CN101327475B - 车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统 - Google Patents

Abstract

一种车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，可以实现涂覆装置作业全过程自动化、智能化控制。它是基于嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础平台系统，与基础平台系统相连的包括曲线弯道起点/终点位置信息存储器、键盘/显示器、信号反馈/控制电路和控制软件模块；与基础平台系统相连的还包括：一液压泵驱动控制单元、一直融/保温加热控制单元，一反馈检测单元，一TAX2公用信息接口单元，一GPRS远程数传模块。该装置具备作业过程中曲线自动识别，涂覆作业自动控制等功能，喷涂作业过程无人值守；还可以通过GPRS移动数据传输技术实现、喷涂作业过程监控以及数据交换等功能。

Description

车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种曲线钢轨干式润滑涂覆装置智能控制领域，可以实现涂覆装置作业全过程自动化、智能化控制。

背景技术

国内外铁道科技工作者多年来研究结果表明：在减缓曲线钢轨磨耗的各种技术措施中，钢轨润滑是一种操作方便、效果明显的技术措施，并采用了多种方式对曲线钢轨进行涂油润滑，如：人工涂油、地面涂油器、涂油小车等均以油脂为润滑材料，起到了一定的减磨作用。然而，在减磨效果、长期性、污染道床及加速钢轨剥离等方面，均存在一定的不足。为了解决上述问题，市场上又出现了钢轨干式润滑剂，钢轨干式润滑剂同油脂相比，具有长效性突出、抗极压性强、减磨效果好、不产生油楔作用、不会因润滑而加速钢轨剥离掉块、不污染道床等优点，对减缓小半径曲线钢轨磨耗效果明显，经济效益显著，代表了当今轮轨润滑技术的发展方向。但干式润滑剂在常温下为固态，难以直接涂覆，为此便出现了曲线钢轨干式润滑涂覆装置，例如中国专利200520084025.0车载式曲线钢轨干式润滑涂覆装置，可以实现车载有效涂覆，但是现有装置无法实现智能控制，喷涂作业过程需要专人值守，从而影响涂覆效率和操作的便捷性。

发明内容

本发明的目的是提供了一种车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，该装置具备作业过程中曲线自动识别，涂覆作业自动控制等功能，喷涂作业过程无人值守；还可以通过GPRS移动数据传输技术实现、喷涂作业过程监控以及数据交换等功能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，其特征是，基于嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础平台系统，与基础平台系统相连的包括曲线弯道起点/终点位置信息存储器、键盘/显示器、信号反馈/控制电路和控制软件模块；

与基础平台系统相连的还包括：

一液压泵驱动控制单元，所述的液压泵位于直融器内；

一直融/保温加热控制单元，用于控制位于直融器内的对干式润滑剂加热的加热器和对保温腔内的液态润滑剂保温加热；

一反馈检测单元，包括温度检测和功率检测；

一TAX2公用信息接口单元，向基础平台系统传输包括车速、运监里程数、运行方向在内的基础数据；

一GPRS远程数传模块；该模块连接在基础平台系统与远程值班工作站之间实现喷涂作业过程监控及数据交换。

进一步地，

在控制软件模块的管理下，包括曲线弯道位置坐标、润滑剂用量数据在内的基础数据可通过键盘/显示器输入、修改。

与基础平台系统相连的还包括：数据交换备用接口LAN，通过LAN通信协议，基础平台系统可以与其他计算机设备交换数据，包括前述基础数据和作业记录。

控制系统硬件全部集成在3块平板PCB上，其中，控制键盘和数据显示器LCD为A板，处于前层，配合薄膜面板形成键盘和显示介面；嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础平台系统为B板，B板位于A板的后方，二者“背靠背”形式装配，安装于机箱前面板；C板为功率开关和检测板，安装有功率继电器开关部件、控制对象反馈采集电路；C板采用“板到线”配线端子，连接控制对象；B板到C板的信号采用了SPI数字连接。

本发明的有益效果是，

1、本系统可以使车载式智能钢轨涂覆装置具备作业过程中曲线自动识别，涂覆作业自动控制等功能，喷涂作业过程无人值守，实现作业全过程自动化、智能化控制。本系统能够从运监器的TAX2平台上采集数据，通过对采集到的公里标、速度、上下行等信息进行计算，确定列车运行的位置和运行的瞬时速度，为装置自动动作提供依据。智能控制系统还可以通过GPRS移动数据传输技术实现、喷涂作业过程监控以及数据交换等功能。

