張瑞林

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究所，工程師，廣西 南寧 530029）

0 引言

接觸網(wǎng)作為鐵路的牽引供電系統(tǒng)，一旦接觸網(wǎng)發(fā)生故障，將會(huì)直接影響列車取流，造成停車以及其他更為嚴(yán)重的安全事故。因此，國內(nèi)外對(duì)接觸網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)十分重視。

根據(jù)《高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》（鐵總運(yùn)［2015］362 號(hào)）規(guī)定，設(shè)備管理單位須定期對(duì)下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。目前的檢測(cè)方式是定期組織班組人員利用天窗時(shí)間使用尺子開展該項(xiàng)測(cè)量工作，占用了較多的天窗及人力；測(cè)量數(shù)據(jù)間隔時(shí)間較長(zhǎng)，無法通過下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)的變化掌握線索伸縮規(guī)律；難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)接觸網(wǎng)懸掛張力異常，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理補(bǔ)償器a、b 值超限等安全隱患。因此，改進(jìn)檢測(cè)方式的研究是非常必要的。

1 補(bǔ)償裝置參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由太陽能供電模塊、單片機(jī)核心控制模塊、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)模塊、客戶端軟件組成，系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)融合傳感器、單片機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，為供電人員對(duì)接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置提供一種直觀便捷有效的管理手段。當(dāng)參數(shù)超限時(shí)，發(fā)送預(yù)警信息給相關(guān)工作人員，且可通過人工的方式查看參數(shù)（B值）是否符合安裝曲線，減少下錨補(bǔ)償裝置的巡視次數(shù)，提高工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理隱患，提高故障預(yù)警能力，確保接觸網(wǎng)處于良好的工作狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路部分主要由電源模塊、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、蓄電池欠壓檢測(cè)模塊、物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸模塊、測(cè)距功能模塊、測(cè)溫功能模塊、張力檢測(cè)模塊組成。

2.1 電源模塊

因股道現(xiàn)場(chǎng)沒有市電供電，固采用太陽能板和蓄電池的供電方式，電源模塊由太陽能板、蓄電池、控制器、支架和連接線組成。

由于蓄電池輸入范圍較寬（10.75V～14V），且硬件電路有不同供電電壓需求，電源模塊產(chǎn)生12V、5V、3.3V直流電壓，如圖2所示。

圖2 電源模塊電路圖

其中，12V 直流源給繩索張力檢測(cè)模塊及模擬張力模塊供電，為保證張力傳感器的高精度和高可靠性，電路增加了一個(gè)DC-DC 模塊，使張力傳感器的供電穩(wěn)定在12V，其電壓精度為±1%。5V 直流源給測(cè)距模塊供電，3.3V 直流源給單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)溫模塊供電。

硬件設(shè)計(jì)了通過物聯(lián)網(wǎng)模塊來使能電源模塊以達(dá)到降低功耗的目的，配備電源指示燈，可以現(xiàn)場(chǎng)觀察電源模塊狀態(tài)。

2.2 單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊

單片機(jī)控制模塊為核心單元，其主要作用是客戶端將控制指令通過服務(wù)器下發(fā)到物聯(lián)網(wǎng)模塊，再將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)控制模塊，單片機(jī)接收并解析物聯(lián)網(wǎng)模塊發(fā)來的控制指令，同時(shí)向物聯(lián)網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)傳送下位機(jī)采集到的信息，包括距離、溫度、張力和蓄電池電壓。

2.3 蓄電池欠壓檢測(cè)模塊

該模塊可在電源管理模塊禁用時(shí)進(jìn)行蓄電池電壓欠壓檢測(cè)及告警，通過物聯(lián)網(wǎng)模塊將蓄電池欠壓情況上報(bào)到服務(wù)器，以便及時(shí)更換蓄電池。其原理圖如圖3所示。

圖3 蓄電池欠壓檢測(cè)模塊原理圖

其中，芯片AZ431 基準(zhǔn)電壓為2.5V,當(dāng)AZ431 引腳1 大于2.5V 時(shí)（即蓄電池電壓大于10.75V），引腳3輸出低電壓，CJ2304場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷，IO3為高電平；當(dāng)AZ431 引腳1 小于2.5V 時(shí)（即蓄電池電壓小于10.75V），引腳3 輸出較高電壓，CJ2304 場(chǎng)效應(yīng)管開通，IO3 為低電平。而IO3 連接F2910 物聯(lián)網(wǎng)模塊的“I”口，所以當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)模塊通過IO3 檢測(cè)到低電平時(shí)，就可以判斷出蓄電池供電電壓達(dá)到了低閾值，需要及時(shí)更換蓄電池。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)無線傳輸模塊

