袁開(kāi)鴻, 魏麗君, 唐冬梅

(1.中南大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引 言

隨著鐵路電氣化和大量電氣設(shè)備設(shè)施在機(jī)車(chē)上投入使用，電氣安全問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。而絕緣和漏電是對(duì)電氣安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，通過(guò)嚴(yán)格實(shí)施與絕緣、漏電有關(guān)的技術(shù)要求，可以有效監(jiān)測(cè)供電設(shè)備的電氣缺陷，預(yù)防漏電、短路等引發(fā)的火災(zāi)和人身傷害事故。因此,采用實(shí)時(shí)的漏電監(jiān)測(cè)保護(hù)報(bào)警和接地保護(hù)技術(shù)、對(duì)機(jī)車(chē)供電母線的漏電流和對(duì)地狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)則顯得尤為重要，一旦發(fā)生漏電流超標(biāo)或接地，則保護(hù)動(dòng)作，停止電源輸出。

基于STM32平臺(tái)的CAN總線車(chē)載式漏電流傳感器[1～3]研制，采用了目前最先進(jìn)的模擬漏電流傳感器，加以改造實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，并通過(guò)線數(shù)少、安全性與可靠性高的CAN總線實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信[4,5],可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)檢測(cè)集中處理。在機(jī)車(chē)運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)對(duì)漏電流的檢測(cè)，其主要特征是檢測(cè)準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)通信安全可靠。使用時(shí)，由多個(gè)漏電流數(shù)字傳感器與一臺(tái)計(jì)算機(jī)互接，構(gòu)成一個(gè)多點(diǎn)的漏電檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)的綜合處理。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要由機(jī)車(chē)接地測(cè)試儀、電流檢測(cè)傳感器、機(jī)車(chē)供電屏柜構(gòu)成[6～8]。機(jī)車(chē)接地測(cè)試儀主要包括電源模塊、輸入信號(hào)處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、中央處理單元以及報(bào)警輸出模塊。電源模塊由車(chē)內(nèi)24VDC電源經(jīng)過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換,分別轉(zhuǎn)換為±12VDC電源和+5VDC電源。

此外，目前由于機(jī)車(chē)上大量采用微機(jī)控制的牽引傳動(dòng)裝置和分布全列車(chē)的通信系統(tǒng)，日益增多的電子設(shè)備帶來(lái)了許多的電源電磁干擾源和敏感期。因此,在110 V電源其工作原理是：裝置在開(kāi)機(jī)時(shí)采集列車(chē)漏電流值，根據(jù)單臺(tái)機(jī)車(chē)4.7 mA為基準(zhǔn)判斷列車(chē)數(shù)量作為裝置判斷是否漏電流的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)[11,12]；當(dāng)機(jī)車(chē)供電系統(tǒng)有一點(diǎn)接地時(shí)，裝置電流檢測(cè)傳感器檢測(cè)到電流信號(hào)同時(shí)記錄并顯示出來(lái)，此時(shí)根據(jù)設(shè)定的機(jī)車(chē)漏電流報(bào)警值與檢測(cè)到漏電流值進(jìn)行比較，若超出范圍識(shí)別裝置將產(chǎn)生車(chē)輛接地報(bào)警提示并用燈位顯示；同時(shí)識(shí)別裝置將記錄接地故障產(chǎn)生的時(shí)間、漏電流值[13]，備注中指示接地故障產(chǎn)生在機(jī)車(chē)的狀態(tài)。

進(jìn)線上加裝了吸收電容器和共模電感器以吸收來(lái)自機(jī)車(chē)電源的干擾。在軟件設(shè)計(jì)上加入了二級(jí)濾波的方式來(lái)進(jìn)一步減小干擾[9,10]，已達(dá)到設(shè)備的工作穩(wěn)定性。 系統(tǒng)整體接線設(shè)計(jì)如圖1。

