动车组轴温报警系统主机检测装置研究

刘怡1    ,朱彦平1  ,徐斌2 ,张泽2

1中国铁路武汉局集团有限公司科学技术研究所 武汉 430070 2中国铁路武汉局集团有限公司武汉动车段  武汉430075

摘 要：动车组轴温报警系统是动车组安全保护系统的重要组成部分之一，目前对于轴温报警系统主机的检测方法还较为原始，效率低的同时还存在安全隐患，本文对动车组轴温报警检测原理进行分析，采用数字电位器替代动车组轴温传感器并通过单片机对数字电位器进行控制，实现了轴温的精确模拟和控制，同时通过人机交互界面实现智能化操作，大大提高了动车组轴温报警系统主机功能检测效率。

关键词：轴温报警系统 ；数字电位器；单片机；智能化

Abstract: The EMU axle temperature alarm system is one of the important components of the EMU safety protection system. At present, the detection method for the main engine of the axle temperature alarm system is still relatively primitive, with low efficiency and potential safety hazards. This paper analyzes the detection principle of the EMU axle temperature alarm, uses a digital potentiometer to replace the EMU axle temperature sensor, and controls the digital potentiometer through a single chip computer, The accurate simulation and control of the axle temperature are realized, and the intelligent operation is realized through the human-computer interaction interface, which greatly improves the function detection efficiency of the main engine of the EMU axle temperature alarm system.

Keywords: axle temperature alarm system; Digital potentiometer; singlechip; Intelligence

0 引言

动车组轴温报警系统是通过在动车组各转向架轮轴、齿轮箱、牵引电机等设备上安装温度传感器，并在系统中设定预警及报警温度值，通过列车网络进行轴温实时显示监控，当温度超过相应温度时进行预警或报警。目前动车组在高级修时需对动车组轴温报警系统主机功能状态进行检测，原始调试方法使用热风枪对传感器安装部位进行烘烤加热，模拟温升，验证报警功能，该方法试验耗时长且温度不易控制，而且在对传感器安装部位加热的过程中，对传感器密封腻子和电缆也进行了加热，影响了外围配件的使用寿命，因此，研制智能化的轴温报警系统主机检测装置很有必要。

轴温报警系统主机检测装置采用无损嵌入方式替代传统物理加热方式，以数字电位器作为温度补偿元件，通过嵌入式单片机调节数字电位器阻值来模拟轴温变化，通过智能操作界面实现轴温定向输入，从而快速进行主机功能检测。

1 研究背景

近年来，随着中国高速铁路发展，高速动车组的运用数量持续增加，人们也越来越重视其运行的安全性。高速动车组设计时充分体现了安全导向，对各个系统或关键部件都设置了安全监控功能，因此在动车组整车组装、性能调试、维修测试等过程中，都需要对每个安全环节进行故障试验测试，看似简单的测试，实则关系着整个动车组的安全命脉。

动车组轴温报警系统是安全保护系统的重要组成部分之一，通过在动车组转向架轮轴、齿轮箱、牵引电机等设备上安装温度传感器，并在系统中设定预警及报警温度值，通过列车网络进行轴温实时显示、监控，当温度超过相应温度时进行预警或报警，并通过网络系统输入控车指令，确保动车组运行安全，动车组高级修时均需要对动车组轴温报警系统功能进行检测。

2现状及存在问题

目前对于轴温报警系统功能的检测，还存在使用热风枪对传感器安装部位进行烘烤加热的方式，模拟温升，验证报警功能，该方法试存在以下几点主要问题：

（1）操作不便，该方法试验耗时长

人工使用热风枪对传感器进行加热的方法，需要检测人员长时间使用热风枪对于检测部位进行加热，这样一个个的进行加热，这个过程非常的繁琐，那么多轴承传感器所需要花费的时间非常长，非常消耗检测人员的精力

（2）检测过程中温度无法精准控制

利用人工对于动车组轴温报警系统进行检测时，使用热风枪对传感器进行加热时只能凭借检测工作人员的经验与感觉来判断是否加热到足够温度，或者得拿测温计一个个测量轴承温度，这样不仅麻烦而且无法精准控制升高的温度，无法对动车组轴温报警系统进行精准的检测

（3）影响外围配件的使用寿命

在对传感器安装部位加热的过程中，温度的提升对传感器密封腻子和电缆也进行了加热，这样很容易导致元器件出现问题，影响了外围配件的使用寿命，导致动车组轴温报警系统在检测之后无法正常运行，出现配件受损的情况。