2、设置了保护控制系统后，使整个系统运行更安全。当系统所测定的温度超过允许值时，控制系统将自动切断装置电源，避免由于加热温度过高造成的安全事故。当系统所测定的温度值低于允许值时，此时的润滑剂没有完全融化，喷出后达不到预期减磨效果，保护控制系统运作后将阻止泵电动机的动作，保证润滑剂始终以理想状态喷涂作业。对直融器、管加热、泵加热、储料器加热的温度设定上限温度，当超过上限温度时，控制单元报警，切断总电源，保证安全。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的控制系统组成框图；

图2为控制软件结构框图；

图3为润滑剂喷涂控制系统之信息交换示意图；

图4为系统硬件面板示意图；

图5为系统硬件俯视结构示意图；

图6为TAX2接口板卡连接框图；

图7为反馈/检测单元框图；

图8编程键盘和数据显示器主菜单界面

图9用户的登录界面；

图10“温度”子菜单界面；

图11“曲线”子菜单界面；

图12“设置”子菜单界面；

图13状态子菜单界面.

具体实施方式

曲线钢轨干式润滑涂覆是将固体润滑剂进行加热，使润滑剂融化成为液态，然后通过齿轮泵、输料管道喷涂到曲线钢轨内侧面上，经车轮碾压后形成固体润滑膜，起到减缓曲线钢轨磨耗的作用。

为了实现车载式智能钢轨涂覆装置作业过程中具备曲线自动识别，涂覆作业自动控制，喷涂作业过程无人值守，实现作业全过程自动化、智能化，这就需要一套车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统。它主要包括喷涂智能控制系统、温度控制系统。在控制系统的作用下装置可以实现作业全过程自动化、智能化控制。

一、系统的功能

a)智能控制单元：是装置的核心控制系统，是实现装置智能化控制的关键。采用微控制器、信息存储器及控制软件。通过该系统我们可以极为简便的高精度实现曲线位置识别，可以实现喷涂智能化控制、喷涂作业过程监控以及数据交换等功用。

b)保护控制单元：作用主要是为装置提供保护作用。装置在作业过程中实现全自动化控制，考虑到安全因素，我们在电控单元中加入保护控制系统。保护控制系统以温度作为控制基准，当系统所测定的温度超过允许值时，控制系统将自动切断装置电源，避免由于加热温度过高造成的安全事故。当系统所测定的温度值低于允许值时，此时的润滑剂没有完全融化，喷出后达不到预期减磨效果，保护控制系统运作后将阻止泵电动机的动作，保证润滑剂始终以理想状态喷涂作业。

c)冷启动时，系统自动检查各加热器电阻、电流、电压；当发现有设备无法加载电流或电流极大时，设置设备故障报警并切断有关设备的电源

d)读取TAX2数据，从TAX2平台上提取机车运行数据，包括车速、运监里程数、运行方向等。

e)直融器、管加热、泵加热、储料器加热的温度上限为120±5℃，当温度超过180℃时，此时已经超过上限温度，控制单元报警，切断总电源，保证安全。

f)泵电动机动作依据机车TAX-II运监里程数；

g)电动机动作间隔依据车速，速度为20 km/h时，电动机运行2秒，停4秒；速度为40 km/h，电动机运行2秒，停2秒；速度为60 km/h时，电动机运行3秒，停2秒；速度为80 km/h时，电动机运行4秒，停2秒。

h)加入液压泵保护功能，温度低于80℃泵不动作。

i)实现记录、传输(包括远程传输功能)、显示功能。

二、电控系统详细说明

图1为控制系统组成框图。

基于嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基本系统(基础平台系统)，与基础平台系统相连的包括曲线弯道起点/终点位置信息存储器、键盘/显示器、信号反馈/控制电路和控制软件模块。与基础平台系统相连的还包括：一液压泵驱动控制单元，所述的液压泵位于直融器内；一直融/保温加热控制单元，用于控制位于直融器内的对干式润滑剂加热的加热器；一反馈检测单元，包括温度检测和功率检测；一TAX2公用信息接口单元，向基础平台系统传输包括车速、运监里程数、运行方向在内的基础数据；一GPRS远程数传模块；该模块连接在基础平台系统与远程值班工作站之间实现喷涂作业过程监控及数据交换；通过备用接口LAN，该平台可以和其他计算设备交换数据。

