動車組電氣柜智能自檢測系統的設計與實現

余 博，趙紅衛,3，孔 元,3

（1 中國鐵道科學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，是網絡控制、安全監測、PIS 等系統的主要載體，主要承擔了子系統狀態監測、操作命令執行等功能，其穩定性、安全性和可靠性直接影響到動車組運營質量。歷年來，電氣柜故障導致列車晚點的事故時有發生，優化動車組電氣柜性能、增強維保質量、提高可靠性是車輛設計制造企業需要解決的重要問題。通過對既有電氣控制柜產品進行改進，設計實現電氣柜智能自檢測系統，作為列車安全，電氣監測領域發展的一種嘗試。

1 需求分析

下一代動車組正在向更高速、更安全、更環保、更節能、更智能的方向發展，目前各平臺動車組電氣柜關鍵零部件主要是由廠家提供的車輛級硬件產品，調研了解到既有具備監測功能的零部件主要面向工業領域［1］，未考慮動車組實際運用場景，動車組設計及運營企業對于適用的電氣柜信息實時監控、隱患預警、優化設計等技術較為缺乏，導致部分車輛異常狀態跟蹤、溯源困難，故障難以迅速有效定位。除了修程所規定的人工檢測方法［2］，沒有更有效的途徑了解電氣柜內實際狀態，更無法為運營提供進一步的安全保障。

1.1 機械設計需求

電氣柜的結構設計正在向小型化和輕量化方向發展。主體框架一般采用鋁合金材料，內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、回轉架框架采用鋁合金，柜體墊塊、回轉架支撐軸承等關鍵承重部件可采用不銹鋼，為了增加防塵性能，柜體封閉并采用風機冷卻，電氣柜頂部設有吊裝吊耳孔。電氣柜及安裝的所有電氣部件應能承受動車組正常運行中的振動和沖擊，滿足 IEC 61373 標準相關振動等級的要求。

1.2 電氣需求

在電路設計完成后，詳細設計如選型、排布、三維布線設計等，必須考慮電氣、布線、電磁兼容、環境相關的各項技術指標要求。較為重要的項點包括控制電源電壓的變化應滿足在直流條件下靜態+6%~-3%的偏差和動態±25%的偏差。安裝在柜中的所有電氣設備應符合電壓要求。空氣間隙及爬電距離的最小值、暴露的導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、右側框架處設保護接地座（2XM10）。回轉門/支架裝有保護接地。產品實物依據電路圖，執行GB/T 34571-2017《鐵路應用機車車輛布線規則》進行布線。各種走線槽、管應易于接近和檢查，控制線、低壓電纜、中壓電纜布線盡量分開布置。電氣柜設計必須確保在所有環境條件下電氣柜功能的實現，在使用期間避免可能產生冷凝水現象。

1.3 系統業務需求

智能自檢測電氣柜研究為電氣柜的實時狀態監測提供方法和算法。其基本設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，使用分析和故障預警方法最終輸出電氣柜現有狀態及預測狀態。基本實現方法是基于系統硬件平臺，首先對采集到的數據進行分類，然后應用電氣性能信息、溫度信息，結合RFID 技術進行信息智能分析和故障的預警及診斷。通過可獲取到的各項數據，智能自檢測系統能夠實時或離線進行信息分析與診斷。

2 系統硬件設計

智能自檢測系統硬件通過設置在柜內外的子系統及模塊實現，主要的子系統包括電氣檢測子系統，射頻檢測子系統，溫度檢測子系統。電氣檢測子系統又由系統主機、供電模塊、直流測量單元、交流測量單元、開關量監測模塊、模擬量監測模塊、工控機組成；射頻檢測子系統主要由RFID射頻天線、射頻檢測主機、射頻檢測標簽組成；溫度檢測子系統主要由熱成像檢測模塊、溫度監測模塊及多種電氣元件組成。系統組成和結構如圖1 所示。

圖1 檢測系統組成與結構圖

電氣檢測子系統各個模塊間通過背板總線采用標準以太網接口進行通訊，系統主機對單元和模塊進行統一控制。測量單元、開關量監測模塊和模擬量監測模塊均設置測量端口、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測模塊分別輸出數字量和模擬量信號。電氣元件主要由空氣開關、旋鈕開關、繼電器、接觸器、端子排、連接器和電線電纜構成，實現了智能自檢測系統的配電和控制。

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

表1 智能自檢測系統電氣子系統功能劃分

3 信息分析與診斷技術

信息分析與診斷技術是智能自檢測電氣柜一項主要技術［3］，其目的是為電氣柜的實時狀態監測提供技術支撐。其實現思路是先研究對車載檢測模塊信息采集、分析和故障預警方法，然后設計基于系統硬件的工程方案［4-5］。實現數據采集分類，應用電氣性能信息、溫度信息，結合RFID 技術進行信息智能分析和故障預警及診斷。結合系統硬件及可獲取到的各項數據，介紹一種智能自檢測系統信息分析與診斷的方法。