3动车组轴温报警系统组成及原理

3.1动车组轴温报警系统组成

动车组轴温报警系统主要由五部分组成：温度传感器、信号传输线路、温度检测单元、终端装置，系统原理示意图如3.1 所示：

图3.1动车组轴温报警系统架构图

动车组轴温报警系统的工作原理如下：首先温度传感器将变化的温度量转变为电压模拟量，模拟信号经过车下信号传输线路及转接端子传输至控制柜，控制柜中的温度检测单元将模拟信号转变成数字量进行处理，得出一组当前轴温温度值：一方面与系统中预设的温度预警及报警值比较，当实时温度在一定时限内一直高于系统预设值时，将会触发继电器开关执行相应的预警或报警动作，如果需要，则会自动触发全列紧急制动停车；另一方面，各节车厢控制柜中解析出来的温度信息将被通过列车网络实时传送到终端装置，通过 MON 屏可以随时调出实时温度信息进行显示。

以CRH380A型动车组为例，动车组轴温报警系统监测项点共计232个，见图3.2，温度传感器分别设置于转向架的轴箱、牵引电机、齿轮箱，其中1个轴箱设置一个温度传感器，1个电机设置3个温度传感器（定子端、电机非传动端、电机传动端），1个齿轮箱设置4个温度传感器（小齿轮轮对侧、小齿轮电机侧、大齿轮轮对侧、大齿轮电机侧），安装位置示意图见图3.3。

//图3.2 轴温报警系统监控点设置

图3.3 轴温传感器安装位置示意图

3.2动车组传感器测温原理分析

采用逆向分析法，分析动车组轴温传感器特性与测温原理。

动车组轴温传感器采用PT100热敏电阻进行温度检测，它的主要成分是铂，温度特性好，稳定性好，耐酸碱性好，根据铂丝的阻值与温度的变换关系呈线性变化，PT100后的100表示它在0℃时阻值为100欧姆，PT100的 R/T 关系的线性度十分好，在-200～600℃内线性度几乎满足直线关系,Pt100的电阻—温度关系曲线如图3.4。

图3.4
PT100的电阻-温度关系曲线

PT100是将温度的变化转变成电阻的变化，然后加入外部激励，根据PT100的分压比，在经过AD转换电路将其转变成数字量，然后根据一定的换算关系，由 MCU计算出对应的温度值。其原理如图3.5所示。

图
3.5 PT100测温原理图

PT100的测温电路采用恒流源接法。恒流源输出的是一个恒定的电流，不会随外部电路变化而变化，当 PT100通过一个恒定的电流时，其上的分压与电阻变化成正比，可以通过分压的大小来计算温度值，恒流源的输出电流大小要合适，电流过小采集的信号就会很小，电流过大又会产生热效应，使测量结果不准确。 动车组采用了三线制接线方法，通过公共端的引入，可以巧妙的消除线缆电阻的影响，接线示意图见3.6（图中R_Wire表示线电阻）。

图3.6 三线制接线

4技术改进方案

针对现车调试试验过程中存在的问题，根据轴温报警原理以及PT100的接线方式及测温原理进行了分析研究。使用电阻可调单元取代原PT100传感器，采用模拟分析法将其电阻-温度曲线调节到与PT00电阻一致，再通过对电阻可调单元进行控制，就可以达到模拟轴温变化的效果，从而无需人工加热就能快速实现动车组轴温报警主机功能检测。此外考虑检修单位信息化管理需求，设计开发人机交互界面，实现检修数据的查询、存储及传输功能，整体方案设计示意图如4.1。

图4.1 整体方案设计

5系统开发

5.1实施方案比选

5.1.1电阻可调单元

针对动车组温度测量设备，需要长寿命，重复性好的电阻可调单元模拟PT100的特性。

选型方案1：机械电位器+电机+PID闭环控制

PT100的电阻特性是0度为100欧姆起，机械电位器的优势是可选择的可调电位器电阻范围接近电阻特性范围，而且生产厂家多，使用广。机械电位器通过连接器和电机的方式实现电动调整电阻，为了精密可调需要配备AD高速采样，采用PID闭环控制，利用算法保障采集的延迟和电阻的精度，示意图如5.1。

图5.1 机械电位器示意图

选型方案2：数字电位器+控制单元

数字电位器亦称数控可编程电阻器，是一种代替传统机械电位器（模拟电位器）的新型CMOS数字、模拟混合信号处理的集成电路。数字电位器由数字输入控制，产生一个模拟量的输出，示意图如5.2。数字电位器的优势：在写次数上，数字电位器就拥有明显的优势，其写次数很容易达到50000，而机械式电位器的调节次数一般只有几千次或几百次。目前市场上提供的数字电位器的分辨率在(32级5位)到256级(8位)甚至更高。数字电位器可以通过传统的I2C或SPI接口进行编程，通过普通单片机即可实现。

   图5.2 数字电位器示意图

对比项目	机械可调电阻方案	数字电位器方案
体积大小	大	小
精度	高，可达到0.1欧姆约0.3℃	低，最小为1KΩ，1档位约15℃
能耗	高	低
复杂度	高	低
抗恶劣环境	低	高
寿命	短	长
重量	每个通道约0.8KG	忽略不计
成本	高	中
选型范围	广	少

对比上述两种方案，数字电位器具有成本可控，体积小，寿命长，能耗低等多种优点，缺点是精度过低，不满足动车组轴温报警系统测试条件要求，但可以通过优化硬件电路进行改进，本项目选用第2种方案设施。

