接觸網張力補償裝置無線監測終端的研究與設計

趙文飛，譚廣忠

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

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計算機與應用

接觸網張力補償裝置無線監測終端的研究與設計

趙文飛，譚廣忠

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

摘要：在環境溫度變化時，棘輪式接觸網張力補償裝置的a值和b值會隨之發生變化，將會導致墜砣卡滯或墜地而失去補償功能。設計了以DSP芯片為核心的無線監測系統，通過超聲波傳感器對b值的變化的監測，可以有效的防止張力補償裝置斷線、超限等常見故障。

關鍵詞：張力補償裝置；無線監測；b值

目前，我國的電氣化鐵路的接觸網懸掛方式普遍采用全補償鏈懸掛，為了在環境溫度發生變化時，保證接觸線與機車受電弓之間穩定地接觸受流，因此需要通過張力補償裝置來保證接觸線及承力索張力恒定。但是當補償裝置發生卡滯、丟失墜砣等現象時就會使線索張力過大或過小時就會造成斷線或弓網故障，嚴重影響列車的正常運行。本文根據接觸網張力補償裝置的特點，設計了補償裝置的在線監測終端。

1　基本工作原理

如圖1所示為本設計的安裝示意圖，在補償裝置的墜砣的正下方裝設有測距傳感器，用來不間斷地檢測傳感器與墜砣底部之間的距離，即棘輪補償裝置的b（變量斜體）值。當墜砣在接觸網張力變化作用下上下移動時，即可以測量b值得變化情況，同時通過b值的變化可以間接獲取得a值得變化情況。在正常情況下，b值隨著環境溫度變化呈規律性的變化，通過定時采集監測點b值數據，并與理論計算值做對比便可以知道補償裝置是否出現卡滯、超限或其他異常情況。在發生斷線情況時，可以將測量到的b值數據和間接得到的a值數據與斷線故障下的極限值進行對比，進而判斷是否有斷線故障［1］。

圖1　監測終端安裝示意圖

2　硬件電路設計

設計采用TI公司的TMS320F28335作為硬件設計的核心，實現棘輪補償裝置a、b值等參數的采集、計算、判斷并控制協調整個終端系統的正常工作。整個系統的組成如圖2所示，主要包括測距傳感器、信號處理單元、數據采集與處理單元、串口通信模塊、ARM管理模塊和電源模塊。

圖2　總體設計方案框圖

2.1測距傳感器

由以上的闡述可知，本監測終端主要的信號采集就是完成測距傳感器對接觸線和承力索補償裝置b值得檢測。目前常用的有激光測距傳感器、紅外線測距傳感器和超聲波測距傳感器，綜合開發應用的成本、監測效果和系統的性能要求，在此選用超聲波傳感器［2］。

2.2信號處理單元

超聲波傳感器的輸出電壓一般為0～5 V，而TMS320F28335芯片的片內12位AD采樣模塊對其管腳的輸入電壓不允許超過3 V，否則會燒壞TMS320F28335芯片。因此，為滿足張力檢測單元與數據采集及處理的信號協調性，需要對采集到的信號進行調理，設計了如圖3中所示的信號調理電路［3］。

圖3　信號調理電路

調理后的信號在進行數模轉換前，根據數據處理單元的處理能力和存儲的要求，需要對模擬信號進行濾波處理，本設計采用如圖4所示的四階的低通濾波器。通過信號調理和低通濾波電路后，可以得到理想的數據采集信號，對后面的數據采集和處理提供了較好的條件。

圖4　低通濾波電路

2.3數據采集與處理單元

在數據處理方面，采用了DSP+ARM的雙CPU的硬件結構設計［4］。DSP芯片采用目前控制領域廣泛使用的高性能處理器TMS320F28335，該芯片具有精度高、速度快和集成度高等特點，廣泛應用于安全監控領域。此外，TMS320F28335自帶12位的A/D轉換模塊，模數轉換處理數據誤差滿足系統要求。ARM芯片則選用成都英創公司生產的ARM9系列微控制器EM9170［5］.

