CN110429007A - 智能接触器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能接触器，包括至少一台机车接触器，还包括至少一台与所述机车接触器对应的下位机，所述下位机包括电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置、触头位置装置、A/D采集转换器、第一控制模块和第一通信模块，电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置和触头位置装置的输入端与机车接触器相连，输出端与A/D采集转换器相连，A/D采集转换器、第一通信模块与第一控制模块相连。本智能接触器能够实时监测机车接触器的主要参数，并对采集的信息进行收集、存储、分析和处理，实现了对接触器各电气回路运用状态的分析判断，提高了机车运用和检修的质量。

Description

智能接触器

技术领域

本发明涉及一种机车接触器，特别是涉及一种智能接触器。

背景技术

接触器是工业控制中应用非常广泛的一种电器，是一种用按钮或其它主令器件来控制其通断的自动开关。接触器由电磁线圈，静衔铁，动衔铁，静触点，动触点和固定支架这些基本结构组成。其原理是当接触器的电磁线圈通入交流电时，会产生很强的磁场使装在线圈中心的静衔铁吸动动衔铁，当两组衔铁合拢时，安装在动衔铁上的动触点也随之与静触点闭合，使电气线路接通。当断开电磁线圈中的电流时，磁场消失，接触器在弹簧的作用下恢复到断开的状态。机车接触器在机车上是用来频繁地接通或切断带有负载的主辅助电路或大容量的控制电路。目前内燃、电力机车上主电路、辅助电路的控制中，交、直流接触器使用非常广泛，每台机车使用均超过50件，都是从控制设备发出指令给接触器线圈，电磁机构产生磁场，将衔铁吸合带动主触头闭合，有的通过辅助开关反馈接触器动作情况。比如HXN5型机车装有控制机车空气压缩机、电阻制动、燃油、滑油、启动等各类接触器。

机车接触器在原理及应用上与普通接触器并无太大区别，但是机车的运行环境更为恶劣及多变，温度变化范围、车体的震动环境、复杂的电磁环境、不稳定的电源供给等等，尤其是内燃机车。这就为机车用接触器提出了更高的要求：宽电压的电源范围、温宽大的工作特性、极佳的抗震动性、稳定的磁路、触头的长寿命等等。一般而言，相对于普通地面用的接触器，机车用接触器是更加可靠、安全的接触器。当前的内燃、电力机车接触器在使用过程中，会经常出现吸合不良、过热、粘连等故障，造成机车设备故障，出现过热烧损时可引起机车火灾。这些频繁发生的故障，在接触器使用前期均存在潜在的故障现象，可以提前发现、预防。但由于机车上接触器较多，如果机车在日常运用中全部依靠人力深入检查、监测，人力、物力消耗较大，所以目前对接触器检修只有在机车修程中进行检修，造成机车接触器日常运用质量状态无法有效的进行控制。常规对接触器故障的处理手段基本上都是通过经验判定或更换接触器去“试验”解决，无法对接触器当时的电压、电流、温度等工作状态进行判断，对故障原因深入分析、判断、处理造成很大的影响。这种形态下的接触器在机车上几乎是在“单兵作战”，无接触器运行状态的监测、预警装置，在长期的应用中无法对各类接触器运行工作状态直接进行判断，导致接触器前期出现故障隐患无法及时的发现、处理，造成机车设备故障。所以，迫切需要一种能够对机车接触器的工作状态进行检测、判断、记录的智能系统。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种智能接触器，解决了现有机车接触器日常运用质量状态无法有效进行控制的不足，能够实时监测包括故障时间、线圈电压、线圈电流、线圈温度、触头温度、环境温度、主触头合断状态等信息的机车接触器主要参数，并对采集的信息进行收集、存储、分析和处理，实现了对机车各电气回路运用状态的分析判断，提高了机车运用和检修的质量。

技术方案：本发明所述的智能接触器，包括至少一台机车接触器，还包括至少一台与所述机车接触器对应的下位机，所述下位机包括电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置、触头位置装置、A/D采集转换器、第一控制模块和第一通信模块，电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置和触头位置装置的输入端与机车接触器相连，输出端与A/D采集转换器相连，A/D采集转换器、第一通信模块与第一控制模块相连。

进一步的，还包括上位机，上位机包括第二控制模块、第二通信模块、显示模块和存储模块，第二通信模块、显示模块、存储模块与第二控制模块相连，第二通信模块能够与第一通信模块进行通信传输。

