接触网张力补偿装置无线监测终端的研究与设计

赵文飞，谭广忠

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545616）



计算机与应用

接触网张力补偿装置无线监测终端的研究与设计

赵文飞，谭广忠

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州545616）

摘要：在环境温度变化时，棘轮式接触网张力补偿装置的a值和b值会随之发生变化，将会导致坠砣卡滞或坠地而失去补偿功能。设计了以DSP芯片为核心的无线监测系统，通过超声波传感器对b值的变化的监测，可以有效的防止张力补偿装置断线、超限等常见故障。

关键词：张力补偿装置；无线监测；b值

目前，我国的电气化铁路的接触网悬挂方式普遍采用全补偿链悬挂，为了在环境温度发生变化时，保证接触线与机车受电弓之间稳定地接触受流，因此需要通过张力补偿装置来保证接触线及承力索张力恒定。但是当补偿装置发生卡滞、丢失坠砣等现象时就会使线索张力过大或过小时就会造成断线或弓网故障，严重影响列车的正常运行。本文根据接触网张力补偿装置的特点，设计了补偿装置的在线监测终端。

1　基本工作原理

如图1所示为本设计的安装示意图，在补偿装置的坠砣的正下方装设有测距传感器，用来不间断地检测传感器与坠砣底部之间的距离，即棘轮补偿装置的b（变量斜体）值。当坠砣在接触网张力变化作用下上下移动时，即可以测量b值得变化情况，同时通过b值的变化可以间接获取得a值得变化情况。在正常情况下，b值随着环境温度变化呈规律性的变化，通过定时采集监测点b值数据，并与理论计算值做对比便可以知道补偿装置是否出现卡滞、超限或其他异常情况。在发生断线情况时，可以将测量到的b值数据和间接得到的a值数据与断线故障下的极限值进行对比，进而判断是否有断线故障［1］。

图1　监测终端安装示意图

2　硬件电路设计

设计采用TI公司的TMS320F28335作为硬件设计的核心，实现棘轮补偿装置a、b值等参数的采集、计算、判断并控制协调整个终端系统的正常工作。整个系统的组成如图2所示，主要包括测距传感器、信号处理单元、数据采集与处理单元、串口通信模块、ARM管理模块和电源模块。

图2　总体设计方案框图

2.1测距传感器

由以上的阐述可知，本监测终端主要的信号采集就是完成测距传感器对接触线和承力索补偿装置b值得检测。目前常用的有激光测距传感器、红外线测距传感器和超声波测距传感器，综合开发应用的成本、监测效果和系统的性能要求，在此选用超声波传感器［2］。

2.2信号处理单元

超声波传感器的输出电压一般为0～5 V，而TMS320F28335芯片的片内12位AD采样模块对其管脚的输入电压不允许超过3 V，否则会烧坏TMS320F28335芯片。因此，为满足张力检测单元与数据采集及处理的信号协调性，需要对采集到的信号进行调理，设计了如图3中所示的信号调理电路［3］。

图3　信号调理电路

调理后的信号在进行数模转换前，根据数据处理单元的处理能力和存储的要求，需要对模拟信号进行滤波处理，本设计采用如图4所示的四阶的低通滤波器。通过信号调理和低通滤波电路后，可以得到理想的数据采集信号，对后面的数据采集和处理提供了较好的条件。

图4　低通滤波电路

2.3数据采集与处理单元

在数据处理方面，采用了DSP+ARM的双CPU的硬件结构设计［4］。DSP芯片采用目前控制领域广泛使用的高性能处理器TMS320F28335，该芯片具有精度高、速度快和集成度高等特点，广泛应用于安全监控领域。此外，TMS320F28335自带12位的A/D转换模块，模数转换处理数据误差满足系统要求。ARM芯片则选用成都英创公司生产的ARM9系列微控制器EM9170［5］.