采集到的補償裝置參數信號經過以上單元的調理和濾波，調理為0～3 V范圍內的電壓信號后進入TMS320F28335數模轉換單元進行A/D模數轉換，而數據處理單元對A/D轉換的結果進行計算和分析處理，ARM管理模塊接收來自處理單元的數據，并進行分類顯示、存儲、上傳等處理。

2.4數據傳輸串口通信模塊

測量到的電壓值經DSP的片內ADC處理后變為了十六進制的實時監測數據，然后通過串口通信將監測數據傳送給管理模塊對數據進行打包加密并儲存到硬盤中保存，最后采用3G無線通信的方式將數據傳輸到上位機數據庫中，通過編寫的客戶端軟件可以實時查詢監測數據。針對監測系統數據采集單元較為分散且數據量大的特點，選擇RS-485串口進行通信。如圖5所示為基于TMS320F28335的RS-485接口電路［5］，其中驅動芯片采用MAXIM公司生產的MAX485，該芯片不僅符合RS-485的串口通信標準，還具有集成度高、低功耗的特點。

圖5　RS-485接口電路

2.5ARM管理和無線傳輸模塊

以ARM核心的管理模塊通過RS-485接收到監測數據后，將數據打包保存以完成監測終端的數據采集，通過給定的通訊協議上傳監測數據，處理完成后的數據通過采用通道向數據服務器進行數據上傳。在無線傳輸方面本設計擬采用相對成熟，覆蓋面比較廣的3G通訊方式。

2.6電源模塊的設計

監測終端的各模塊都需要穩定的電源供電才可以正常運行，在本設計中各部件用到的電壓等級主要有1.5V、5V、-5V、12V，考慮到補償裝置的工作環境基本上是在野外且不能直接從接觸網上獲取電壓，因此本設計采用“太陽能+蓄電池”的模式為系統供電。通過這種電源模式，可以使系統在陽光充足的時候，產生穩定的供電電壓，同時可以將多余的太陽能轉換為電能存儲入蓄電池中，當夜晚或者陰雨天氣的時候，電池管理系統自動從蓄電池中提取電能進行供電。

3　軟件設計

整個監測終端的工作主要由DSP來完成，通過片內ADC對調理電路上輸出的的信號轉換為數字信號并由DSP對其進行濾波、計算處理和軟件校正，最后將最終的結果通過串口發送給管理模塊。因此主要設計的程序有檢測終端主程序、數據采集、數據處理、通信協議、串口收發等子程序的設計，其中主程序具體流程如圖6所示。

圖6　主程序流程圖

4　模擬實驗

設計完成后，對該終端的檢測性能進行模擬實驗。通過人為上下移動墜砣，采集b值數據記錄并進行狀態判斷，實驗采集數據如圖7所示。實驗數據顯示，本設計對補償裝置墜砣位移的監測具有較高的精度和準確度，補償裝置超限、斷線等常見故障的報警功能也正常。

圖7　b值變化曲線圖

5　結束語

本文根據接觸網張力補償裝置的b值在斷線、超限等故障時的變化特點，設計了以超聲波傳感器為檢測元件，以DSP+ARM為數據處理和控制元件的張力補償裝置監測終端，并對其性能通過模擬實驗進行了測試。如果該監測裝置能進一步開發完善并通過3G網絡與高速鐵路SCADA系統建立起通訊途徑，就可以對接觸網補償裝置進行實時監控，消除故障隱患，保證行車安全。

參考文獻：

［1］白博淳．高鐵接觸網補償裝置在線監測系統設計研究［D］．石家莊：石家莊鐵道大學，2013．

［2］胡瑞，周錫青．基于超聲波傳感器的測距報警系統設計［J］．科技信息，2009，（07）：58

［3］白明慧．接觸網張力影響因素分析與監測裝置設計研究［J］.接觸網，2014，（06）：11-14.

［4］王興帥．張力對接觸網安全狀態影響及在線監測系統的研究［D］．北京：北京交通大學，2014．

［5］王亮．基于DSP+ARM的多通道數據采集系統的設計［D］．成都：電子科技大學，2013．

Research and Design of the Wireless Monitoring Terminal for the Tension Compensation Device of the Contact Network

ZHAO Wen-fei，TAN Guang-zhong
（Liuzhou Railway Vocation Technical College，Liuzhou Guangxi 545616，China）

Abstract：When the environment temperature changes，the a value and the b value of the ratchet type contact net tension compensation device will be changed，this will make the weight of stuck or landing and lost compensation.the wireless monitoring system based on DSP chip is designed，and the monitoring of the change of b value by ultrasonic sensor can effectively prevent the failure of tension compensation device，such as broken line，overrun and so on.

Key words：tension compensating device；wireless monitoring；b value

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0090-03

收稿日期：2015-12-13

作者簡介：趙文飛（1982-），男，甘肅永昌人，本科，助理講師，主要從事電氣化鐵道技術專業課程的教學和研究工作；譚廣忠（1969-），男，廣西來賓人，本科，講師，主要從事鐵道車輛專業課程的教學和研究工作。