进一步的，所述电压采集装置用于采集机车接触器的线圈电压，电压采集装置包括了用于将线圈电压缩放的分压电阻、用于被测信号与系统隔离的线性光耦HCNR201，其驱动级和缓冲级采用运算放大器LM158。

进一步的，所述电流采集装置为包括了霍尔电流传感器HCS-LSP的电流测量电路。

进一步的，所述温度采集装置包括环境温度采集装置、线圈温度采集装置和触头温度采集装置；

所述环境温度采集装置为设置在机车接触器电路盒中的薄膜型温度传感器；

所述线圈温度采集装置为设置在线圈内部的薄膜型温度传感器；

所述触头温度采集装置为设置在触头引出铜排下的薄膜型温度传感器。

进一步的，所述触头位置装置用于采集主触头的位置信息，包括了固定于主触头活动架下方的导磁芯棒和设置在设定位置的霍尔接近开关。

进一步的，所述的A/D采集转换器为A/D转换芯片TLC2543。

进一步的，所述的第一控制模块和第二控制模块为包含STM32F103VCT6微处理器的电路。

进一步的，所述的第一通信模块和第二通信模块为包含nRF24L01芯片的无线收发电路。

进一步的，所述的存储模块为SD卡存储模块。

有益效果：本系统能够通过对机车接触器的工作状态监测，实现对接触器工作状态的智能判断、报警，对工作状态参数进行记录，通过对机车接触器使用状态进行实时检测，实现机车接触器质量预警功能，能够还原接触器运用的工作状态，并可通过记录的参数数据分析，及时发现、处理接触器潜在的故障隐患，提高机车接触器运用质量，进一步减少因接触器原因导致的机车设备故障。本系统在不改变现有机车接触器机械和电气结构的基础上通过增加若干传感器，配合微电子电路技术进行实现，成本低代价小，方便现有机车系统的改造升级和运用。

附图说明

图1是本发明实施方式的系统结构图；

图2是本实施方式电压采集装置的电路原理图；

图3是本实施方式触头位置装置中霍尔接近开关电路原理图；

图4是本实施方式A/D转换芯片TLC2543的管脚图；

图5是本实施方式显示模块的显示界面示意图；

图6是本实施方式的使用流程图。

具体实施方式

本实施方式应用在HXN5型机车中故障率较高的空气压缩机接触器为例，所述的系统结构如图1所示，系统中包含若干个下位机，每台下位机连接一个机车中的机车接触器。所述下位机包括电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置、触头位置装置、A/D采集转换器、第一控制模块和第一通信模块。电压采集装置用于采集、电流采集装置、温度采集装置和触头位置装置的输入端与机车接触器相连，电压采集装置用于采集机车接触器线圈电压，电流采集装置用于采集机车接触器线圈电流，温度采集装置用于采集机车接触器的线圈温度、触头温度和环境温度，触头位置装置用于采集包括机车接触器主触头合断状态的主触头位置信息。上述采集装置的输出端与A/D采集转换器相连，进行模拟信号和数字信号的转换，与A/D采集转换器与第一控制模块相连，第一控制模块连接第一通信模块，第一通信模块用于所采集数据向远端上位机的通信传输。

为了方便人员在远端的监测、分析和处理，作为一种优选方式，系统还包括上位机，上位机包括第二控制模块、第二通信模块、显示模块和存储模块，第二通信模块、显示模块、存储模块与第二控制模块相连，第二通信模块能够与第一通信模块进行通信传输。各个下位机将采集的数据通过第一通信模块和第二通信模块发送给上位机。第一通信模块和第二通信模块优选为无线模块，下位机的A/D采集转换器、第一控制模块和第一通信模块通过隔离电源进行供电，上位机的第二控制模块、第二通信模块、显示模块也通过隔离电源进行供电。

在模拟技术中，信号量值采集的精确度和稳定度决定了整个系统的运行可靠程度，然而，机车运行时现场环境恶劣，干扰严重，尤其是机车电源波动范围较大、电源品质不高，空压机接触器的线圈额定电压为110VDC，可在77VDC～137.5VDC之间波动。如此高压与低品质的电源如果直接进入电压采集系统必然会损坏器件，须将被测模拟信号与采集系统之间进行良好的线性隔离。本实施例采用设置线性光耦HCNR201的方法，实现被测模拟信号与采集系统之间的线性隔离。线性光耦隔离与普通光耦隔离相比，改变了普通光耦的单发单收模式，增加一个用于反馈的光电二极管并且增大了线性区域。两个光电二极管都是同样特性的非线性，可通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而实现信号的线性传递。具体的电路原理如图2所示，在线圈的供电2端，通过电阻分压，按约40：1的比例将高压缩放到5V之内，再经过隔离线性光耦组成的模拟信号隔离电路，同时驱动级、缓冲级采用LM158组合型运算放大器。此电路电路简单，线性度好，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统电气隔离问题。

