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智能傳感器及其在高速機車狀態監測中的應用研究
發布時間：2017-09-01
高速鐵路作為當今世界鐵路高新技術的一項重大成就，以其安全性能好、旅行速度快、能源消耗低、環境污染低、經濟效益好等不可比擬的優越性而成為 安全可靠的現代化交通工具，在許多國家得到迅猛發展并日益贏得人們的歡迎和贊賞。而對其車速、軸溫、制動缸和列車管壓力、車廂溫度、列車供電以及其他有關 的輔助設備進行狀態監測和故障診斷是保證列車高速安全運行的重要手段。不斷發展的智能傳感器技術、微型計算機技術、數字通信技術及信號處理技術為之提供了 堅實的技術支持。
傳統的監測儀表以電信號的產生、傳輸、模擬處理和顯示(包括指針指示和數字顯示)為主來反映被測量的變化，存在著嚴重不足：結構尺寸大，傳感器 與儀表之間連線多，中間環節多，系統結構復雜;輸入―輸出特性存在非線性，且隨時間漂移，存在交叉靈敏度;信噪比低，傳輸的模擬信號易受外界噪聲干擾，測 量結果的穩定性和可靠性差。而智能傳感器賦予傳感器與微處理器以智能相結合，兼有信號檢測與信息處理的功能，它將檢測到的信號經過變換處理后，以數字量形 式通過現場總線與高/上位機進行串行通訊，可以大大削減現場與高/上位機之間的一對一連接導線，簡化整個系統的布線和設計，節約初期安裝費用。該類傳感器 具有高精度、高可靠性和穩定性、高信噪比和高分辨率及低的價格性能比等特點，在測量距離遠、安裝空間小、測點多的高速機車狀態監測和過程控制中具有廣闊的 應用前景。該文以DS1820型數字式溫度傳感器為例探討智能傳感器在高速機車軸溫監測中的具體應用。
一、數字式溫度傳感器DS1820
125℃，精度0.5℃。傳感器和上位機之間只須一根總線即可完成信息的讀寫，DS1820本身供電、數據的讀寫和溫度變換所需功率均來自于該 總線，不需要額外的電源。每片DS1820均含有一個惟一的64位硅串行數，通過識別該碼可以區分不同的傳感器，因此可以在一根總線上掛接多個 DS1820，由上位機通過選擇傳感器和硅串行數對選定的傳感器進行讀、寫、啟動轉換和設置報警參數等操作，從而在結構上大大簡化系統設計和安裝維護工 作。
GND為地線，DQ為數據輸入/輸出管腳(單線接口，可作寄生供電)，VDD為電源電壓。DS1820既可以寄生供電又可以外 部+5V供電。寄生供電時，當總線上是高電平時，傳感器從總線上獲得能量并儲存在內部電容上;當總線上是低電平時，由內部電容向傳感器供電。DS1820 由3個主要的數字元件組成：64位ROM;溫度感應器;非易失性溫度報警觸發器TH和TL。64位ROM中前8位為傳感器種類代碼(DS1820均為 10H)，中間48位為每個傳感器惟一的出廠序列編號，后8位為前56位的校驗碼。溫度感應器負責將被測溫度量轉變為電量。TH、TL觸發器用于存儲用戶 設定的溫度報警上、下限TH、TL值。
DS1820測溫原理如圖1―2所示。在DS1820內部有兩個不同溫度系數的晶振，低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻 率的脈沖信號送給計數器1，高溫度系數晶振的振蕩頻率隨溫度的變化而明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。-55℃對應的一個基數值預置在計數 器1和溫度寄存器內，并由計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值加1，計數器1的預置值重新 被裝入并再次進行計數，如此循環直到計數器2的值減到0為止，此時停止溫度寄存器的累加，其內部數值即為當前所測溫度。斜率累加器用來補償和修正測量過程 中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。