采集到的补偿装置参数信号经过以上单元的调理和滤波，调理为0～3 V范围内的电压信号后进入TMS320F28335数模转换单元进行A/D模数转换，而数据处理单元对A/D转换的结果进行计算和分析处理，ARM管理模块接收来自处理单元的数据，并进行分类显示、存储、上传等处理。

2.4数据传输串口通信模块

测量到的电压值经DSP的片内ADC处理后变为了十六进制的实时监测数据，然后通过串口通信将监测数据传送给管理模块对数据进行打包加密并储存到硬盘中保存，最后采用3G无线通信的方式将数据传输到上位机数据库中，通过编写的客户端软件可以实时查询监测数据。针对监测系统数据采集单元较为分散且数据量大的特点，选择RS-485串口进行通信。如图5所示为基于TMS320F28335的RS-485接口电路［5］，其中驱动芯片采用MAXIM公司生产的MAX485，该芯片不仅符合RS-485的串口通信标准，还具有集成度高、低功耗的特点。

图5　RS-485接口电路

2.5ARM管理和无线传输模块

以ARM核心的管理模块通过RS-485接收到监测数据后，将数据打包保存以完成监测终端的数据采集，通过给定的通讯协议上传监测数据，处理完成后的数据通过采用通道向数据服务器进行数据上传。在无线传输方面本设计拟采用相对成熟，覆盖面比较广的3G通讯方式。

2.6电源模块的设计

监测终端的各模块都需要稳定的电源供电才可以正常运行，在本设计中各部件用到的电压等级主要有1.5V、5V、-5V、12V，考虑到补偿装置的工作环境基本上是在野外且不能直接从接触网上获取电压，因此本设计采用“太阳能+蓄电池”的模式为系统供电。通过这种电源模式，可以使系统在阳光充足的时候，产生稳定的供电电压，同时可以将多余的太阳能转换为电能存储入蓄电池中，当夜晚或者阴雨天气的时候，电池管理系统自动从蓄电池中提取电能进行供电。

3　软件设计

整个监测终端的工作主要由DSP来完成，通过片内ADC对调理电路上输出的的信号转换为数字信号并由DSP对其进行滤波、计算处理和软件校正，最后将最终的结果通过串口发送给管理模块。因此主要设计的程序有检测终端主程序、数据采集、数据处理、通信协议、串口收发等子程序的设计，其中主程序具体流程如图6所示。

图6　主程序流程图

4　模拟实验

设计完成后，对该终端的检测性能进行模拟实验。通过人为上下移动坠砣，采集b值数据记录并进行状态判断，实验采集数据如图7所示。实验数据显示，本设计对补偿装置坠砣位移的监测具有较高的精度和准确度，补偿装置超限、断线等常见故障的报警功能也正常。

图7　b值变化曲线图

5　结束语

本文根据接触网张力补偿装置的b值在断线、超限等故障时的变化特点，设计了以超声波传感器为检测元件，以DSP+ARM为数据处理和控制元件的张力补偿装置监测终端，并对其性能通过模拟实验进行了测试。如果该监测装置能进一步开发完善并通过3G网络与高速铁路SCADA系统建立起通讯途径，就可以对接触网补偿装置进行实时监控，消除故障隐患，保证行车安全。

参考文献：

［1］白博淳．高铁接触网补偿装置在线监测系统设计研究［D］．石家庄：石家庄铁道大学，2013．

［2］胡瑞，周锡青．基于超声波传感器的测距报警系统设计［J］．科技信息，2009，（07）：58

［3］白明慧．接触网张力影响因素分析与监测装置设计研究［J］.接触网，2014，（06）：11-14.

［4］王兴帅．张力对接触网安全状态影响及在线监测系统的研究［D］．北京：北京交通大学，2014．

［5］王亮．基于DSP+ARM的多通道数据采集系统的设计［D］．成都：电子科技大学，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

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0090-03

收稿日期：2015-12-13

作者简介：赵文飞（1982-），男，甘肃永昌人，本科，助理讲师，主要从事电气化铁道技术专业课程的教学和研究工作；谭广忠（1969-），男，广西来宾人，本科，讲师，主要从事铁道车辆专业课程的教学和研究工作。