1、计算和控制平台

该智能控制系统基于嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台技术。基本系统以嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础，包括曲线弯道起点/终点位置信息存储器、键盘/显示器、信号反馈/控制电路、控制软件。

该控制系统可以独立工作，不依靠其他计算/存储设备。其中，曲线弯道位置坐标、润滑剂用量数据等基础数据，在软件的管理下，完全通过键盘/显示器输入、修改。通过备用接口LAN，该平台可以和其他计算设备交换数据。前述基础数据和作业记录，都可以通过该接口交换。

其存储部分，可以记录设备作业数据。作业数据记录通过键盘/显示器操作、检查。

2、控制软件

控制软件集喷涂自动控制、反馈电子测量、数据现场通信、远程移动通信等控制功能于一体。如图2，功能模块包括：

施工位置/速度信息获取模块：接收TAX2信息平台，计算出设备当前所处位置及其运动速度、上/下行运动方向。

基础数据获取和存储模块：通过人机接口数据交互，输入、检查、设定铁路钢轨曲线位置数据、涂附用料标准等其他基础数据。

喷涂控制模块：计算确定涂附开始/停止的时机；识别上/下行状态，确定涂附的轨道侧面；控制左/右喷射泵启动或停止。

直融加热和保温加热控制模块：按照设定的加热功率模式和温控目标，实施自动温度控制。指示设备的工作状态。直融加热是将固体润滑剂在直融器内融化为液态，以便于进行喷涂作业。因此装置选用一块DC 48 V，800 W(直流电压48伏，功率800瓦)的加热板，进行高效率直融加热。尽管采用高效率直融加热的方式能够提高固体润滑剂的融化速率，但是在曲线钢轨频繁出现的区间内，喷涂作业的停顿时间极短，喷涂作业持续时间较长，需要较多的液态润滑剂，这就造成了装置所融化的液态滑剂不能满足所需喷涂作业量。为了解决这一问题，决定加入保温加热单元，在装置的喷涂动作开始前，预先融化一部分固体润滑剂成为液态，储存在装置的保温区域内(保温腔内)，进行保温加热。装置到达指定涂覆地点后，将已经融化成为液态，正处于保温状态下的润滑剂喷出，由加热板将所融化的液态润滑剂补充到保温区域内(保温腔内)，保证喷涂作业量，确保达到最佳减磨效果。

控制系统反馈和诊断模块：测量系统的加热部分的执行结果，形成反馈控制信息；检测电流、电压，实现系统自保护功能。

作业数据记录模块：存储作业开始、停止、润滑剂用量等信息；系统运行中出现的故障报警等信息。并可查看、下载。

LAN数据接口协议处理模块：通过LAN通讯协议，完成系统基础数据轨道曲线数据的下载设置，控制设备喷涂和提取作业记录等信息。完成数据的工作在线和离线的操作。

遥控模块：通过GPRS系统提供远程、移动数据传输。控制设备运行，获得作业数据记录和设备状态。

控制系统启动后，首先启用系统自检模块，通过分析温度、电压、电流采集模块所采集到的涂覆装置的温度、电压、电流数据，结合系统配置参数模块中所要求的参数信息，判定装置是否满足工作条件。如满足工作条件，控制系统开始采集TAX-II信息接收模块所接收到的运监器TAX箱所提供的速度、里程信息，结合轨道曲线信息模块中所设定的轨道曲线信息，通过喷涂控制算法模块对数据进行汇总处理，使喷涂控制驱动模块控制装置的加热器模块进行工作。由作业记录模块对装置作业过程进行详细记录，并通过LAN、GPRS通讯协议模块进行数据传输。作业全过程由显示/键盘操作模块进行作业状态显示与作业信息修改。

3、通信平台

使用GPRS移动数传技术，可以遥测、遥信、喷涂控制。移动通信单元以gsm射频模块为核心，采用GPRS数据通信方式，与地面的信息处理和控制计算设备交换信息。具有“永远在线、数据无差错、覆盖范围广、费用低”等特点。