DS1820本身可以達到0.5℃的溫度分辨率，為了滿足分辨率的測量需求，還提供了直接讀取計數器和寄存器的途徑。首先，讀取當前溫度值，將 9位數據的最低位舍棄，變成一個8位數據記為A，隨后讀取在門時期停止后留在計數器中的殘留值，記為B，然后再讀取每一度產生的計數個數，記為C，最后運 用下面的公式計算實際溫度值T，可以得到0.1℃以上的溫度分辨率。
T=A+0.75-B/C
二、高速機車軸溫監測系統
機車速度的提高和牽引功率的增大，機車與鋼軌之間的沖擊、動力效應和振動增大，必然會導致機車行走部分的軸箱軸承、牽引電機軸承、抱軸承和空心 軸承的發熱增多。為了保障機車的高速安全運行，開發研制了基于數字式智能溫度傳感器的軸溫監測系統。該系統可根據不同車型隨意增減測溫點數，實時顯示各測 點的溫度，超標時可聲光報警并記錄報警信息。
(一)系統硬件構成
軸溫監測系統的硬件構成如圖2―1所示。為保證系統的安全可靠運行，傳感器與上位機之間采用了環形雙總線串行傳輸方式，當一個總線因故障中斷 時，可自動轉換到另一條總線工作，并有指示燈顯示，不會因某處中斷而影響系統工作。安裝在機車下部的傳感器、接線盒、接插件等都采用防塵、防水的密封結 構，性能可靠，對環境適應能力強。
機車上存有許多大功率電氣設備，如驅動電機、變壓器、制動器、前大燈等，這些設備的動作會使系統的供電電源受到瞬時干擾，為防止影響系統正常工 作，在電源的輸入和輸出端裝入參數適當的磁環以吸收、抑止干擾，在輸入端加裝濾波器進一步減弱干擾。同時，將主電路板上的電源線和地線加粗，使地線有效可 靠接地，可以使瞬時干擾的能量迅速釋放掉。主電路板和電源分開設計并在其間加裝屏蔽鋼板。考慮到三極管的基極受干擾后容易導通，將驅動蜂鳴器等部件的三極 管改為小繼電器，可有效避免誤報警。
(二)系統軟件功能
該系統有3個功能模塊：參數設置、狀態監測和事件查詢。參數設置的核心是傳感器編號的設置，通過總線給傳感器發送指令碼，讀出內部的惟一編號并 存儲在上位機的EEPROM中。狀態監測主要完成上位機與傳感器的串行通訊，首先根據內部編號選定傳感器，啟動溫度轉換，然后上位機接收溫度數據，進行報 警判斷和數據存儲，此時總線上其他的傳感器處于屏蔽狀態，不允許和上位機進行通訊。系統提供了兩種報警方式：絕對溫度(一般為75℃)超標報警和相對溫度 (環境溫度+50℃)超標報警(可根據不同車型和不同測點的要求而自由設定)，同時還能存儲各測點的最大溫升率和對應的發生時間。系統運行一段時間后，有 關技術人員可以調用事件查詢功能模塊查詢此時間段內發生的報警事件和溫度情況，還可通過RS-485接口將數據傳送到PC機或工作站作進一步的分析和診 斷。
當系統受到強干擾而出現程序混亂時，該軟件可自動復位、自行初始化后繼續正常工作。對因瞬態干擾而產生畸變的數據，系統軟件自動多次測量可以避免漏測和漏報警。
三、結論
采用上述軟硬件配置的高速機車軸溫監測系統具有測溫精度高、抗干擾能力強、工作穩定可靠等特點，完全可以滿足高速機車的需要。該系統已應用在 SS7D型高速機車(最高時速可達200km/h)上的軸溫監測中，運行結果證明了其可行性、高可靠性和實用性，也可應用于其他類型的高速機車。
智能數字式溫度傳感器在高速機車狀態監測中的應用大大簡化了系統結構，維護和更換部件更為簡單方便，降低了成本，在技術上較傳統的模擬式溫度測 量有著明顯的優勢。隨著傳感器集成化程度的提高，其智能化程度將得到更大的發展，信號采集、信號處理和信息融合、數據通訊的功能將更為強大，在高速機車狀 態監測與故障診斷及過程控制中將有更廣闊的應用前景，為機車的安全高速運行發揮更重要的作用。
摘自：中國計量測控網
