基于冗余设计的动车组平稳检测装置的研发.pdf

第 43 卷第 4 期2023 年 8 月铁 道 机 车 车 辆RAILWAY LOCOMOTIVE&CARVol.43 No.42023Aug.基于冗余设计的动车组平稳检测装置的研发张鹏，张相田，郝玉福，宋波（中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266031）摘 要 针对动车组在高速行驶过程中可能存在运行不平稳的问题，设计了一种动车组平稳检测装置，描述了硬件架构和软件实现方法，能够有效检测出各种平稳性指标并上传网络，在实时监控列车运行状态的同时也可以为道路检修提供数据支撑。此外，检测主机具备实时自检和冗余切换功能，进一步提高了系统的可靠性，能够满足动车组的应用需求。关键词 动车组；平稳检测；冗余设计中图分类号：U266 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2023.04.07随着我国动车组技术自主化程度的进一步发展，动车组运行速度越来越高，轨道和车轮的磨损及振动情况越来越复杂。列车高速运行过程中，如 果 存 在 固 有 部 件 故 障 或 线 路 不 平 顺 带 来 的 扰动，可能导致车体在一段时间内存在较大的振动，如果不能及时检测出来并执行相应的操作，就会造成列车横向、纵向或垂向振动异常，在影响动车组行车安全的同时，还会影响列车的平稳性，进而引起乘客的不舒适反应1。目前国内速度 250 km/h 以上的动车组大多安装了失稳检测装置，能够有效避免运行过程中出现横向失稳，提高动车组运行的可靠性，但是对动车组平稳检测装置的研究还相对较少。文中提供一种基于冗余设计的动车组平稳性检测装置的方案，能够检测车体在运行过程中的横向加速度、垂向加速度和纵向加速度数据。通过对采集数据的实时处理，计算出车体的横向舒适稳定性、垂向舒适稳定性和纵向平稳性等指标。1 平稳检测装置系统架构 动车组车体平稳检测装置的系统结构如图 1所 示。每 节 车 厢 都 安 装 1 个 平 稳 检 测 装 置 主 机（BIDS）和 2 个平稳传感器（PS），PS 将加速度信号传给 BIDS，BIDS 将异常信息传送给列车网络监控系统（TCMS）。1.1系统工作原理平稳检测装置主机通过平稳传感器采集板采集 2 路平稳性监控传感器信号，采集板将传感器输出的信号通过硬件抗混跌滤波电路和信号调理电路转换为数字量，数字量再通过 FPGA 协处理器进行 FFT 变换，提取出信号的频率和幅值后上传给ARM 主处理器。主处理器根据式（1）计算方法得到动车组舒适稳定性指标：S=7.08A3fF(f)10（1）式中：S 为舒适稳定性指标；A 为振动加速度，g；f 为振动频率，Hz；F（f）为振动频率的修正参数。其中，振动频率的修正参数是振动频率的分段函数，见表 1。乘客车厢的舒适稳定性指标要求不大于 2.5；司机室的舒适稳定性指标要求不大于 2.75。图 1平稳检测装置系统结构文章编号：1008-7842（2023）04-0042-05引用格式：张 鹏,张相田,郝玉福,等.基于冗余设计的动车组平稳检测装置的研发J.铁道机车车辆,2023,43(4):42-46.作者简介：张鹏（1989-）男，工程师（修回日期：2023-06-05）第 4 期基于冗余设计的动车组平稳检测装置的研发纵向平稳性指标表征的是列车运行过程中纵向的加速度变化率，主处理器根据式（2）计算方法得到动车组纵向平稳性指标：W=dadt（2）列车的纵向平稳性判定分为优良、一般和不及格 3 个级别，其相应的判定值见表 2。主机处理器将实时检测到的车体平稳性监控结果、主机各功能模块状态以及传感器自检结果上传到 TCMS 系统。当转向架发生异常振动或进一步引起蛇行失稳时，平稳监测系统会立即监测到故障，实时通过 MVB 或以太网等车辆总线把故障数据发送到司机室并进行弹屏显示，使司机能够及时发现当前车辆的异常运行状态。其中，故障数据包括平稳传感器工作状态、异常传感器所在的位置等详细信息。1.2检测主机总体设计平稳检测装置主机集成在高度 3U 的标准机箱内，板卡通过前面板螺丝和具有缓冲功能的导轨条与机箱连接，既保证了机械的可靠性，也保证了对电气件良好的抗振保护性能。检测主机机箱内的板卡配置如图 2 所示。平稳检测主机由电源板、CPU 板、平稳传感器采集板和背板组成。电源板负责给 CPU 板和传感器采集板供电；传感器采集板负责 2 个平稳传感器加速度信号的采集；CPU 板负责传感器信号的处理、异 常 状 态 的 检 测 以 及 与 网 络 系 统 的 通 信 功能2。检测主机实现的功能主要有：（1）平稳检测主机在动车组运行过程中，通过设置在车体下的平稳传感器采集车体的横向、垂向以及纵向加速度值，实时检测车辆的舒适稳定性和纵向平稳性指标，通过算法的综合诊断后得到平稳性评价结果，并实时上传网络。（2）平 稳 检 测 主 机 能 够 保 存 每 起 报 警 前 后5 min 内的平稳传感器输出波形，并且存储时长大于 200 min，存储的预警/报警信息和波形信息可以通过检测主机上的下载接口进行下载。