圖1 系統(tǒng)整體接線設(shè)計(jì)圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的Cortex—M3(STM32)處理器是一個(gè)低功耗的處理器，具有門(mén)數(shù)少、中斷延遲小、調(diào)試容易等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍可從低端微控制器到復(fù)雜SoC。Cortex—M3處理器使用了ARM V7—M體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)可綜合的、高度可配置的處理器。而CAN總線具有極高的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率高，傳輸距離較長(zhǎng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，特別適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控設(shè)備的互聯(lián)。

基于STM32平臺(tái)的CAN總線漏電流檢測(cè)數(shù)字傳感器采用高精度漏電流傳感器采集實(shí)時(shí)的機(jī)車(chē)、車(chē)廂的漏電流值，采用高速的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，當(dāng)漏電流值大于設(shè)定的值后，儀器會(huì)以聲音報(bào)警和故障顯示屏2種方式提示,并將數(shù)據(jù)保存至儀器的內(nèi)存中，用戶可用USB存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)出，其框圖如圖2。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)解決原機(jī)車(chē)上使用的漏電檢測(cè)裝置系統(tǒng)硬件分塊過(guò)多、接口線多、抗干擾能力不強(qiáng)、故障率高的問(wèn)題。設(shè)計(jì)完成后的基于STM32平臺(tái)的CAN總線漏電流檢測(cè)數(shù)字傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和漏電檢測(cè)系統(tǒng)整體配合關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與漏電檢測(cè)系統(tǒng)整體配合關(guān)系圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要結(jié)合鐵路行業(yè)實(shí)際應(yīng)用和廣大鐵路行業(yè)客戶意見(jiàn)反饋，不斷得到完善改進(jìn)，使系統(tǒng)功能齊全，人機(jī)交互界面友好，操作簡(jiǎn)便，主要包括核心處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示與信息提示部分、用戶輸入與操作提示以及數(shù)據(jù)查詢、報(bào)表打印和圖形處理等。整個(gè)的軟件架構(gòu)設(shè)想如圖4所示。

圖4 軟件架構(gòu)設(shè)想圖

下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)包括實(shí)驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)設(shè)置和軟件使用指南。實(shí)驗(yàn)測(cè)試包括被試品信息錄入、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)完后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的打印輸入等。數(shù)據(jù)處理部分?jǐn)?shù)據(jù)的查詢、修改、刪除等，而系統(tǒng)設(shè)置主要是只實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置。軟件設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

圖5 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)框圖

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

直流正負(fù)線(雙線)全穿過(guò)傳感器的模擬漏電實(shí)驗(yàn)接線原理圖如圖6所示。

圖6 雙線模擬漏電實(shí)驗(yàn)原理圖

在電壓0～10 V的區(qū)間內(nèi)，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電流和儀器顯示的漏電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 雙線模擬漏電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

只有直流正線(單線)穿過(guò)傳感器的模擬漏電實(shí)驗(yàn)，其接線原理圖如圖7所示。

圖7 單線模擬漏電實(shí)驗(yàn)原理圖

在電壓從0 V變到10 V的區(qū)間內(nèi)，對(duì)開(kāi)關(guān)電源的電流和儀器顯示的漏電流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 單線模擬漏電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸入確定的漏電流的值，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，其數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，根據(jù)實(shí)測(cè)漏電流值與輸入漏電流值的比，可以得出所設(shè)計(jì)傳感器的檢測(cè)精度約為1 %,線性度約為1 %。

表3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

5 結(jié) 論

基于STM32平臺(tái)的CAN總線車(chē)載式漏電流數(shù)字傳感器檢測(cè)準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、數(shù)據(jù)通信安全可靠。檢測(cè)漏電流的范圍為 0～300 mA ，檢測(cè)精度為1 % ，線性度為1 %,是一種目前先進(jìn)的車(chē)載式漏電流數(shù)字傳感器。實(shí)際使用時(shí)，多只漏電流數(shù)字傳感器與一臺(tái)計(jì)算機(jī)互接，構(gòu)成一個(gè)多點(diǎn)的漏電檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)漏電檢測(cè)的綜合處理。

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