機(jī)車運(yùn)行參數(shù)實(shí)時監(jiān)控裝置研制

范天祥 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海機(jī)務(wù)段

機(jī)車蓄電池電壓、受電弓風(fēng)壓以及主變壓器油溫均為機(jī)車的主要運(yùn)行參數(shù)，直接影響電力機(jī)車是否能正常使用。目前相關(guān)參數(shù)需要乘務(wù)人員到特定地點(diǎn)觀察，不能實(shí)時掌握，給機(jī)車安全運(yùn)用帶來較大不便。研制“機(jī)車蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫實(shí)時監(jiān)控裝置”（以下簡稱“裝置”）不僅能對以上關(guān)鍵數(shù)據(jù)集中實(shí)時監(jiān)測，還能在被監(jiān)測對象出現(xiàn)異常時給予報警提醒，及時采取相應(yīng)措施處理，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大而影響行車安全。裝置能提高機(jī)車運(yùn)用效率，降低乘務(wù)員的勞動強(qiáng)度，減少機(jī)車運(yùn)用的安全隱患。

1 研制目標(biāo)

裝置對各項(xiàng)參數(shù)實(shí)時采集、處理，判斷機(jī)車狀態(tài)是否符合要求，準(zhǔn)確、快捷地反映機(jī)車相應(yīng)設(shè)備的當(dāng)前工作狀態(tài)，通過CPU處理器的內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較和處理，監(jiān)測到異常時，能實(shí)時報警和提醒,在終端顯示器直觀顯示并語音報警提醒，省工省力，有效降低乘務(wù)員勞動強(qiáng)度，保障機(jī)車運(yùn)用的安全。

2 設(shè)計方案

集成了主變壓器油溫信號、受電弓風(fēng)源壓力信號、蓄電池電壓信號的多路監(jiān)測功能，以完成機(jī)車在運(yùn)用時對機(jī)車各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)行全面監(jiān)測。

裝置實(shí)時采集機(jī)車各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及報警。由LCD顯示器數(shù)字直觀顯示，并確認(rèn)機(jī)車各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否正常。

裝置的終端顯示器采用高分辨率彩色液晶顯示器及高質(zhì)量的喇叭，顯示界面清楚、直觀，語音提示清晰、準(zhǔn)確。

裝置有電參數(shù)測量和提醒報警信號產(chǎn)生兩大功能。為了提高實(shí)時性，及時采集電力機(jī)車在運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，以便發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否異常。采用了CPU集中控制處理的電路結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效化。

3 主要組成

裝置主要由CPU控制單元、電源部分、檢測控制部分、信號調(diào)理部分、報警提醒以及顯示終端部分等組成。

3.1 CPU控制單元

為了能同時實(shí)現(xiàn)多種信號發(fā)送和多路信號測量，滿足實(shí)時性的要求，檢測裝置采用了32位的STM32F103系列ARM微處理器。利用其處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、功耗低、接口多的特點(diǎn)，完成了數(shù)據(jù)的采集、參數(shù)設(shè)定、信號處理運(yùn)算與輸出等工作。

3.2 電源部分

裝置輸入電源為機(jī)車控制電源，技術(shù)條件為DC77V～137.5V。考慮到可靠性及抗干擾性，電源系統(tǒng)采用模塊化電源，在電源的輸入/輸出部分充分考慮電子系統(tǒng)的EMI，符合機(jī)車相應(yīng)規(guī)范。

3.3 檢測控制部分

（1）電流、電壓信號調(diào)理電路

本裝置設(shè)置了兩路電流/電壓信號調(diào)理電路,一路用于監(jiān)測受電弓風(fēng)源壓力信號，另一路預(yù)留，以滿足對其他設(shè)備監(jiān)測的需要。原理圖見圖1。

圖1 電流、電壓信號調(diào)理電路

運(yùn)算放大器選用LM258，它具有高增益、低漂移、分辨率高、線性度好、輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。選用的取樣電阻R62為0.1%的超高精度電阻，提高了信號轉(zhuǎn)換的精度，確保了后續(xù)信號處理準(zhǔn)確性。

本電路電阻R61為0 Ω，電阻R62為250 Ω，將受電弓風(fēng)源壓力變送器送出的4 mA～20 mA信號轉(zhuǎn)換成1V～5V的電壓信號,經(jīng)過由運(yùn)放組成的射級跟隨電路后輸出，經(jīng)限幅濾波后送入A/D采樣。

