CN100437644C - 机车信号运行监测及隔离系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机车信号监测及隔离系统。该系统主要由机车信号监测及隔离装置，手持设备、管理计算机组成，手持设备通过串口将信号监测及隔离装置采集到的数据记录转存到其存储器中，然后通过串口与管理计算机通信，将记录数据导入管理计算机进行分析处理、统计，打印报表和运行曲线。本发明机车信号监测及隔离装置部分安置在机车上，可对机车信号连续监测、隔离并进行实时分析和处理，及时排除行车安全隐患，从而保障机车安全运行。本发明采用标准接口，可以对任何机车信号系统进行监测，适用范围广。

Description

机车信号运行监测及隔离系统

技术领域

本发明涉及机车信号监测技术，特别是一种机车信号运行监测及隔离系统。

背景技术

传统的机车运行信号系统是以地面信号为主，机车信号为辅。随着列车运行速度的提升，机车运行信号系统逐步发展为以机车信号为主，地面信号为辅的信号系统，机车信号也逐渐成为列车运行的主要信号引导，机车信号是否稳定可靠将直接关系到列车的运行安全。为保证列车安全运行，必须对机车信号进行全程监测，现行的办法是依靠有经验的维护人员，凭经验判断机车信号运行故障成因，适时进行清障维护，以保证机车信号运行稳定无乱码。但这种方法对维护人员要求较高，而且准确性往往因人而异，不够稳定，难以保证机车信号运行故障都能够得到及时排除。

发明内容

本发明的任务是：提出一种机车信号运行监测系统，该系统可对机车信号参数进行实时采集、分析和处理，普通值班人员根据报表即可排除故障。

本发明因此提出一种机车运行信号监测及隔离系统，该系统由一台机车信号监测及隔离装置、一台手持设备和一台管理计算机组成。机车信号监测及隔离装置由电源模块、电压采集模块、感应电压采集模块、八路信号灯采集隔离模块、公里标读取模块、漏电流传感器、单片机系统等组成。其中电压采集模块用于监测机车输入电压的变化和机车信号电源电压输出的变化，当该电压超出规定范围时，即把当前电压值连同当前监测的其它参数包括当前时间、公里数作为一条记录保存到专用存储器中，其余时间只监测不记录；感应电压采集模块用于监测轨道电路感应电压值的大小。当机车信号灯出现调白灯和频繁跳变时，即把当前此感应电压值连同当前监测的其它参数，包括当前时间和公里数等作为一条记录保存到专用存储器中，其余时间只监测不记录；八路信号灯采集模块用于监测八路信号灯和上/下行开关状态。当八路信号灯出现调白灯和频繁跳变时或上/下行状态改变时，即将当前灯位和上/下行状态连同当前监测的其它参数，包括当前时间和公里数等作为一条记录保存到专用存储器中，其余时间只监测不记录。漏电流传感器用于监测机车输入电压对机车车体的漏电流的变化。通过漏电电流可计算出机车输入电压对车体的绝缘电阻值，当绝缘电阻小于规定范围时，即把当前此绝缘电阻值连同当前监测的其它参数，包括当前时间、公里数等作为一条记录保存到专用存储器中，其余时间只监测不记录。单片机系统由单片机、存储器、时间系统及串口等构成，执行如下程序：系统初始化，确定各端口的功能，设置串口波特率、A/D采样率、采样间隔，打开定时器和全局中断，系统进入等待状态：如果采样时间到，系统进入采样定时中断服务程序，采样定时中断服务程序完成对所有参数的采集和处理；如果本次采集中有某项参数超标，则将本次采集的所有参数连同时间和公里标信息记录到专用存储器中；如果本次采集中无超标参数，系统直接返回主程序，等待下一次采样时刻的到来。手持设备由CPU、显示屏、键盘、串口等构成，通过串口将机车信号监测及隔离装置采集到的记录数据转存到手持设备的存储器中，然后通过串口与管理计算机通信，将记录数据导入管理计算机中进行分析处理、显示、打印。

本发明的机车信号监测及隔离装置安置在机车上，可对机车信号连续监测、隔离并进行实时分析和处理，普通值班人员根据报表即可排除故障，从而保障机车运行安全。本发明可通过手持设备，实现对每台机车信号监测及隔离装置进行机车车号，运行区段，日期，时钟校对等管理操作，使用范围广。

附图说明

图1为本发明组成结构框图         图2为信号监测及隔离装置模块关系图

图3为电压采集模块原理图         图4为感应电压采集模块原理图

图5为八路信号灯采集模块原理图   图6为公里标读取模块原理图

图7为单片机系统工作程序流程图   图9为采样定时中断服务程序流程图

图8为串口服务程序流程图

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明组成结构框图，如图所示，本发明由机车信号监测及隔离装置、手持设备和管理计算机三部分组成。机车信号监测及隔离装置通过串口、手持设备、串口与管理计算机相连，由电源模块、电压采集模块、感应电压采集模块、八路信号灯采集模块、公里标读取模块、漏电流传感器、、单片机系统等组成。单片机系统由单片机、存储器、时间系统、串口等构成。

