氣柜智能自檢測系統(tǒng)融合了電氣數(shù)據(jù)采集，RFID射頻識別和熱監(jiān)測等既有領(lǐng)域成熟成果，在此之上提出了信息分析及故障診斷方法，搭建了動車組電氣柜智能自檢測系統(tǒng)。