接触网下锚补偿装置参数监测系统

张瑞林

（中国铁路南宁局集团有限公司 科学技术研究所，工程师，广西 南宁 530029）

0 引言

接触网作为铁路的牵引供电系统，一旦接触网发生故障，将会直接影响列车取流，造成停车以及其他更为严重的安全事故。因此，国内外对接触网运行状态监测十分重视。

根据《高速铁路接触网运行维修规则》（铁总运［2015］362 号）规定，设备管理单位须定期对下锚补偿装置参数进行检测。目前的检测方式是定期组织班组人员利用天窗时间使用尺子开展该项测量工作，占用了较多的天窗及人力；测量数据间隔时间较长，无法通过下锚补偿装置参数的变化掌握线索伸缩规律；难以及时发现接触网悬挂张力异常，不能及时发现和处理补偿器a、b 值超限等安全隐患。因此，改进检测方式的研究是非常必要的。

1 补偿装置参数监测系统

触网下锚补偿装置参数监测系统主要由太阳能供电模块、单片机核心控制模块、传感器、物联网模块、客户端软件组成，系统框架图如图1所示。

图1 触网下锚补偿装置参数监测系统框架

监测系统融合传感器、单片机、物联网等技术，为供电人员对接触网下锚补偿装置提供一种直观便捷有效的管理手段。当参数超限时，发送预警信息给相关工作人员，且可通过人工的方式查看参数（B值）是否符合安装曲线，减少下锚补偿装置的巡视次数，提高工作效率，及时发现处理隐患，提高故障预警能力，确保接触网处于良好的工作状态。

2 硬件电路设计

硬件电路部分主要由电源模块、单片机数据采集模块、蓄电池欠压检测模块、物联网无线传输模块、测距功能模块、测温功能模块、张力检测模块组成。

2.1 电源模块

因股道现场没有市电供电，固采用太阳能板和蓄电池的供电方式，电源模块由太阳能板、蓄电池、控制器、支架和连接线组成。

由于蓄电池输入范围较宽（10.75V～14V），且硬件电路有不同供电电压需求，电源模块产生12V、5V、3.3V直流电压，如图2所示。

图2 电源模块电路图

其中，12V 直流源给绳索张力检测模块及模拟张力模块供电，为保证张力传感器的高精度和高可靠性，电路增加了一个DC-DC 模块，使张力传感器的供电稳定在12V，其电压精度为±1%。5V 直流源给测距模块供电，3.3V 直流源给单片机数据采集模块、测温模块供电。

硬件设计了通过物联网模块来使能电源模块以达到降低功耗的目的，配备电源指示灯，可以现场观察电源模块状态。

2.2 单片机数据采集模块

单片机控制模块为核心单元，其主要作用是客户端将控制指令通过服务器下发到物联网模块，再将数据传输至单片机控制模块，单片机接收并解析物联网模块发来的控制指令，同时向物联网模块实时传送下位机采集到的信息，包括距离、温度、张力和蓄电池电压。

2.3 蓄电池欠压检测模块

该模块可在电源管理模块禁用时进行蓄电池电压欠压检测及告警，通过物联网模块将蓄电池欠压情况上报到服务器，以便及时更换蓄电池。其原理图如图3所示。

图3 蓄电池欠压检测模块原理图

其中，芯片AZ431 基准电压为2.5V,当AZ431 引脚1 大于2.5V 时（即蓄电池电压大于10.75V），引脚3输出低电压，CJ2304场效应管关断，IO3为高电平；当AZ431 引脚1 小于2.5V 时（即蓄电池电压小于10.75V），引脚3 输出较高电压，CJ2304 场效应管开通，IO3 为低电平。而IO3 连接F2910 物联网模块的“I”口，所以当物联网模块通过IO3 检测到低电平时，就可以判断出蓄电池供电电压达到了低阈值，需要及时更换蓄电池。

2.4 物联网无线传输模块

考虑到低功耗、低成本的应用，采用窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）来传输数据。物联网模块选用厦门四信的F2910 物联终终端。该模块可利用公网NB-IoT 网络实现无线长距离数据传输功能，并且提供了RS232接口，可直接连接串口设备，实现数据透明传输。单片机数据采集模块将采集到的数据通过RS232 传输给F2910 物联网终端模块，物联网终端把数据传输到物联网平台再转发到指定的服务器。

2.5 测距功能模块

测距传感器选取要求外形小巧方便，便于固定在坠砣底部，由于工作在室外铁轨旁边，必须在高温、振动、电磁等复杂环境下依然稳定工作。经过多家产品对比分析，最后选用北醒（北京）光子科技有限公司的TFmini Plus 型测距模块，它具有以下特点：测量范围为0.1m～12m，工作温度为-20°C～60°C，存储温度为-20°C～75°C，基于TOF（飞行时间）原理，能实现稳定、精准、高灵敏度和高速的距离测量功能，IP65 等级防护，对室外强光、不同温度、不同反射率等不同环境下适应力强，功耗低，探测频率灵活，较好满足了现场测试需求。

2.6 测温功能模块

测温模块主要考虑稳定、低功耗、抗干扰及方便安装等性能。选用的是DS18B20 数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点，选用不锈钢封装达到防水的目的。与单片机连接时仅需要一条线即可实现单片机与DS18B20 的双向通讯。DSl820 的测量范围从-55℃到+125℃，增量值为0.5℃，可在1s(典型值)内把温度变换成数字量，非常适合本监测系统的温度测量。

2.7 张力检测模块

考虑到张力检测模块的安装不能对绳索有破坏或剪断，所以选择了钢丝绳张力传感器。技术规格如下：测量范围（2～10）kN，供桥电压直流0～12V，输出灵敏度1.5348mV/V，使用温度-20°C 至+70°C，防护等级：IP67。

3 软件开发

单片机程序主循环中依次获取测距模块、DS18B20 以及ADC 的电压值，使用串口发送接口将数据发送给物联网模块，协议帧格式如表1所示。

表1 通信协议表

其中，状态控制字Bit0 位0 为数据，1 为指令；Bit1～Bit4 位预留；Bit5 位为测距传感器状态，1 为异常，0为正常；Bit6位为DS18B20状态，1为异常，0为正常；Bit7位预留；

前端物联网模块传输的数据经物联网平台转发到服务器，服务器对接收的数据进行校验并保存到数据库。采用B/S 模式开发，MVC 架构，MYSQL 数据库。网站通过HTTP 协议和服务器交互，这里采用POST 提交方法，主要使用HttpWebRequest 和HttpWebResponse 类进行数据的发送和接收。前端采用Highcharts 图库将数据以图表形式显示出来，使用JsonConvert 类下的SerializeObject 函数将数据库数据转换为Highcharts图库适用的数据格式。

4 结束语

该系统已在柳州供电段安装试用，运行稳定，可实现对接触网下锚补偿装置参数的在线监测。在整个设计研究过程中，充分考虑了系统功能、性能指标、成本及低功耗的要求，同时根据实际生产需求采用了按需获取数据的方式。该系统能够对接触网下锚补偿装置参数监测具有较好的指导意义，可减少天窗时间和减少人工巡检次数，利用技防手段及时发现安全隐患，提高故障预测能力，保障接触网运行安全。