接触网下锚补偿装置参数监测系统.pdf

第29卷第4期2023 年 10 月Vol.29 No.4October 2023铁道运营技术Railway Operation Technology摘要：针对人工接触网下锚补偿装置参数检测中存在的效率低、测量间隔时间长、不能及时发现补偿器a、b值超限的问题，提出一种在线监测方案。该方案基于单片机、传感器和物联网等技术测量坠砣的底面到地面的距离、现场温度及绳索张力，并通过物联网将实时数据传输存储到服务器进行在线分析监测。监测系统减少了维护人员巡视频次，提高工作效率，提升故障预测能力，确保接触网处于良好的工作状态。关键词：接触网补偿装置；物联网；在线监测；预警中图分类号：U225.2文献标识码：A文章编号：1006-8686（2023）04-029-3张瑞林接触网下锚补偿装置参数监测系统（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）10.13572/ki.tdyy.2023.04.008Abstract：An online monitoring scheme is proposed to address the issues of low efficiency,long measurement intervals,and inability to detect a and b values exceeding limits in the parameter detection of the anchor compensation device for the overhead contact system.This solution is based on technologies such as microcontrollers,sensors,and the Internet of Things,which measure the distance from the bottom of the weight tothe ground,on-site temperature,and rope tension.Real time data is transmitted and stored to the serverthrough the Internet of Things for online analysis and monitoring.The monitoring system reduces the frequency of maintenance personnel inspections,improves work efficiency,improves fault prediction ability,and ensures that the contact network is in good working condition.Key words：contact network compensation device;internet of things;online monitoring;early warningZHANG RuilinParameter Monitoring System for Anchor CompensationDevice of Overhead Contact System（Science and Technology Research Institute of China Railway Nanning Bureau Group Co.,Ltd.,Engineer,NanningGuangxi,530029,China）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。因基金项目：中国铁路南宁局集团有限公司科研计划项目(供19-2)：接触网下锚补偿装置参数监测研究.29第29卷第4期2023 年 10 月Vol.29 No.4October 2023铁道运营技术Railway Operation Technology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（10.75V14V），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。302.4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0.1m12m，工作温度为-20C60C，存储温度为-20C75C，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（210）kN，供桥电压直流012V，输出灵敏度1.5348mV/V，使用温度-20C至+70C，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通信协议表帧开头状态控制字数据长度距离值信号强度值芯片温度值室外温度值电压值1电压值2累加校验和帧结束1002551Byte1Byte2Byte2Byte2Byte2Byte2Byte2Byte1Byte1003其中，状态控制字 Bit0 位 0 为数据，1 为指令；Bit1Bit4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。接触网下锚补偿装置参数监测系统31