（2）溫度信號調(diào)理電路

本裝置設(shè)置了兩路溫度信號調(diào)理電路，一路用于監(jiān)測主變壓器油溫信號，另一路預(yù)留，以滿足對其他設(shè)備監(jiān)測的需要。原理圖見圖2。

圖2 溫度信號調(diào)理電路

運(yùn)算放大器選用也是LM258，此電路中所有電阻均為0.1%的超高精度電阻，保證了信號轉(zhuǎn)換的精度，確保了后續(xù)信號處理準(zhǔn)確性。

本電路中的電橋測試所用的+3V為REF3030輸出的參考電壓，輸出精度為0.2%，保證了對PT100鉑電阻測試的穩(wěn)定。電路中電阻R81、R82、R83為100Ω，電橋輸出的電壓為PT100鉑電阻在100Ω以上的電壓差0mV～61.24mV（對應(yīng)0℃～120℃），經(jīng)過運(yùn)放U12組成的放大電路（放大50倍）后輸出0V～3.062V，經(jīng)限幅濾波后送入A/D采樣。

（3）語音功放電路

語音信號由專用語音芯片輸出后，進(jìn)入由TDA2003功放芯片組成的功率放大電路，此芯片驅(qū)動能力最大可達(dá)10 W，輸出級經(jīng)由電容濾波后驅(qū)動喇叭。此電路的特點(diǎn)是語音信號不失真，工作穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，可靠性高。原理圖見圖3。

圖3 語音功放電路

（4）開關(guān)量信號處理電路

110V開關(guān)量信號經(jīng)過電阻R31、R32分壓，電容C31濾波后由光耦U8輸出3.3V電平，再經(jīng)電阻R34和電容C32的限流濾波后輸出。原理圖見圖4。

圖4 開關(guān)量信號處理電路

3.4 信號調(diào)理部分

（1）溫度信號采用的是PT100鉑熱電阻，通過輸入恒流源將電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號再做后續(xù)處理。在A/D采樣前端需對溫度對應(yīng)產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（2）壓力信號采用的是通過壓力變送器轉(zhuǎn)換為電流型信號，信號處理電路相對簡單。在單片機(jī)采用前端需對壓力變送器信號進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（3）蓄電池電壓信號采用的是通過電壓傳感器轉(zhuǎn)換成電壓型信號，信號處理電路相對簡單。在單片機(jī)采樣前端需對電壓傳感器信號進(jìn)行變換、調(diào)理、濾波等處理，以保證單片機(jī)采用信號的真實(shí)、準(zhǔn)確。

（4）開關(guān)量輸入信號是為滿足系統(tǒng)對機(jī)車工作狀態(tài)的識別，為此，系統(tǒng)設(shè)計了一路輸入通道，其輸入電平為DC110V，通過光電隔離后轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的電平信號。

3.5 報警提醒以及顯示終端部分

單片機(jī)生成報警控制信號，控制語音芯片將預(yù)置的語音信息通過功放后驅(qū)動喇叭發(fā)聲。

顯示終端采用液晶屏加喇叭組合，顯示終端與裝置主機(jī)采用通訊的方式實(shí)現(xiàn)信息交換，主機(jī)將所需顯示的各種信息發(fā)送給顯示終端進(jìn)行顯示及語音播放。

4 主要性能及技術(shù)指標(biāo)

4.1 使用環(huán)境條件

（1）輸入電源電壓：DC77V～137.5V；

（2）環(huán)境溫度范圍：-25℃～70℃；

（3）環(huán)境濕度范圍：相對濕度≤95%（25℃時）。

4.2 技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)

（1）主變壓器油溫范圍：0℃～120℃；

（2）受電弓風(fēng)源壓力范圍：0 kPa～1 000 kPa；

（3）蓄電池電壓范圍：DC77V～137.5V；

（4）電鑰匙開關(guān)量信號：>60V，高電平，<20V，低電平。

5 結(jié)束語

機(jī)車蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫實(shí)時監(jiān)控裝置的研制成功并投入使用以來，能夠?qū)\(yùn)行機(jī)車蓄電池電壓、升弓風(fēng)壓、主變壓器油溫進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并對發(fā)生異常情況進(jìn)行報警提示，方便了乘務(wù)人員對機(jī)車關(guān)鍵參數(shù)的查看，更為機(jī)車運(yùn)行安全帶來保障。