计轴远程监测系统设计与实现

林保罗，付斌

（广州地铁集团有限公司，广东 广州 511436）

计轴是用于检测地铁线路区间空闲与占用状态的一种设备，在广州地铁线路中有着十分广泛的应用。由于计轴室外设备处于恶劣的自然环境中，经常会发生计轴磁头受干扰故障，给行车安全带来隐患，严重时会导致大面积列车晚点，影响行车效率。为了预防计轴受干扰故障发生，提高计轴故障处理效率，研制了一套计轴远程监测系统，通过对室外计轴参数的实时监测，掌握室外计轴设备的运行状态，及时对状态不良的计轴进行维护维修，通过分析计轴室外信号波形，准确定位计轴受干扰的故障原因，及时制定有效的预防措施，提高故障处理效率，保证行车安全。

1 系统原理及组成

计轴远程监测系统分室内、室外两大部分，其中室外部分主要通过对室外计轴设备信号进行采集处理，然后通过光纤将采集数据传输到室内，室内采集部分主要对室内计轴设备信号进行实时监测。通过对室内外计轴设备的实时监测，当计轴信号幅值低于阈值时，发出预警信息，提醒检修人员及时到现场检查处理；当发生计轴磁头受干扰故障时，通过分析发生故障时的室外计轴信号波形，可快速定位故障点，制定故障处理措施。另外，通过分析室外计轴信号频谱，可分析出干扰频率及干扰强度，及时定位干扰源。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

1.1 室外监测部分

由电源模块、信号处理模块、温湿度检测模块、网络接口模块、MCU模块、光电转换器组成，如图2所示。

图2 室外部分系统结构图

其中电源模块用于将计轴的60V供电电压转换为稳定的5V电压；信号处理模块用于接收和处理计轴磁头发射信号Fs、计轴磁头接受信号UE1和UE2、频率信号F1和F2、传输信号UL以及调整电压UR1和UR2；温湿度检测模块用于实时监测室外计轴箱盒内的温湿度，以便了解计轴室外设备的工作环境，研究环境温湿度对计轴设备的影响；网络接口模块用于将采集的信号数据发送至室内主机，为了得到计轴实时监测数据，网络接口模块采用以太网进行数据传输，高速实时的传输速率可为捕获瞬间的计轴干扰信号提供了技术保证；MCU模块是室外采集单元的核心，采用32位的STM32单片机作为主控单元，保证了数据的处理效率；光电转换器用于将室外电信号转换为光信号，然后通过光纤连接到室内交换机上。

1.2 室内采集单元

各功能模块与室外一致,主要用于对室内频率信号F1和F2、标准电压信号U1和U2进行采集。

1.3 交换机

由于工控机只有一个网口，而室外计轴设备有多个，为了方便管理，在工控机与室外设备之前设置交换机，用于实现室内外信号的交换，组网方式简单灵活。

1.4 工控机

用于接收室外计轴信号，为上位机软件提供运行平台。

1.5 上位机软件

上位机软体主要用于处理计轴信号，完成计轴信号数据的处理、计轴信号波形显示、室外计轴技参数显示、波形分析、频谱分析等，如图3所示。

图3 上位机软件处理流程

2 系统安装与测试

在广州地铁四号线试车线对计轴远程监测系统进行了安装与测试。室外采集单元安装于室外计轴组匣的测试插槽上，如图4所示。

图4 室外采集单元安装位置

经测试，在室内可完成室外计轴信号F1、F2、UE1、UE2、UR1、UR2的信号波形测量、频谱分析、温湿度监测等工作。图5为在无干扰情况下F1的测试波形，F1信号波形并非规则的正弦信号，通过其信号频谱分析得知F1信号叠加了部分F2信号。

图5 无干扰时F1的测试波形

3 测量误差分析

分别利用万用表、西门子计轴测试箱，本系统对同一室外计轴设备的信号进行了5次测试，并以万用表的测量平均值作为参考标准，结果如表1所示。（表1中的测量值均为5次测量结果的平均值）。

表1 三种不同测试方法测试数据对比分析

通过表1的对比分析可知，本系统的所有参数测量误差不超过1%，系统采取严格的隔离措施，现场测试不会对计轴系统的工作造成影响，满足现场的使用要求。

4 结语

本文设计了一套计轴远程监测系统，实现了对计轴室外技术参数的实时远程测量，参数测量误差不超过1%，测量精度高，可靠性好，组网简单。

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