机车运行参数实时监控装置研制

范天祥 中国铁路上海局集团有限公司上海机务段

机车蓄电池电压、受电弓风压以及主变压器油温均为机车的主要运行参数，直接影响电力机车是否能正常使用。目前相关参数需要乘务人员到特定地点观察，不能实时掌握，给机车安全运用带来较大不便。研制“机车蓄电池电压、升弓风压、主变压器油温实时监控装置”（以下简称“装置”）不仅能对以上关键数据集中实时监测，还能在被监测对象出现异常时给予报警提醒，及时采取相应措施处理，避免事故进一步扩大而影响行车安全。装置能提高机车运用效率，降低乘务员的劳动强度，减少机车运用的安全隐患。

1 研制目标

装置对各项参数实时采集、处理，判断机车状态是否符合要求，准确、快捷地反映机车相应设备的当前工作状态，通过CPU处理器的内置标准值进行比较和处理，监测到异常时，能实时报警和提醒,在终端显示器直观显示并语音报警提醒，省工省力，有效降低乘务员劳动强度，保障机车运用的安全。

2 设计方案

集成了主变压器油温信号、受电弓风源压力信号、蓄电池电压信号的多路监测功能，以完成机车在运用时对机车各项关键数据实行全面监测。

装置实时采集机车各项关键数据，对机车运行状态实现监控及报警。由LCD显示器数字直观显示，并确认机车各项关键数据是否正常。

装置的终端显示器采用高分辨率彩色液晶显示器及高质量的喇叭，显示界面清楚、直观，语音提示清晰、准确。

装置有电参数测量和提醒报警信号产生两大功能。为了提高实时性，及时采集电力机车在运行中的各项参数，以便发现各项关键数据是否异常。采用了CPU集中控制处理的电路结构，实现系统的高效化。

3 主要组成

装置主要由CPU控制单元、电源部分、检测控制部分、信号调理部分、报警提醒以及显示终端部分等组成。

3.1 CPU控制单元

为了能同时实现多种信号发送和多路信号测量，满足实时性的要求，检测装置采用了32位的STM32F103系列ARM微处理器。利用其处理能力强、运算速度快、功耗低、接口多的特点，完成了数据的采集、参数设定、信号处理运算与输出等工作。

3.2 电源部分

装置输入电源为机车控制电源，技术条件为DC77V～137.5V。考虑到可靠性及抗干扰性，电源系统采用模块化电源，在电源的输入/输出部分充分考虑电子系统的EMI，符合机车相应规范。

3.3 检测控制部分

（1）电流、电压信号调理电路

本装置设置了两路电流/电压信号调理电路,一路用于监测受电弓风源压力信号，另一路预留，以满足对其他设备监测的需要。原理图见图1。

图1 电流、电压信号调理电路

运算放大器选用LM258，它具有高增益、低漂移、分辨率高、线性度好、输入阻抗高、抗干扰能力强等特点。选用的取样电阻R62为0.1%的超高精度电阻，提高了信号转换的精度，确保了后续信号处理准确性。

本电路电阻R61为0 Ω，电阻R62为250 Ω，将受电弓风源压力变送器送出的4 mA～20 mA信号转换成1V～5V的电压信号,经过由运放组成的射级跟随电路后输出，经限幅滤波后送入A/D采样。

（2）温度信号调理电路

本装置设置了两路温度信号调理电路，一路用于监测主变压器油温信号，另一路预留，以满足对其他设备监测的需要。原理图见图2。

图2 温度信号调理电路

运算放大器选用也是LM258，此电路中所有电阻均为0.1%的超高精度电阻，保证了信号转换的精度，确保了后续信号处理准确性。

本电路中的电桥测试所用的+3V为REF3030输出的参考电压，输出精度为0.2%，保证了对PT100铂电阻测试的稳定。电路中电阻R81、R82、R83为100Ω，电桥输出的电压为PT100铂电阻在100Ω以上的电压差0mV～61.24mV（对应0℃～120℃），经过运放U12组成的放大电路（放大50倍）后输出0V～3.062V，经限幅滤波后送入A/D采样。

（3）语音功放电路

语音信号由专用语音芯片输出后，进入由TDA2003功放芯片组成的功率放大电路，此芯片驱动能力最大可达10 W，输出级经由电容滤波后驱动喇叭。此电路的特点是语音信号不失真，工作稳定，带负载能力强，可靠性高。原理图见图3。

图3 语音功放电路

（4）开关量信号处理电路

110V开关量信号经过电阻R31、R32分压，电容C31滤波后由光耦U8输出3.3V电平，再经电阻R34和电容C32的限流滤波后输出。原理图见图4。

图4 开关量信号处理电路

3.4 信号调理部分

（1）温度信号采用的是PT100铂热电阻，通过输入恒流源将电阻转换成电压信号再做后续处理。在A/D采样前端需对温度对应产生的电压信号进行变换、调理、滤波等处理，以保证单片机采用信号的真实、准确。

（2）压力信号采用的是通过压力变送器转换为电流型信号，信号处理电路相对简单。在单片机采用前端需对压力变送器信号进行变换、调理、滤波等处理，以保证单片机采用信号的真实、准确。

（3）蓄电池电压信号采用的是通过电压传感器转换成电压型信号，信号处理电路相对简单。在单片机采样前端需对电压传感器信号进行变换、调理、滤波等处理，以保证单片机采用信号的真实、准确。

（4）开关量输入信号是为满足系统对机车工作状态的识别，为此，系统设计了一路输入通道，其输入电平为DC110V，通过光电隔离后转换成单片机能识别的电平信号。

3.5 报警提醒以及显示终端部分

单片机生成报警控制信号，控制语音芯片将预置的语音信息通过功放后驱动喇叭发声。

显示终端采用液晶屏加喇叭组合，显示终端与装置主机采用通讯的方式实现信息交换，主机将所需显示的各种信息发送给显示终端进行显示及语音播放。

4 主要性能及技术指标

4.1 使用环境条件

（1）输入电源电压：DC77V～137.5V；

（2）环境温度范围：-25℃～70℃；

（3）环境湿度范围：相对湿度≤95%（25℃时）。

4.2 技术参数和指标

（1）主变压器油温范围：0℃～120℃；

（2）受电弓风源压力范围：0 kPa～1 000 kPa；

（3）蓄电池电压范围：DC77V～137.5V；

（4）电钥匙开关量信号：>60V，高电平，<20V，低电平。

5 结束语

机车蓄电池电压、升弓风压、主变压器油温实时监控装置的研制成功并投入使用以来，能够对运行机车蓄电池电压、升弓风压、主变压器油温进行实时监测，并对发生异常情况进行报警提示，方便了乘务人员对机车关键参数的查看，更为机车运行安全带来保障。