城轨交通单侧计轴传感器智能校准仪研究与运用.pdf

2023 年 11 月第 59 卷 第 11 期铁 道 通 信 信 号Railway Signalling&CommunicationNovember 2023Vol.59 No.11城轨交通单侧计轴传感器智能校准仪研究与运用刘海洋，杨进摘 要：针对地铁信号系统中单侧计轴传感器长期受到温度、湿度、振动、电磁干扰等因素影响，最终导致其参数发生变化而需要维修工远赴现场定期巡检等问题，提出基于电流检测原理的单侧计轴传感器智能校准方案，研制了一款单侧计轴传感器智能校准仪。该校准仪采用单片机、键盘驱动芯片、直流信号隔离转换器、液晶显示模块等设计，在室内防雷分线柜上即可检测计轴传感器回传信号，方便远程检测计轴传感器的工作参数；同时，具有操作便利、测试安全等特点。经模拟测试并与现场实测数据比较，该智能校准仪具有较高的检测精度，能够满足地铁信号系统功能需求。关键词：计轴传感器；电流检测；智能；校准仪；遥测中图分类号：U285 文献标识码：A Research and Application of Intelligent Calibration Instrument for Unilateral Axle Counting Sensor of Urban Rail TransitLIU Haiyang,YANG JinAbstract：In response to the long-term impacts of temperature,humidity,vibration,and electromagnetic interference and other factors on single-side axle counting sensors adopted by subway signal systems,which eventually leads to changes in its parameters and require maintenance personnel to go to the site for periodic inspections,an intelligent calibration solution based on current detection principles for single-side axle counting sensors is introduced.A smart calibration device for single-side axle counting sensors is developed.The device design includes a microcontroller,keyboard driver chip,DC signal isolation converter,LCD display module,and more.It can measure the feedback signals of axle counting sensors,enabling the detection of DOI：10.13879/j.issn.1000-7458.2023-11.23183扫码浏览下载刘海洋：绍兴京越地铁有限公司运营分公司 高级工 312000 浙江绍兴杨 进：南京铁道职业技术学院通信信号学院 副教授 210035 南京基金项目：2022年江苏省高铁安全工程技术研究开发中心开放基金项目（RCQL22012）；2019年“青蓝工程”中青年学术带头人培养基金项目（RCQL19210）；江苏省第六期“333高层次人才培养工程”项目（500RC33322001）收稿日期：2023-07-08引用格式：刘海洋,杨进.城轨交通单侧计轴传感器智能校准仪研究与运用J.铁道通信信号,2023,59(11):90-96.Citation：LIU Haiyang,YANG Jin.Research and Application of Intelligent Calibration Instrument for Unilateral Axle Counting Sensor of Urban Rail TransitJ.Railway Signalling&Communication,2023,59(11):90-96.90Railway Signalling&Communication Vol.59 No.11 2023working parameters remotely from indoor lightning-proof distribution cabinets.It offers convenient operation,safe testing,and through analog testing and comparison with on-site measured data.The intelligent calibration device demonstrates high accuracy and meets the functional requirements of subway signal systems.Key words：Axle counting sensor；Current detection；Intelligent；Calibration Instrument；Remote measurement电磁式计轴器是目前在地铁公司广泛应用的轨道区段空闲与占用检查设备1，通过计轴传感器（磁头）检测列车钢轮的位置状态，来反映轨道区段是否空闲、占用或受扰。