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基于數字傳感器的斷軌軌道衡數據采集系統設計
2019-11-05 09:41:14 亚博真人: 作者: 【 】 浏览:0次 評論:0

0 引言

我國國民經濟快速發展,國際貿易量日益增長。鐵路運輸因其運輸量大、安全性強、價格低廉等優點成爲我國主要貨運方式,在貨物運輸領域占有相當大的比重。軌道衡作爲鐵路貨運以及各大企業稱重的大型計量設備,擔負著企業原材料及産品的進出廠計量任務,對企業控制成本、提高經濟效益有直接影響[1]

隨著鐵路信息化水平不斷提升,用戶需求愈發多樣化,對軌道衡數據采集系統的實時性、穩定性要求越來越高。現有軌道衡數據采集儀大多基于模擬傳感器,隨著數字傳感器實時性、穩定性的不斷提高,可將數字傳感器應用于軌道衡數據采集系統。

1 动态称量断轨轨道衡

軌道衡由承載基礎、稱量軌、稱重台面、稱重傳感器、數據采集系統、計算機應用系統等部分組成。按照稱量方式可將軌道衡分爲靜態稱量軌道衡和動態稱量軌道衡。動態軌道衡是一種動態稱量運行中的鐵路貨運列車的自動化稱量裝置。動態軌道衡稱重系統的核心功能是動態稱重,要求列車在不停車的情況下,實現對列車各節車廂的自動稱重以及機車、車輛的自動識別,並完成對整列車的重量累加。主要的特點是稱量速度快、效率高[2]

所設計軌道衡爲斷軌單台面動態軌道衡,由引軌、稱量軌、承重梁、過渡裝置、限位裝置、秤體、秤體基礎等組成[3]。承载器设计长度为3.8 m,计量方式为转向架称量。称重系统称量的重量范围为21 t~100 t,称量车速一般为5 km/h~20 km/h。称量准确度达到JJG 234—2012《自动轨道衡》[4]檢定規程確定的准確度1級要求。斷軌單台面動態軌道衡承載基礎結構如圖1所示。

图1 断轨单台面动态轨道衡承载基础结构

图1 断轨单台面动态轨道衡承载基础结构  下載原圖

2 称重传感器选型

传感器作为轨道衡设备中将重量信号转换为可测电信号的装置,其选型至关重要。传感器等级应达到C3级,测量频率满足200/s,重复性、稳定性满足1‰FS要求,并且满足室外工况应用條件。依据性能要求,选用C16i柱式称重数字传感器,能满足动态称量轨道衡称重数据采集稳定性和速度要求[5]。C16i柱式稱重傳感器性能指標見表1。

表1 C16i柱式称重传感器性能指标     下載原表

表1 C16i柱式称重传感器性能指标

传感器采用不锈钢材料,激光焊封,具有较好的防水防潮性能,符合EN 45501:2015《非自动称重仪器的计量》的电磁兼容性要求和GB/T7551—2008《称重传感器》要求[6,7],内置过压保护,具有自装配功能。传感器底部呈弧形,允许最大的负载侧边偏移量S=13 mm,最大偏移角度a=5°,减少了非垂直受力对传感器造成的损伤。安装简单,施工方便。称重传感器安装示意如图2所示。

數字傳感器使用高精度24位ADC進行模數轉換。供電電路采用高精度穩壓器件提供恒壓、恒流激勵輸出,電壓輸入範圍寬,功耗低,同時減小了電壓波動對采集精度的影響。適用于惡劣的工業RS485網絡測量和控制應用。MODBUS-RTU協議用于實現雙向半雙工通信,嚴格的數據驗證措施用于保障數據的可靠性。增強的EMC設計,具有良好的抗幹擾性能。軟件多重驗證,校准數據的多重備份,硬件看門狗邏輯,通信接口無極性化設計,通信接口接錯線保護,保障硬件的可靠性和容錯性。