（3）平稳检测主机具备自诊断系统和热备冗余功能，自诊断系统实时检查检测装置各部件的作用是否正常，并及时向车辆输出故障诊断结果。另外，CPU 板为冗余设计，正常情况下使用其中一块板卡进行数据处理和网络通信，若优先选择的表 2纵向平稳性指标判定判定结果W/（ms-3）优良5.0图 2检测主机板卡配置表 1振动频率的修正参数垂直振动振动频率/Hz0.55.95.920.020.0振动频率的修正参数F(f)=0.325f 2F(f)=400f 2F(f)=1横向振动振动频率/Hz0.55.45.426.026.0振动频率的修正参数F(f)=0.8f 2F(f)=650f 2F(f)=143铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 板卡发生故障，在主机不断电的情况下自动切换至另外一块板卡，且在切换过程中 MVB 总线/以太网上所有通讯数据不会中断或丢失3。2 检测主机各模块设计 2.1电源模块电源模块的额定输入电压 DC 110 V，正常工作输入范围为 DC 66 VDC 154 V，超出列车电源标准规定的波动范围（DC 77 VDC 137.5 V），具有较强的适应性，可以有效防止列车电源波动导致的主机功能异常。整个电源模块具有 EMC 滤波及保护电路、输入防反接电路、输入电源欠压检测电路、输入电压过压保护电路、输出电源监测电路和输出滤波电路。模块采用隔离电源方案，电源的输入端和输出端隔离，有效防护了输入端和输出端的相互影响。通过以上各种保护设计，电源模块可以有效地削弱来自电源输入端的噪声、浪涌和快速脉冲群的影响。2.2数据处理和通信模块主 机 数 据 处 理 和 通 信 模 块（CPU 板）采 用ARM+FPGA+CPLD 的架构，该架构是一种兼容灵活性、开放性和安全性的系统。利用协处理器FPGA 强大的数据并行处理和快速配置能力，结合主处理器 ARM 强大的数据流转换能力，在保证系统性能的同时实现了硬件可重构。FPGA 主要负责传感器信号的采集、传感器和采集通道的自诊断和 FFT 变换等，然后将传感器原始数据和处理后 的 数 据 通 过 FPGA 内 部 的 共 享 内 存 传 递 给ARM。ARM 主要负责对 FPGA 上传的数据进行实时监控，然后根据文中描述的算法给出预报警信息。CPLD 主要负责对 ARM 主处理器和 FPGA 协处理器的运行状态和通信状态进行实时监控，当监控到故障时输出复位信号到主处理器和协处理器的同时，会通过 IO 信号通知另外一块冗余 CPU板卡自动接管工作。其中，主处理器选用某公司的 AM3358，其性能可以满足平稳性检测算法的运行。主处理器外挂 2 片 DDR4，大小为 2 GB，一片用于对平稳性指标大数据量的缓存，另外一片用于系统运行和算法运行。主处理器外挂 4 GB 的NAND FLASH，可满足失稳检测装置数据存储功能。CPU 板 还 分 别 提 供 了 一 路 百 兆 以 太 网 和UART，用作设备的网络通信接口或维护接口。另外还配有 USB 接口，可用于数据记录和下载，方便装车调试和故障维护。数据处理和通信模块的结构如图 3 所示。2.3平稳传感器采集模块采集板具有 12 个模拟量采集通道，分别对 2个平稳传感器输出的 6 路加速度信号进行冗余采集，其中每一个平稳传感器可以输出 1 路横向加速度 数 据、1 路 垂 向 加 速 度 数 据 和 1 路 纵 向 加 速 度图 3数据处理和通信模块框图44第 4 期基于冗余设计的动车组平稳检测装置的研发数据。每一个采集通道可以采集 1 路 420 mA 电流信号，通道前端设有滤波保护电路，可以有效地抑制信号的浪涌脉冲干扰。为了滤除噪声对信号的干扰，采集通道前端采用 MAX7480 芯片对模拟信号进行 8 阶低通滤波，有效滤除 040 Hz 以外的干扰信号。为了保证采样精度，采样电阻采用 0.1%高精度、25 ppm 低温漂的精密电阻。为了消除电阻温漂对比例调整电路影响，比例调节电阻全部采用性能参数一致的排阻。ADC 转换芯片采用某公司16 bits 分辨率的 AD7980，通过 SPI 接口和隔离芯片ADUM1400 和协处理器 FPGA 进行数据交互。此外，采集板还具有自检测电路，在工作过程中对采集电路进行实时自检，从而确保采集通道输出的数据有效及自身功能正常。3 检测主机软件架构设计 检 测 主 机 软 件 部 分 主 要 由 ARM 主 处 理 器Linux 操作系统上的数据处理检测软件和 FPGA 协处理器数据处理软件 2 部分组成。FPGA 软件通过 SPI 接口采集 2 个平稳传感器的加速度信号并进行第 1 次处理，主要包括 FIR 滤波和 FFT 变换，然后将加速度信号原始数据和提取的频率数据通过共享内存传给 ARM；Linux 软件接收 FPGA 处理过的信息，进行第 2 次处理，并根据文中提供的计算方法完成对列车平稳状态的判断以及预警报警功能4。系统软件架构如图 4 所示。