5.1.2上位机

由于是开发移动设备，功耗、体积、重量、性能都是考虑因素，考虑范围内有3种方式：安卓开发板+触摸屏；Liunx主板+触摸屏；嵌入式的组态屏幕。

对比项目	安卓开发板	Linux主板	嵌入式组态屏幕
功耗	高	低	低
重量	340g	150g	180g
启动速度	慢（1分钟）	快（4秒）	快（3秒）
运行环境	Android	Linux 内核	嵌入式操作系统
开发扩展性	Java、C等	C、三方组态软件	Lua、组态软件
开发周期	一般	慢	快
开发成本	一般	较高	一般
扩展接口	强	一般	无
是否支持WiFi	是	是	否
是否支持内存卡	是	是	是
厚度	18mm左右	10mm左右	10mm左右

根据多个参数的比较选择Linux主板，优点在于体积小、重量轻、续航长符合此次项目的选用标准，缺点是开发成本较高，此次开发成功后不需要更多的维护和扩展，开发成本高是可接受的方案。

5.2硬件系统开发

根据整体设计方案及实施方案比选结论，硬件系统主体包括电阻可调单元、控制单元、测温单元和人机界面，硬件开发结构示意图如见图5.3，硬件电路原理见图5.4。

图5.3 硬件结构示意图

图5.4 硬件电路原理图

5.3软件系统开发

软件系统开发主要包括两个部分，一部分是上位机显示屏幕上进行的人机交互界面设计开发，另一部分是单片机上应用程序的设计开发。其中上位机的人机交互软件设计，使用自带Liunx操作系统主板的显示屏幕，只需要对显示界面进行设计，与单片机进行交互显示对应的操作，通过串口通信对单片机下达对应的指令，单片机选用STM32单片机，使用C语言在keil软件进行编写程序，让单片机能够根据上位机的指令对于模块进行控制与检测，软件系统开发的结构示意图如5.5，轴温模拟报警系统由人机界面、测温电路、控制单元、电阻可调单元构成，如图5.6。

图5.5 软件系统组成示意图

图5.6 软件操作界面

6 系统功能及技术指标

6.1 主要功能

（1）系统能检测动车组轴温传感器状态是否正常。

（2）系统能真实模拟动车组轴温传感器温升信号，快速进行动车组轴温报警系统主机功能检查。

（3）系统提供了手动、自动两种轴温调节模式，方便现场选择使用。

（4）系统具有温度传感器实时温度实时显示、记录功能，可对作业过程进行追溯。

（5）系统预置了无线传输接口，后期可与EMIS进行数据贯通。

6.2 主要技术指标

（1）内置DC12V电源，满足续航时间6个小时及以上。

（2）可模拟的温度范围为-45℃-300℃。

（3）温度调节精度为1℃。

（4）触摸屏尺寸不小于10寸，分辨率不低于1024x600。

（5）数据存储采用外部Micro SD卡的方式，最大支持64G存储。

6.3 功能简介

6.3.1温度检测模块

温度检测功能界面通过选择不同车辆类型显示对应通道的测量温度，选中 T车，CN1-4按钮隐藏，选中M车CN1-4显示，可自行切换对各个轴承的实时温度进行显示，左边会显示对应的温度曲线，同时温度曲线和每个通道的文字颜色对应，便于工作人员检测。

图
6.1 温度检测功能模块

6.3.2手动试验模块

手动试验模块满足人工进行温度设定需求，通过人工勾选所需要模拟温度的通道，右侧按钮点击温度控制按钮进行改变，设置±5℃，±1℃两种模式，可根据实际需求进行温度模拟，具备重置温度功能：所有发送温度重置到25℃。

图
6.2 手动试验模块

6.3.3自动试验模块

由于实际操作中调试轴箱温度比较繁琐，自动试验模块提供预先设定好的温度检测程序存储在设备的SD卡中。实际检测过程中只需要在SD卡中寻找设定好的试验程序就可以完成系统主机自动检测试验，大大提高作业效率。

图6.3 自动试验模块

6.3.4记录查询模块

报告列表按时间倒序存档，检测人员需要调取检测历史记录时，找到对应的检测时间，点开查看检测报告即可对检测历史记录进行查询。

图6.4 记录查询模块

结束语

动车组轴温报警系统主机检测装置在武汉动车段运用效果良好，该系统能够反向检测动车组轴温传感器状态，真实模拟动车组轴温传感器温升信号，从而快速进行动车组轴温报警系统主机功能检查，系统提供了手动、自动两种轴温调节模式，方便现场选择使用，此外系统具有温度传感器实时温度实时显示、记录功能，可对作业过程进行追溯，避免检测漏项。

运用期间内，该系统工作稳定，各项功能达到了预期目标，现场试用效果良好。有效提高了现场作业效率，降低了人员的操作强度及人因失误。

参考文献

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