电磁式计轴传感器分为 2 类：一类是双侧计轴传感器，钢轨外侧为发送端线圈，内侧为接收线圈，通过列车钢轮切割磁力线，改变接收线圈电动势或相位角，经轨旁安全计算机检测电压或相位变化，判断列车车轮占用情况；另一类是单侧计轴传感器，采用电涡流原理，当计轴传感器周围有铁磁性材料靠近时，传感器内部线圈的电感量发生变化，导致谐振点漂移，最终改变线圈上的电压、电流、相位角，经由几公里外的机械室内计轴主机通过检测供电线上电压或电流大小，或者检测叠加在电源线上交流信号的相位角变化，来判断列车占用情况2。每当有列车轮对滑过计轴传感器，计轴主机就累计轮对数量。当轨道区段入口与出口累计的轮对数量不等，则认为是有列车占用该轨道区段，计轴主机驱动安全继电器动作，通过计算机联锁采集该继电器的状态，并发送给ATS系统通知调度员或车站值班人员。由此可见计轴传感器的性能指标直接决定轨道区段占用检查的准确性和可靠性。以西门子 ACM100计轴传感器为例，随着计轴设备使用年限的增加，以及磁场、温度、湿度等参数的变化，计轴传感器的灵敏度呈逐渐下降的趋势（本质为谐振点漂移），导致计轴传感器传输至室内的电流信号发生改变，进而造成机械室内 ACM 计轴模块误判，影响行车安全。所以对计轴传感器进行定期校准是必不可少的。在以往标准的维保作业流程中，至少需 3 名信号工（2名巡检员及 1名防护员）进入轨行区，打开计轴传感器轨旁箱，并拆除多根电缆线后对计轴传感器进行检测3，造成维保工作不便、效率低下。为此，本文设计了一款智能校准仪，无需打开隧道内轨旁箱，也不需要拆除室外任何电缆线，仅需 1 名信号工在机械室内插入校准仪专用连接器，即可远程对所有 ACM100计轴传感器进行参数测量。当需要校准或更换计轴传感器时，可再派 2 人（巡检员和防护员）进入轨行区配合设置校准量规（用来替代列车车轮模拟占用计轴传感器的工具）进行维护维修。1ACM100型计轴设备ACM100计轴设备总体结构见图1，包括室内及室外部分。室内设备有 ACM 计轴模块、交换机、诊断计算机、调制解调器、24 V电源模块及其他附件等；室外设备有计轴传感器（WSD）、轨旁箱（电缆分线箱）、计轴专用电缆等4。图 1中，WSD1、WSD2为检测区间 1的入口计 轴 传 感 器，WSD3 为 出 口 计 轴 传 感 器，当WSD1+WSD2的计数值等于WSD3值时，检测区间1标记为空闲状态；当WSD1+WSD2的计数值与WSD3值不符时，检测区间1标记为占用状态。而WSD3同时又是检测区间2的入口计轴传感器，WSDY为检测区间2的出口计轴传感器。同样，当WSD3 的计数值等于 WSDY 值时，检测区间 2 标记为空闲状态；当WSD3的计数值与WSDY值不等时，检测区间2标记为占用状态。如图 2所示，每个 WSD包括 2套独立的传感单元S和S，构成二取二容错架构，可以辨识车轮的运行方向5。每套传感单元各有一个 LC 振荡器，其线圈安装在车轮传感器外壳顶部下方。当列车轮对进入车轮传感器附近时，钢轮内产生反方向电磁场，改变了LC振荡器周围的电磁环境，引起回路中的电流明显变化。通过机械室内ACM计轴模块远程采集24 V电源模块上直流电流，即可判断轨道上是否有列车占用6。WSD 采用恒压源供电，当回路中电流小于2.99 mA时，判定为有车轮占用，ACM计轴模块计数累加 1；当电流为 5（10.5%）mA 时，判定为无车轮占用，ACM 计轴模块计数不变；当91铁道通信信号 2023年第59卷第11期电流大于 5.76 mA时，判定为过电压并进行故障指示，ACM 计轴模块计数不变，且标记为故障状态，需要人工排除故障，进行复位操作后方可继续工作。2智能校准仪总体设计计轴传感器智能校准仪由专用连接器、直流信号隔离转换模块、主控芯片、矩阵键盘、键盘驱动芯片、液晶显示模块及电源模块等组成7-8，其中直流信号隔离转换模块的内部为电气隔离状态，校准仪是间接采集计轴传感器电流值。使用校准仪时，需通过专用连接器串接进入计轴传感器工作回路，信号传入直流信号隔离转换模块后，其输出端产生可供主控芯片检测的直流信号，经主控芯片检测后，将相关信息传至液晶显示模块进行显示，检测信号传输示意见图3。1）主控芯片。选用高性能ATmega16单片机用于对检测信号的处理，并将相关工作模式、时间-电流检测曲线等内容传输给液晶显示模块。ATmage16单片机具有功能强、可靠性高、运算速度快、功耗较低和价格便宜等优点，可以完成数据处理、传送以及电压采集等功能9。2）键盘部分。采用ZLG7290专用键盘驱动芯片驱动的44矩阵键盘。该芯片通过I2C通信端口与主控芯片相连，进行键码值的传输。ZLG7290抗干扰能力强，键盘外围无需消抖电路，也不用增加键盘消抖软件10-11。WSD1WSD2WSD3WSD3WSDYACM交换机直接连接的WSD间接连接的WSD配置区段ACM室内设备室外设备WSD2WSD1WSD3WSDY检测区间1检测区间2调制解调器邻站联锁系统调制解调器远程数据传输联锁系统轨旁箱本站邻站计轴设备联锁系统：轨道占用/空闲信息；复位限制、复位确认信息；用户指定的安全信息。24 V电源模块计轴专用电缆轨旁箱计轴专用电缆24 V电源ACM计轴模块检测区间1 检测区间2联锁系统计轴设备：复位信号（立即复位、预复位、辅助复位）；用户指定的安全信息。