地面需配置的设备包括值班工作站和GPRS服务器。通过该手段，可以控制多部配置在不同机车上的涂敷设备，进行接力作业。通信运用方式如图3所示。

4、硬件结构

系统硬件全部集成在3块平板PCB上。

其中，控制键盘和数据显示器(LCD)为A板，处于前层，配合薄膜面板形成键盘和显示介面，如图4，其上设有状态显示、数据显示器(LCD)和键盘板。B板为“ARM9+LINUX”嵌入式计算平台，包括计算、存储、通信、连接部分。还装配有串行通信接口、GPRS移动通信模块。B板位于A板的后方，二者“背靠背”形式装配，安装于机箱前面板。具有紧凑、可靠、便于调试维护等优点。如图5所示。面板、A板和B板通过安装件连为一体。C板为功率开关和检测板，安装有功率继电器开关部件、控制对象反馈采集电路。C板采用“板到线”配线端子，连接控制对象。B板到C板的信号采用了SPI(Serial PeripheralInterface)数字连接。

5、公用信息平台TAX2信息接口模块

连接信息平台的数据输出网络。大约每秒更新3次数据，包含公里标、速度、上下行等信息。确定设备所处位置和运动速度。

TAX2接口板卡连接框图如下：图6，装置采集TAX2信息平台的信息，采集过程中需要经过电源隔离、网络隔离、信号中继模块，进行电源隔离，网络隔离，确保信息采集过程中不会影响TAX2信息平台的正常运行。采集信息后，通过航空插头，将信息传送到装置的信息接收端。

信息接口模块和润滑喷涂控制之间，采用串行通信。Lkj-2000/LKJ-93(2000型/93型运监器)列车运行监控装置的信息。通过机车现有的通信接线盒，连接到TAX2信息平台，装置连接TAX2信息平台的输出端，将信息采集后传送到润滑剂喷涂自动控制系统。

6、功率控制驱动接口

先进固态继电器开关，实现PWM方式加温功率、喷射“时长”调节。功率控制驱动接口连接框图。通过110 V机车用电为整套装置提供电力。运用固态继电器控制装置各部分动作，实现PWM方式加热功率、喷涂“时长”等参数的调节。

7、反馈测量模块

分为温度检测和功率检测。温度检测是恒温控制的反馈信号。功率检测则通过数据分析功能，确定电路的工作状态是否良好。图7为反馈/检测单元框图。装置在工作过程中进行两类检测：一是温度检测。由8路Pt100温度电桥进行温度检测，检测后的数据通过调理电路发送到高精度模拟数字转换电路(ADC)进行处理，处理后的数据通过数据采集接口，传输到智能控制系统。二是电流、电压检测。由电流、电压检测元件对电流值、电压值分别取样，经过信号调理电路传送到测量单元，通过数据采集接口，传输到智能控制系统。

8、编程键盘和数据显示器

人机界面。LCD液晶屏幕，菜单操作。按键包括：

“菜单”、“确认”、“上变”、“下变”、“左移”、“右移”；

主菜单包含“温度”、“曲线”、“设置”、“状态”、“记录”5个子菜单。子菜单对因内容的显示、编辑、确认。主菜单如图8.

8.1键盘操作

在主菜单下按左右键选择某个子菜单，然后按确认键进入各个子菜单。在各个子菜单下，然菜单键可返回主菜单。如果在主菜单下安菜单建则弹出用户登录界面，提示用户登录。

在进行数字编辑时，当前被编辑的位反色显示，按“上移”和“下移”键可改变该位数值的大小按“左移”和“右移”键则改变选择的数位。通过这右四个按键的配合，输入数字后按确定后则编辑数据有效并退出编辑。若在输入时按”菜单”则数字输入取消，之前所作的修改无效。

8.2用户登录

为防止随意的修改系统的运行参数和轨道曲线信息，在“曲线”菜单和“设置”菜单下提供用户登录，只有用户登录成功后，才有权修改系统信息和曲线信息，否则只能查看。当用户登录成功后，如果在1分钟内没有操作键盘或修改信息，则系统自动退出用户登录模式。再次修改参数时需要重新登陆。系统没有提供用户登录信息修改的界面，用户信息的修改采用缺省设置和通过LAN通讯协议配置修改。用户的登录界面如图9：

8.3子菜单功能

子菜单的功能描述如下：

(1)“温度”子菜单：图10。

显示系统当前运行采集的加热温度，和温度报警状态，当某一路温度越限时，该温度会闪烁显示。

(2)“曲线”子菜单；图11.