3.1 信息分析方法研究

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

電氣柜智能自檢測系統包括數據處理系統、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、開關量數據等，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據的采集。數據處理系統可以實時獲取設置在電氣柜的電氣元件上的射頻識別標簽內的標簽信息。

除了熱成像儀、數據處理系統，還包括電氣柜的電氣元件對應的溫度影響參數獲取系統。首先，通過電子標簽讀取電氣柜的電氣元件對應的溫度影響參數，獲取系統包括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據處理系統通信連接。第1 個溫度傳感器用于檢測電氣柜內的環境溫度，第2 個溫度傳感器用于檢測對應的電子元件的傳導溫度，電流傳感器用于檢測對應的電子元件電流。數據處理系統分別與熱成像儀和電氣柜的電氣元件對應的溫度影響參數獲取系統通信連接，熱成像儀用于檢測電氣柜中電氣元件的熱量監測數據，溫度影響參數獲取系統用于獲取電氣柜中電氣元件的溫度影響參數；數據處理系統用于根據熱量監測數據和每個電氣元件的溫度影響參數對每個電氣元件進行故障預警。

根據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。根據每個電氣元件的溫度影響參數，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 故障預警方法研究

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

電氣柜A 為設置在動車組上的電氣柜，數據處理系統獲得電氣柜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 進行故障預警。預先在電子標簽和系統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測參數數據，通過自檢測系統的數據融合處理，可實現檢測范圍內電氣原件溫度預測，在目前標準動車組結構與布置下，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軌安裝的繼電器與接觸器。相應地，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測溫度，通過比對當前預測溫度和檢測溫度，可實現故障預警。可以將電氣元件A1 故障的預警信息發送到動車組司機及機械師顯示屏（Human Machine Interface，簡稱HMI）進行顯示，以提示駕駛人員電氣元件A1 出現故障。數據處理系統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 系統硬件

通過調研，綜合考慮功能需求與應用場景，智能自檢測系統的工程化實施方案通過軟硬件集成進行了實現，系統功能和排布如圖4 所示。進行子系統調試前，智能自檢測系統產品安裝在實驗室環境下分別接線并進行調試，實驗室環境的智能自檢測系統產品分布如圖4 所示，智能自檢測系統內裝置及子系統均為導軌安裝，分別布置在各排導軌之上，分別是檢測子系統、傳感器模塊、RFID 接收裝置，實物如圖5 所示。

圖4 智能自檢測系統產品分布圖

圖5 實驗室環境產品調試圖

4.2 系統軟件

在系統硬件功能基礎上，使用C++語言對通信協議及算法進行了實現。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配置，如IP、傳輸速率、傳輸方法、主機名稱、采樣數據，通信協議注入等，然后應用軟件在正常收到數據情況下進行數據的處理和分析。系統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功能模塊劃分表

進入實時監測界面后，可通過選擇下拉選項框實現柜內元器件的點選，元器件選擇完畢后，界面實時刷新該元器件的運行狀態，可以觀察到該元器件的電壓、電流、功率、溫度信息，同時歷史數據可通過Chart 圖形界面實時顯示。電子標簽數據采集功能可以對讀寫器及天線參數進行設置，對標簽執行特殊指令，對天線進行信號測試。

4.3 試驗結果

使用的熱成像儀模塊技術參數見表3，采用海曼熱成像儀模塊，測試對象為均勻黑體，黑體的發射率系數為 1，在測量實際物體時，由于發射率系數小于 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溫度矢量如圖6 所示，不同顏色對應不同溫度探測值，按規則進行排列，直觀所見溫度越高處，圖像偏向紅色。可以看出左上角接觸器側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。考慮到人眼的觀測差異，實際溫度的準確值可從界面或數據流中讀取。動車組自檢測實時狀態檢測界面如圖7 所示，通過該界面可以實現系統各設備運行狀態詳細信息的實時查詢。

表3 熱成像儀模塊技術參數表

圖6 熱成像儀實際捕捉的電氣柜內溫度

圖7 動車組智能自檢測實時狀態檢測界面圖

5 結 論

依據中國標準動車組電氣柜技術條件，文中在既有動車組電氣柜產品基礎上開展了動車組電氣柜智能自檢測技術研究，為監測技術領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智能自檢測領域成果，所研發的動車組電氣柜智能自檢測系統融合了電氣數據采集，RFID射頻識別和熱監測等既有領域成熟成果，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。