配置诊断计算机计轴专用电缆计轴专用电缆轨旁箱轨旁箱图1 ACM100计轴设备总体结构图2 WSD内部结构示意室内防雷模块底座信号输入信号输出室外WSD传感单元回传信号传至室内计轴主机专用连接器直流信号隔离转换模块检测信号主控芯片液晶显示模块图3 检测信号传输示意92Railway Signalling&Communication Vol.59 No.11 20233）直流信号隔离转换模块。有2路独立的转换电路，采用 ISO-EM-A3-P3-O4 芯片，可将输入的020 mA电流转换为05 V的电压信号，供给单片机进行 A/D 采样。该模块具有以下特点：集成了一个多隔离的DC/DC变换电源和一组模拟信号隔离放大器，输入及输出侧具有宽爬电距离及内部隔离措施，可达到 DC 3000 V 绝缘电压；无需外接零点、增益调节电位器，即可实现现场信号的隔离转换功能；采用印板式变压器代替传统环形变压器，利用高耐压的电磁隔离技术，在隔离干扰的同时，保证信号输出稳定；采用5 V电压供电，可与单片机共用电源；可将电流输入信号线性转换为05 V电压输出信号，省去外置信号调理电路；输入端采用二极管等元器件进行隔离，减轻了因元器件串入电路时对电流的影响，使测量的电流值更加接近电路正常工作状态下的真实值，做到故障隔离，所以校准仪安全性很高。4）液晶显示模块。采用FY43-4827-256彩色液晶模块，用于接收主控芯片信号，并对检测信号进行图形化显示。该模块具有双层液晶屏幕，测试示例见图4。图4中上层为黄色曲线，显示整个测量过程的全部数据，即为测试曲线；下层为红色曲线，显示标准对照曲线范围。信号巡检员通过比较2种曲线，即可直观判断出计轴传感器的好坏。5）电源部分。采用防爆聚合物锂电池，并通过并联电容进行滤波，使得芯片得到安全、稳定的供电电压。3智能校准仪操作方法使用智能校准仪对计轴传感器的校准分为日常巡检与校准操作，相关校准步骤以及参数参照ACM100维护手册执行。3.1日常巡检在日常巡检时，可以由1名人员在室内逐一拆除防雷模块，并将校准仪的专用连接器插入防雷模块底座。现场测试示意见图5。打开校准仪直接选择双通道测量，遍历全部计轴传感器，正常电流值应为9 mA左右。3.2校准操作如果在日常巡检中发现计轴传感器参数异常，则需对计轴传感器进一步校准。这时需派2人去现场，其中，1人负责安放“校准量规”，放置示意见图6，图6中绿色方框为“校准量规”，用来替代列车车轮，模拟占用车轮传感器（WSD）；另外1人做安全防护。校准时先进行单通道信号测量，再进行双通道信号测量。图4 液晶显示模块测试示例（双通道）图5 现场测试示意（室内）93铁道通信信号 2023年第59卷第11期智能校准仪操作步骤见图 7。测量 WSD 内单个传感单元的电流参数时，选择单通道；测量WSD 内 2 个传感单元的电流累加值时，选择双通道。测试结束后，可进行相关测量曲线的存储。校准仪内部可储存同一计轴传感器 3 次测量的完整曲线（1次双通道，2次单通道），供后续查看。3.2.1单通道测试1）选择单通道模式，按下“测试”按钮进行数据采集，并开始计时，电流标准值应为 4.755.25 mA。2）25 s 时，停止计时并停止记录采样数据，显示屏提示“将传感器校准量规放置在传感器上，金属面朝上，校准量规与传感器的中心线对齐”，再次按下“测试”按钮后继续测量并计时，此时的电流值应为1.32.99 mA。3）35 s时，再次停止计时并停止记录采样数据，显示屏提示“推动校准量规，使传感器中心线对齐OFF1右侧边界”，根据提示放好校准量规后，按下“测试”按钮继续测量和计时，此时的电流值应为4.755.25 mA。4）同理，分别在45 s、55 s、65 s时，停止计时并停止记录采样数据，根据显示屏提示进行操作，观察电流标准值。5）75 s 时，停止计时并停止记录采样数据，显示屏提示“将校准量规从传感器上方取走”，可按下“确认键”存储数据曲线。通过查看数据曲线，如果在校准量规推至ON和OFF的边界时，校准仪数值是在标准范围内变化，则判定计轴传感器单通道测试正常，可进行下一步双通道测试；如果校准仪测量值在校准量规推过ON和OFF的边界后才产生变化，或测量数值未在标准值范围内，则判定计轴传感器发生了磁场偏移，直接进行计轴传感器更换。3.2.2双通道测试1）选择双通道模式，按下“测试”按钮进行数据采集，并开始计时，电流标准值应在 2.610.5 mA 范围。如果为全新传感器，则电流值在3 mA左右；如果是正在使用中的传感器，电流值为9 mA左右。2）在20 s时，停止计时并停止记录采样数据，根据显示屏提示“将校准量规放置在传感器上，金属面朝下”操作后，继续测量和计时，此时的电流标准范围应为2.45.98 mA。3）55 s时，显示屏提示“将校准量规从传感器上方取走”，电流标准范围应为3.03.5 mA。4）80 s时，电流采样值将发生跳变，自动继续计时并记录采样数据，电流标准范围应在9.510.5 mA。直到90 s时，自动停止计时并停止记录采样数据，显示屏提示“按下确认键存储数据曲线”。查看存储的数据曲线，若测试数值全部符合标准，则判定计轴传感器双通道测试正常；如果第一次测试未成功，可再重复测量，若3次以上测量值均不在标准值范围内，则需更换计轴传感器。4 智能校准仪的特点1）操作便利。可在机械室内防雷分线柜上直接检测轨行区内的计轴传感器；而传统方式需前往轨行区打开轨旁箱，并拆除电缆线后测量。