图2 称重传感器安装示意

图2 称重传感器安装示意  下載原圖

3 数据采集系统硬件软件设计

3.1 系统硬件设计

系統硬件框圖如圖3所示。

图3 系统硬件框图

图3 系统硬件框图  下載原圖

軌道衡數據采集儀硬件電路由ARM控制核心、電源管理模塊、RS485通信接口模塊以及網絡通信接口模塊等芯片外圍電路模塊組成。

(1)ARM控制核心。数据采集仪采用STM32F407芯片作为控制核心,CPU频率最高可达168 MHz,具有丰富的外设资源,性能好,集成度高,满足采集仪电路设计性能要求[8]。看門狗時鍾能夠在程序故障情況下複位MCU,芯片自帶溫度測量功能,能夠實時監測CPU溫度,溫度過高即開啓散熱風扇。

(2)电源管理模块。电源管理电路采用电源管理芯片TPS75003管理电源,以满足系统对内核电压、外围I/O电压以及外围设备的供电电压要求。外部输入24 V电压,经过电源管理芯片转换后,产生3种输出电压12 V,5 V和3.3 V,分别给传感器、串行通讯、网络通讯和芯片供电。

(3)RS485通信模块。传感器与采集仪之间通过RS485实现数据交互,采用四线制差分形式传输,性能可靠,传输距离远。设置波特率为115 200 bps,传输速度快,效率高。

(4)網絡接口模塊。采集儀和工控機之間可視工況選擇串口或網絡通信。網絡模塊選用高性能的W5500以太網芯片。W5500集成了協議棧、數據鏈路層及物理層,爲嵌入式系統提供了簡易的互聯網連接方案。W5500提供的SPI接口能夠與外設MCU完美整合,並支持TCP,UDP,IPv4等多種協議,開發便捷,性能穩定可靠[9]

3.2 系统软件设计

系統程序流程圖如圖4所示。

图4 系统程序流程图

图4 系统程序流程图  下載原圖

系統上電後,單片機初始化MCU、串口、網口等多種外設。初始化正常,上位機通過網口或串口發送上位機指令,設置采集儀相關參數。采集儀接收到上位機指令後,通過串口向四路傳感器發送數據讀取指令,等待傳感器數據返回串口中斷。當串口中斷産生,采集儀接收傳感器數據,解析、判斷數據有效性並組幀。若數據准確,則將采樣數據打包通過網口或串口發送給上位機軟件,以待後續存儲、處理及顯示。否則,生成錯誤報告,發送至上位機。

4 现场检衡试验

采用该系统的动态电子轨道衡设计安装调试完成后,设备正式投入运营之前,需要通过国家轨道衡计量站的检定试验。检定以JJG 234—2012为依据[10],检定车速范围为5 km/h~16 km/h,检定分度值为200 kg,双方向计量。检衡车通过轨道衡台面时,传感器动态称量波形如图5所示。

图5 传感器动态称量波形

图5 传感器动态称量波形  下載原圖

通道1—4合成波形如圖6所示。

图6 通道1—4合成波形

图6 通道1—4合成波形  下載原圖

由图5、图6可以明显观察到,波形开始为机车,接着是按检定规程编组顺序(68 t检衡车—76 t检衡车—50 t检衡车—84 t检衡车—20 t检衡车)的5辆检衡车。波形清晰,边沿抖动较少,经过称重软件滤波处理后,能准确计算出装载货物车辆重量。车辆称量准确度等级为1级,符合动态电子轨道衡相关技术條件要求。

5 结语

依據用戶的實際使用需要,設計一種基于數字傳感器斷軌軌道衡數據采集系統。能夠同時實現四路傳感器數據信號采集、處理、組幀和保存,並且能夠通過上位機實現數據實時顯示、波形分析、重量值計算及數據采集各項參數的設置。基于該系統的動態電子軌道衡通過了國家軌道衡計量站檢定,已經投入生産使用。測量範圍、准確度等級和最大允許誤差滿足要求,稱重准確,性能穩定。

Tags:地磅 責任編輯:admin
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