用于显示和编辑轨道曲线信息。在该菜单下分页显示所有轨道曲线信息，其中每条曲线信息包括：序号、标示、开始位置、终止位置、及喷涂方式。其中，标示有“上行”、“下行”之分，喷涂方式为“禁止”、“标准”、“经济”和“裕量”，若设置为禁止则该条曲线不被处理，设置为经济则或其它模式，系统则根据设定相应模式喷涂剂量进行喷涂。

在此界面下，按“上移”和“下移”键进行翻页，页码信息在右下显示，比如：“页数：[001/100]”表示当前是第一页，共有100页。

如果当前处在用户登录模式下，曲线信息可以进行编辑，在此界面下按“确认”键进入曲线的编辑状态。反色显示的项目是可以修改的项目，如果不修改此项按确认进入下一项的修改。需要修改的项目修改后，按确认进入下一项的修改。修改后的信息在退出“曲线”子菜单时，进行保存。

(3)“设置”子菜单：图12.

设置菜单主要是查看和编辑“喷涂公里标附加量”、“温度门限”等系统运行参数。如果当前处在用户登录模式下，参数值是可以被修改的。

(4)“状态”子菜单：图13.

状态菜单：系统运行后就进入状态子菜单的显示，在该菜单下主要显示系统运行的数据和喷涂的状态。

喷涂的状态：提供是否正在喷涂，喷涂的曲线信息或将要喷涂的曲线信息。

运行状态：提供列车运行的车次、运行方向、运行速度、运行的里程数据，当前时间等信息。有故障时会弹出故障提示。

(5)“记录”子菜单；

记录菜单：查看系统记录的运行数据和对运行数据的下载/清除操作。进入菜单后提示选择查看记录、下载记录到U盘、清除记录。通过上下键选择某项功能后，按确认键进入功能操作。清除记录需要在用户登录模式下操作，否则无法进行该操作。

选择查看记录后，会显示系统记录运行数据。运行数据包括记录时间、记录事项和记录数据，按上下键可以翻页。按菜单键退出。

9、数据交互接口

系统提供LAN的数据通信接口。用于连接外部计算设备，方便数据的交互使用。通过LAN接口下载系统使用的轨道曲线信息、系统配置信息；控制系统的喷涂启停；提取系统记录的运行数据记录、当前运行状态和数据。

10、远程监测

在具有宽带网的PC机上，安装系统接收、管理软件。既可随时随地监测系统工作状况和所有被监测的数据。并可存储、查询、打印。

Claims (4)

1.车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，其特征是，基于嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础平台系统，与基础平台系统相连的包括曲线弯道起点/终点位置信息存储器、键盘/显示器、信号反馈/控制电路和控制软件模块；

与基础平台系统相连的还包括：

一液压泵驱动控制单元，所述的液压泵位于直融器内；

一直融/保温加热控制单元，用于控制位于直融器内的对干式润滑剂加热的加热器和对保温腔内的液态润滑剂保温加热；

一反馈检测单元，包括温度检测和功率检测；

一TAX2公用信息接口单元，向基础平台系统传输包括车速、运行的里程数、运行方向在内的基础数据；

一GPRS远程数传模块；该模块连接在基础平台系统与远程值班工作站之间实现喷涂作业过程监控及数据交换。

2.根据权利要求1所述的车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，其特征是，在控制软件模块的管理下，包括曲线弯道位置坐标、润滑剂用量数据在内的基础数据可通过键盘/显示器输入、修改。

3.根据权利要求1或2所述的车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，其特征是，与基础平台系统相连的还包括：数据交换备用接口LAN，通过LAN通信协议，基础平台系统可以与其他计算机设备交换数据，包括前述基础数据和作业记录。

4.根据权利要求1所述的车载式智能钢轨涂覆装置智能控制系统，其特征是，控制系统硬件全部集成在3块平板PCB上；其中，控制键盘和数据显示器LCD为A板，处于前层，配合薄膜面板形成键盘和显示介面；嵌入式Linux操作系统和ARM9T处理器平台为基础平台系统为B板，B板位于A板的后方，二者“背靠背”形式装配，安装于机箱前面板；C板为功率开关和检测板，安装有功率继电器开关部件、控制对象反馈采集电路；C板采用“板到线”配线端子，连接控制对象；B板到C板的信号采用了SPI数字连接。

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