图2为机车信号监测及隔离装置模块关系图，描述了各个模块和主板之间的连接关系，图中标有“。”的电路端子都是系统通过航空插头与外部设备的接口，系统与外部设备的接口采用了规定的格式，此接口形式使系统能与不同的机车信号系统兼容，且便于安装，只要将对应的插头互相对插即可。

机车110V输入电压经过漏电流传感器后接入机车信号监测及隔离装置，一方面它接到装置的电源模块上，经电源模块的DC/DC变换，为装置提供工作电压；另一方面，它作为装置监测的参数之一接到电压采集模块上，通过电压采集模块的隔离和线性变换，输入到单片机的A/D采样端口0，由单片机进行采样和处理。漏电流传感器将漏电流的大小转换成电压量输出，此电压量直接输入到单片机的A/D采样端口2，由单片机进行采样和处理。如果机车110V输入电压对机车车体有漏电流存在，漏电流传感器将有电压输出，此漏电流与漏电流传感器的电压输出成线性正比关系，即U(输出电压)＝K*I(漏电流)。机车信号电源50V输出电压也作为本发明需要监测的参数之一接到机车信号监测及隔离装置的50V输入的接线端子上，通过电压采集模块的隔离和线性变换，输入到单片机的A/D采样端口1，由单片机进行采样和处理。感应电压的采集是将轨道电路感应线圈的两端分别接到感应电压采集模块的S1和S2端子上，此感应线圈的输出为一个交流小信号，经感应电压采集模块的隔离、线性放大和真有效值变换后，成为直流电压量输入到单片机的A/D采样端口3，由单片机进行采样和处理。机车八路信号灯状态(L、LU、UU、U、U2、HU、H、B)和上/下行状态(U/D)分别通过接线端子接到八路灯信号采集模块，由八路信号灯采集模块进行隔离和线性变换，输入到单片机的9个通用输入/输出端口，由单片机采集这9个端口的电平状态来判断机车信号灯和上/下行状态。

单片机每隔500ms采集一次信息，并将它们看作一条记录，在采集完成每条记录后要对这条记录进行处理，判断这条记录中的每条域是否存在超出机车信号运行正常的情况，如果有，单片机则从时间系统和公里标采集模块读取当前时间和公里数，并将这条记录连同时间和公里数保存到专用存储器内，值班人员可通过手持设备将所有的记录传到管理计算机进行分析处理。

图3所示为电压采集模块原理图。为了保证机车信号系统不受本系统的影响，系统在对机车110V电压和机车信号电源输出50V电压采集时，采用Slc800精密线性光耦合器对采集的电源量进行隔离。Slc800精密线性光耦合器由红外光LED照射分叉配置的一个隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成。反馈光二极管吸收LED光通量的一部分而产生控制信号，输出光二极管产生的输出信号与LED发出的伺服光通量成线性比例。Slc800是以电流方式工作的，它的发光管LED的工作电流I_F工作在1-10mA左右，因此用运算放大器作为输入以驱动LED，反馈光二极管产生电流I_P1流过R15+R16，R15+R16接到输入运放的反相输入端。光电流I_P1的值满足关系式I_P1＝V_I/R15+R16(V_I为输入模拟电压)，此电流与LED电流成正比，比例系数为反馈传输增益K₁(K₁＝I_P1/I_F)。同样输出光二极管产生的电流I_P2流过串联的R11和R13，且两串联电阻接到输出运放的正相输入端，输出运放的输出端与反相输入端相连，所以线性隔离后的输出电压V₀满足关系式V₀＝I_P2*(R11+R13)，此电流与LED电流成正比，比例系数为正向传输增益K₂(K₁＝I_P2/I_F)。电阻的选择基本上满足R15+R16≈R11+R13，有输出关系V₀＝V_IK₃(R11+R13)/(R15+R16)，K3为传输增益，是正向增益与伺服增益之比，及K3＝K2/K1，K3的典型值为1。为了抵消K3造成的线性偏差通过调整电位器R16和R11使K3(R11+R13)/(R15+R16)＝1，来补偿K3超出部分，使输入和输出的线性关系比较理想。

图4示出了感应电压采集模块原理图。为了不至于对机车信号主机接收轨道感应信息造成影响，保证行车安全，在轨道感应线圈和AD736芯片的输入端之间插入一个隔离放大器ISO124，轨道感应电压经ISO124隔离后输入到AD736的高阻抗输入端，对输入的感应电压进行“平方→求平均值→开平方”的运算而得到感应电压的有效值。

