接觸網下錨補償裝置參數監測系統

張瑞林

（中國鐵路南寧局集團有限公司 科學技術研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

接觸網作為鐵路的牽引供電系統，一旦接觸網發生故障，將會直接影響列車取流，造成停車以及其他更為嚴重的安全事故。因此，國內外對接觸網運行狀態監測十分重視。

根據《高速鐵路接觸網運行維修規則》（鐵總運［2015］362 號）規定，設備管理單位須定期對下錨補償裝置參數進行檢測。目前的檢測方式是定期組織班組人員利用天窗時間使用尺子開展該項測量工作，占用了較多的天窗及人力；測量數據間隔時間較長，無法通過下錨補償裝置參數的變化掌握線索伸縮規律；難以及時發現接觸網懸掛張力異常，不能及時發現和處理補償器a、b 值超限等安全隱患。因此，改進檢測方式的研究是非常必要的。

1 補償裝置參數監測系統

觸網下錨補償裝置參數監測系統主要由太陽能供電模塊、單片機核心控制模塊、傳感器、物聯網模塊、客戶端軟件組成，系統框架圖如圖1所示。

圖1 觸網下錨補償裝置參數監測系統框架

監測系統融合傳感器、單片機、物聯網等技術，為供電人員對接觸網下錨補償裝置提供一種直觀便捷有效的管理手段。當參數超限時，發送預警信息給相關工作人員，且可通過人工的方式查看參數（B值）是否符合安裝曲線，減少下錨補償裝置的巡視次數，提高工作效率，及時發現處理隱患，提高故障預警能力，確保接觸網處于良好的工作狀態。

2 硬件電路設計

硬件電路部分主要由電源模塊、單片機數據采集模塊、蓄電池欠壓檢測模塊、物聯網無線傳輸模塊、測距功能模塊、測溫功能模塊、張力檢測模塊組成。

2.1 電源模塊

因股道現場沒有市電供電，固采用太陽能板和蓄電池的供電方式，電源模塊由太陽能板、蓄電池、控制器、支架和連接線組成。

由于蓄電池輸入范圍較寬（10.75V～14V），且硬件電路有不同供電電壓需求，電源模塊產生12V、5V、3.3V直流電壓，如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

其中，12V 直流源給繩索張力檢測模塊及模擬張力模塊供電，為保證張力傳感器的高精度和高可靠性，電路增加了一個DC-DC 模塊，使張力傳感器的供電穩定在12V，其電壓精度為±1%。5V 直流源給測距模塊供電，3.3V 直流源給單片機數據采集模塊、測溫模塊供電。

硬件設計了通過物聯網模塊來使能電源模塊以達到降低功耗的目的，配備電源指示燈，可以現場觀察電源模塊狀態。

2.2 單片機數據采集模塊

單片機控制模塊為核心單元，其主要作用是客戶端將控制指令通過服務器下發到物聯網模塊，再將數據傳輸至單片機控制模塊，單片機接收并解析物聯網模塊發來的控制指令，同時向物聯網模塊實時傳送下位機采集到的信息，包括距離、溫度、張力和蓄電池電壓。

2.3 蓄電池欠壓檢測模塊

該模塊可在電源管理模塊禁用時進行蓄電池電壓欠壓檢測及告警，通過物聯網模塊將蓄電池欠壓情況上報到服務器，以便及時更換蓄電池。其原理圖如圖3所示。

圖3 蓄電池欠壓檢測模塊原理圖

其中，芯片AZ431 基準電壓為2.5V,當AZ431 引腳1 大于2.5V 時（即蓄電池電壓大于10.75V），引腳3輸出低電壓，CJ2304場效應管關斷，IO3為高電平；當AZ431 引腳1 小于2.5V 時（即蓄電池電壓小于10.75V），引腳3 輸出較高電壓，CJ2304 場效應管開通，IO3 為低電平。而IO3 連接F2910 物聯網模塊的“I”口，所以當物聯網模塊通過IO3 檢測到低電平時，就可以判斷出蓄電池供電電壓達到了低閾值，需要及時更換蓄電池。

2.4 物聯網無線傳輸模塊

考慮到低功耗、低成本的應用，采用窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）來傳輸數據。物聯網模塊選用廈門四信的F2910 物聯終終端。該模塊可利用公網NB-IoT 網絡實現無線長距離數據傳輸功能，并且提供了RS232接口，可直接連接串口設備，實現數據透明傳輸。單片機數據采集模塊將采集到的數據通過RS232 傳輸給F2910 物聯網終端模塊，物聯網終端把數據傳輸到物聯網平臺再轉發到指定的服務器。

2.5 測距功能模塊

測距傳感器選取要求外形小巧方便，便于固定在墜砣底部，由于工作在室外鐵軌旁邊，必須在高溫、振動、電磁等復雜環境下依然穩定工作。經過多家產品對比分析，最后選用北醒（北京）光子科技有限公司的TFmini Plus 型測距模塊，它具有以下特點：測量范圍為0.1m～12m，工作溫度為-20°C～60°C，存儲溫度為-20°C～75°C，基于TOF（飛行時間）原理，能實現穩定、精準、高靈敏度和高速的距離測量功能，IP65 等級防護，對室外強光、不同溫度、不同反射率等不同環境下適應力強，功耗低，探測頻率靈活，較好滿足了現場測試需求。

2.6 測溫功能模塊

測溫模塊主要考慮穩定、低功耗、抗干擾及方便安裝等性能。選用的是DS18B20 數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點，選用不銹鋼封裝達到防水的目的。與單片機連接時僅需要一條線即可實現單片機與DS18B20 的雙向通訊。DSl820 的測量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在1s(典型值)內把溫度變換成數字量，非常適合本監測系統的溫度測量。

2.7 張力檢測模塊

考慮到張力檢測模塊的安裝不能對繩索有破壞或剪斷，所以選擇了鋼絲繩張力傳感器。技術規格如下：測量范圍（2～10）kN，供橋電壓直流0～12V，輸出靈敏度1.5348mV/V，使用溫度-20°C 至+70°C，防護等級：IP67。

3 軟件開發

單片機程序主循環中依次獲取測距模塊、DS18B20 以及ADC 的電壓值，使用串口發送接口將數據發送給物聯網模塊，協議幀格式如表1所示。

表1 通信協議表

其中，狀態控制字Bit0 位0 為數據，1 為指令；Bit1～Bit4 位預留；Bit5 位為測距傳感器狀態，1 為異常，0為正常；Bit6位為DS18B20狀態，1為異常，0為正常；Bit7位預留；

前端物聯網模塊傳輸的數據經物聯網平臺轉發到服務器，服務器對接收的數據進行校驗并保存到數據庫。采用B/S 模式開發，MVC 架構，MYSQL 數據庫。網站通過HTTP 協議和服務器交互，這里采用POST 提交方法，主要使用HttpWebRequest 和HttpWebResponse 類進行數據的發送和接收。前端采用Highcharts 圖庫將數據以圖表形式顯示出來，使用JsonConvert 類下的SerializeObject 函數將數據庫數據轉換為Highcharts圖庫適用的數據格式。

4 結束語

該系統已在柳州供電段安裝試用，運行穩定，可實現對接觸網下錨補償裝置參數的在線監測。在整個設計研究過程中，充分考慮了系統功能、性能指標、成本及低功耗的要求，同時根據實際生產需求采用了按需獲取數據的方式。該系統能夠對接觸網下錨補償裝置參數監測具有較好的指導意義，可減少天窗時間和減少人工巡檢次數，利用技防手段及時發現安全隱患，提高故障預測能力，保障接觸網運行安全。