4 自检和冗余设计 4.1自检功能为了确保采集通道输出的数据有效及自身功能正常，采集通道设有自检测电路。采集通道自检工作的原理是在 ADC 的 2 次采样间隔中间，将板卡上预设的信号施加到信号采集通道的前端，ADC 快速进行数据采集，如果采集的数据和预设的数据相同，说明 ADC 采集通道功能正常，如果自测 试 异 常，说 明 采 集 通 道 异 常，输 出 的 数 据 不 可信，处理器将实时的把采集通道异常的信息上传到 TCMS 系统。当板卡无故障时，软件将依次执行传感器的自检功能、传感器的开路故障、传感器的短路故障等诊断功能。故障诊断的流程如图 5所示。图 4系统软件架构图图 5主机故障诊断流程图45铁 道 机 车 车 辆第 43 卷 4.2冗余设计平稳检测装置内部集成 2 个功能完全一样的CPU 板，互为冗余设计。正常情况下使用其中 1 块板卡进行数据处理和网络通信，同时 CPU 板上的CPLD 会对 ARM 主处理器和 FPGA 协处理器的运行 状 态、网 络 通 信 状 态 和 板 卡 温 度 等 进 行 实 时监控。主处理器和协处理器会通过硬线信号实时发送生命信号到 CPLD，如果 CPLD 检测到生命信号持 续 500 ms 不 更 新 则 会 报 出 处 理 器 运 行 状 态 故障；ARM 会通过硬线信号将 MVB 总线/以太网的通信状态发送到 CPLD，如果 CPLD 检测到该硬线信号由 0 变为 1 则会报出网络通信故障；CPLD 通过 LM75 芯片对 CPU 板卡温度进行实时检测，检测过程具备滤波和滞回功能，即当温度超过 90 并持续 1 s 则报出板卡温度故障，当温度低于 70 且持续 1 s 则板卡温度故障恢复。若 CPLD 检测到优先选择的 CPU 板卡发生上述任一故障，会通过硬线信号对主处理器和协处理器进行复位，并且在主机不断电的情况下自动切换至另外的 CPU 板卡，且在切换过程中 MVB 总线/以太网上所有通讯数据不会中断或丢失。冗余设计流程如图 6 所示。5 结论 文中详细描述了动车组平稳检测装置的硬件架构和软件设计，能够有效监测动车组在运行过程中的各项平稳性指标，为动车组的平稳运行提供有效保障。同时根据记录的指标数据可以为轨道检修和车轮旋轮提供技术支撑。此外方案具备采集通道和传感器实时自检功能，以及 CPU 板冗余切换功能，极大地提高了系统的可靠性，能够很好地满足动车组的应用需求。参考文献1 池茂儒，张卫华，曾 京，等.蛇行运动对铁道车辆平稳性的影响J.振动工程学报，2008，21（6）：639-643.2 蔡里军.基于 FPGA 的高速列车转向架蛇行失稳检测装置D.成都：西南交通大学，2012.3 延九磊，申宇燕，曾陆洋，等.基于工业以太网的动车组失稳检测技术研究J.铁道机车车辆，2018，38（5）：9-11.4 刘 峰，延九磊，董孝卿，等.转向架横向稳定性的实时在线监测J.铁道机车车辆，2010，30（2）：5-7.Research and Development of Stationary Detection Device for EMU Based on Redundancy DesignZHANG Peng，ZHANG Xiangtian，HAO Yufu，SONG Bo（CRRC Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co.,Ltd.,Qingdao 266031 Shandong,China）Abstract：Aiming at the unstable state which may exists in high-speed running of EMU,a kind of stationary detection device for EMU is designed.This paper describes the hardware architecture and software implementation methods.This device can effectively detect all kinds of stability indicators and upload them to the network,monitor the running state of the train in real time and also provide data support for later maintenance.In addition,the detection host has the functions of real-time self-checking and redundant switching,which further improves the reliability of the system and can meet the application requirements of EMU.Key words：EMU；stationary detection；redundancy design图 6冗余设计流程图46