考慮到低功耗、低成本的應(yīng)用，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）來傳輸數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)模塊選用廈門四信的F2910 物聯(lián)終終端。該模塊可利用公網(wǎng)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，并且提供了RS232接口，可直接連接串口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸。單片機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232 傳輸給F2910 物聯(lián)網(wǎng)終端模塊，物聯(lián)網(wǎng)終端把數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)再轉(zhuǎn)發(fā)到指定的服務(wù)器。

2.5 測(cè)距功能模塊

測(cè)距傳感器選取要求外形小巧方便，便于固定在墜砣底部，由于工作在室外鐵軌旁邊，必須在高溫、振動(dòng)、電磁等復(fù)雜環(huán)境下依然穩(wěn)定工作。經(jīng)過多家產(chǎn)品對(duì)比分析，最后選用北醒（北京）光子科技有限公司的TFmini Plus 型測(cè)距模塊，它具有以下特點(diǎn)：測(cè)量范圍為0.1m～12m，工作溫度為-20°C～60°C，存儲(chǔ)溫度為-20°C～75°C，基于TOF（飛行時(shí)間）原理，能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精準(zhǔn)、高靈敏度和高速的距離測(cè)量功能，IP65 等級(jí)防護(hù)，對(duì)室外強(qiáng)光、不同溫度、不同反射率等不同環(huán)境下適應(yīng)力強(qiáng)，功耗低，探測(cè)頻率靈活，較好滿足了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需求。

2.6 測(cè)溫功能模塊

測(cè)溫模塊主要考慮穩(wěn)定、低功耗、抗干擾及方便安裝等性能。選用的是DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，選用不銹鋼封裝達(dá)到防水的目的。與單片機(jī)連接時(shí)僅需要一條線即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20 的雙向通訊。DSl820 的測(cè)量范圍從-55℃到+125℃，增量值為0.5℃，可在1s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字量，非常適合本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度測(cè)量。

2.7 張力檢測(cè)模塊

考慮到張力檢測(cè)模塊的安裝不能對(duì)繩索有破壞或剪斷，所以選擇了鋼絲繩張力傳感器。技術(shù)規(guī)格如下：測(cè)量范圍（2～10）kN，供橋電壓直流0～12V，輸出靈敏度1.5348mV/V，使用溫度-20°C 至+70°C，防護(hù)等級(jí)：IP67。

3 軟件開發(fā)

單片機(jī)程序主循環(huán)中依次獲取測(cè)距模塊、DS18B20 以及ADC 的電壓值，使用串口發(fā)送接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)模塊，協(xié)議幀格式如表1所示。

表1 通信協(xié)議表

其中，狀態(tài)控制字Bit0 位0 為數(shù)據(jù)，1 為指令；Bit1～Bit4 位預(yù)留；Bit5 位為測(cè)距傳感器狀態(tài)，1 為異常，0為正常；Bit6位為DS18B20狀態(tài)，1為異常，0為正常；Bit7位預(yù)留；

前端物聯(lián)網(wǎng)模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)并保存到數(shù)據(jù)庫。采用B/S 模式開發(fā)，MVC 架構(gòu)，MYSQL 數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)站通過HTTP 協(xié)議和服務(wù)器交互，這里采用POST 提交方法，主要使用HttpWebRequest 和HttpWebResponse 類進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。前端采用Highcharts 圖庫將數(shù)據(jù)以圖表形式顯示出來，使用JsonConvert 類下的SerializeObject 函數(shù)將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Highcharts圖庫適用的數(shù)據(jù)格式。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)已在柳州供電段安裝試用，運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)。在整個(gè)設(shè)計(jì)研究過程中，充分考慮了系統(tǒng)功能、性能指標(biāo)、成本及低功耗的要求，同時(shí)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求采用了按需獲取數(shù)據(jù)的方式。該系統(tǒng)能夠?qū)佑|網(wǎng)下錨補(bǔ)償裝置參數(shù)監(jiān)測(cè)具有較好的指導(dǎo)意義，可減少天窗時(shí)間和減少人工巡檢次數(shù)，利用技防手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，提高故障預(yù)測(cè)能力，保障接觸網(wǎng)運(yùn)行安全。