图5示出了八路信号灯采集模块原理图。八路灯信号采集模块将八路信号灯状态经隔离后提供给其它用户设备使用，这种经隔离后的八路灯信号，当其它用户在使用过程中出现对这些信号的短路、过流、过压等不正确操作时，将不会对机车上的八路信号灯状态造成影响。为了保证采集时系统不会影响机车上八路灯信号和上/下行的状态，八路灯信号和上/下行开关量的采集选用光耦隔离器TLP521-4和4N35两种芯片。TLP521-4和4N35在用法上完全相同，TLP521-4是四路的光耦隔离器，4N35只是一路光耦隔离器。当某路信号为高电平50V时，经分压和稳压后使光耦的输入端的发光二极管导通，导致光耦隔离器的输出端光敏三极管饱和导通，对应输出为高电平。反之，当某路信号为低电平0V时，光耦输入端的发光二极管不导通，导致光耦隔离器的输出端光敏三极管关断，对应输出为低电平。

图6所示为公里标读取模块原理图。列车TAX2箱每隔50ms以RS-485格式实时向外发送一次列车信息，其中包括列车的公里标信息。为了保证系统在工作中不会影响TAX2，公里标读取芯片选用了电器完全隔离的RS-485通信数据接口芯片MAX1480B，MAX1480B的信号和电源通过隔离阻挡层传递。电源由逻辑侧(非隔离侧)通过中心抽头变压器传递到阻挡层的隔离侧，通过阻挡层的信号经由光耦合器传到逻辑侧。它一般具有隔离几千伏峰值的能力，能使检测单元的数据不受干扰，也使系统出了故障而不影响其他单元。公里标信息经MAX1480B转换成RS-232格式的信息，由单片机的UART口接收，图中74HC86芯片用于控制信号的发送。

图7是机车信号监测及隔离装置的单片机工作程序流程图，即单片机对数据采集和处理的程序流程图。如图7所示，在上电复位后，单片机首先进行系统的初始化，确定各端口的功能，并设置串口波特率(19200bps)、A/D采样率(8MHz/16)、采样间隔(500ms)，并打开定时器和全局中断，系统进入等待状态。如果采样时间(500ms)到，系统进入采样定时中断服务程序，如9所示，采样定时中断服务程序中完成对所有参数的采集和处理。如果本次采集中有某项参数超标，则将本次采集的所有参数连同时间和公里标信息记录到存储器中。如果本次采集中无超标的参数，系统直接返回主程序，等待下一次采样时刻的到来。

机车信号监测及隔离装置安装在机车上，机车在出车前应该进行一次校准，即操作人员通过手持设备从管理计算机取得当前时间和本机车的机车编号，通过对机车信号监测及隔离装置的校准操作，将这些初始化信息下载到本装置上。同时值班人员需要获取本装置的数据时，也可通过手持设备将本装置采集的超标数据传送到管理计算机进行分析、统计、打印和显示。这些通过手持设备的“校准”和“取数”操作都是通过串口通信实现的。机车信号监测及隔离装置在初始化完毕后，除了进行参数的500ms定时采样外，如有串口通信中断请求，则进入串口中断服务程序中，如图8所示，串口中断服务程序首先判断是“取数”还是“校准”命令，如是“取数”命令则将所有保存在存储器的记录传给手持设备，如是“校准”命令，则从手持设备接收当前时间和机车编号信息。该装置监测周期为0.5秒，即每隔0.5秒对所有影响机车信号的参数采集一次，所有采集均为光电隔离工作模式。

Claims (5)

1、一种机车信号运行监测及隔离系统，其特征在于：该系统包括一台信号监测及隔离装置、一台手持设备和一台管理计算机，该信号监测及隔离装置由电源模块、电压采集模块、感应电压采集模块、八路信号灯采集模块、公里标读取模块、漏电流传感器和单片机系统组成，电压采集模块经过漏电流传感器与机车输入电压相接，用于监测机车输入电压的变化，通过一个接线端子与机车信号电源输出电压相接，用于监测机车信号电源电压输出的变化；感应电压采集模块通过另一个接线端子分别与轨道电路感应线圈两端相连，用于监测轨道电路感应电压的变化；八路灯信号采集模块通过再一个接线端子与机车八路信号灯状态L、LU、UU、U、U2、HU、H、B和上/下行状态U/D连接，用于监测八路信号灯和上/下行状态；漏电流传感器通过与上述不同的接线端子分别与电压采集模块、电源模块及机车输入电压相连，用于监测机车输入电压对机车车体漏电流的变化，并分别输入到单片机的相应采样端口，由单片机进行采样和处理；该手持设备由CPU、串口、显示屏和键盘构成，可通过串口将机车信号监测及隔离装置采集的记录数据用通信的方式导入管理计算机进行分析处理。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电压采集模块通过Slc800精密线性光耦合器对采集的电源量信号进行线性隔离。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述感应电压采集模块通过在轨道感应线圈和芯片AD736的输入端之间插入一隔离放大器ISO124，将轨道感应电压经隔离后再输入到芯片AD736进行感应电压有效值变换。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：八路信号灯采集模块通过光耦隔离器TLP521-4、4N35两种芯片对信号进行隔离。

5、根据权利要求1所述的系统，其特征在于：公里标读取模块通过电气完全隔离的RS-485通讯数据接口芯片MAX1480B，将公里标信息由RS-485格式转换到RS-232格式。

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