2）测试安全。校准仪采用电气隔离式检测方法；而传统方式采用万用表直接测量。3）功能强大。校准仪具有单通道和双通道2种模式，可同时显示计时、实时电流、电流-时间曲线等内容，并且可对计轴传感器进行动态模拟测试；而传统方式需要手持秒表、纸、笔，记录下离散数据，并进行主观分析，操作繁琐，费时费力。图6 校准量规放置示意（室外）94Railway Signalling&Communication Vol.59 No.11 2023YYYYYYYYYNNNNNNNNN开始初始化单片机选择工作模式双通道工作填式按下“测试”按钮后启动双通道A/D测量不对计轴传感器做任何操作(模拟无车轮占用状态)采样并显示测量曲线20 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，在传感器上放置校准量规，金属面朝下(模拟有车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线55 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，取走校准量规(模拟车轮离开过程)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线80 s时间到？再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线(x电流跳变情况)单通道工作模式按下“测试”按钮后启动单通道A/D测量不对计轴传感器做任何操作(模拟无车轮占用状态)采样并显示测量曲线25 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，在传感器上放置校准量规，金属面朝上，校准量规与传感器的中心线对齐(模拟有车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线35 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，推动校准量规，使传感器中心线对齐OFF1右侧边界(模拟无车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线45 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，再次推动校准量规，使传感器中心线对齐ON1左侧边界(模拟有车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线55 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，推动校准量规，使传感器中心线对齐OFF2右侧边界(模拟无车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线65 s时间到？停止计时并停止记录采样数据根据提示，再次推动校准量规，使传感器中心线对齐ON2左侧边界(模拟有车轮占用状态)再次按下“测试”按钮采样并显示测量曲线75 s时间到？根据提示，取走校准量规确认存储测量曲线结束图7 智能校准仪操作方法95铁道通信信号 2023年第59卷第11期4）具备曲线存储功能。校准仪可将同一计轴传感器的3次完整测量曲线进行存储及调用，可供检修人员后续对曲线进行分析。5结论目前该单侧计轴传感器智能校准仪已在苏州地铁经过长期测试后得到工程应用，其测量误差在0.1 mA以内，能够满足计轴传感器校准工作的精度要求，还为检修人员直观地提供测试曲线及标准对照曲线，可以迅速判断计轴传感器的好坏，大大提高了作业效率。经在此电路基础上稍加改进，也可应用于科安达TAZ-型（恒流源供电、电压可变式）电涡流计轴传感器的远程校准工作中。未来设想使用无人检修小车来安放校准量规，即可彻底实现室外计轴传感器无人化检修作业，实现降本增效。参考文献1 周应觉.计轴设备在中国的发展J.铁路通信信号工程技术(RSCE),2014(11):80-82.ZHOU Yingjue.Development of Axle Counting Equipment in China J.Railway Signaling&Communication Engineering(RSCE),2014(11):80-82.2 YANG Jin,TIAN Guiyun,GAO Yunlai.High Reliable Unilateral Inductive Axle Counting Sensor System and ApplicationsC.2016 IEEE Far East NDT New Technology&Application Forum,2016:227-2323 孟臻.浅谈信号系统计轴设备ACM100维护建议J.科技风,2015(13):61.MENG Zhen.Discussion on Maintenance Suggestions of Signal Statistical axis Equipment ACM100J.Science&Technology Wind,2015(13):61.4 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