电流采集装置的实施考虑是由于电源波动范围较大、电源品质不高，环境恶劣，干扰严重，选择通过间接耦合的方式来采集电流，采用基于霍尔感应方式的HCS－LSP系列霍尔电流传感器，该传感器中心为穿线孔式，能够避免因系统失效而引起的接触器功能丧失问题。它可以直接将被测主回路交流电流或者直流电流转换成按线性比例输出的DC4～20mA(通过250Ω电阻转换DC 1～5V或通过500Ω电阻转换DC2～10V)恒流环标准信号，连续输送到接收装置(计算机或显示仪表)。

温度采集装置包括环境温度采集装置、线圈温度采集装置和触头温度采集装置。由于机车接触器体积不大、结构紧凑，想要在线圈内与触头附近安装温度传感器显得空间局促。本实施例采用薄膜型温度传感器作为采集装置，它为一种NTC热敏电阻，支持一定程度的弯曲，极其适合空间狭窄等异型区域，并且其外围电路简单，大大缩减了电路的体积。所述环境温度采集装置为设置在机车接触器电路盒中的薄膜型温度传感器，电路盒内的温度直接测试出代表环境的温度。所述线圈温度采集装置为设置在线圈内部的薄膜型温度传感器，即线圈在绕制一半过程中将传感器植入，保证内温测试精确。所述触头温度采集装置为设置在触头外壳上的薄膜型温度传感器，一共3个，将外壳固定铜排的位置用机加工铣出摆放区域，配合1mm厚导热硅胶垫上下将探头包裹，利用铜排固定镙丝压住，形成良好导温接触。

常用接触器中，几乎都包括辅助触头，它的作用一般是通过接线方式完成自锁或互锁的功能。在机车接触器上也存在这样的辅助触头，但其还有另一类作用；机车接触器在机车上是用来频繁地接通或切断带有负载的主辅助电路或大容量的控制电路，由于其触头的开关容量较大，分断时产生的电弧能力非常强，所以触头的动作安全显得十分重要。且机车接触器分布较广，有的从司机室到控制机柜距离长达30米，运行过程中人工无法直接观测。这时会有一组或多组辅助触头充当监控的作用，它能将触头的开闭位置以开关量的形式直接反馈给机车电脑，通过辅助触头位置情况即可判断主触头的位置情况。在实施例中触头位置装置，采用2线制的霍尔接近开关，将其固定在壳体上，主触头的活动架方固定一小尺寸的导磁芯棒，当活动架下降带动芯棒运动，靠近霍尔开关约2mm时，开关则导通，输出电信号给光耦至CPU，电路原理如图3所示。

A/D采集转换器为具有串行接口特性的A/D芯片TLC2543，A/D芯片TLC2543是一种12位开关电容逐次逼近式模数转换器，带有SPI(Serial Peripheral Interface)接口。它消除了以往许多A/D芯片并行输出、连线复杂的缺点，并在A/D转换结果串行输出的同时，可以串行输入下次A/D转换位的控制字。TLC2543的管脚如图4所示。它有三个输入控制端：片选(CS)、I/O时钟(I/O clock)以及数据输入端(Data Input)，同时还可以通过一个串行的三态输出端与主处理器及其外围串行口进行通讯，以输出转换结果。除了高速的转换功能和通用的控制能力外，TLC2543的片内还具有14通道多路器，可以选择11个模拟输入通道(AIN0～AIN10)或3个内部自测电压(self-test)中的一个。转换结束时，EOC输出端变高，指示转换完成。所有的模拟量信号统一送入A/D转换芯片TLC2543中去，逐一转换成数字信号。

第一控制模块和第二控制模块均采用STM32F103VCT6微处理器，此为32位基于ARMCortex-M3核心的带512K字节闪存的微处理器，ARMv7-M架构，专门设计用于在对功耗和成本要求严格的深度嵌入应用以实现高系统性能。下位机微处理器负责将A/D转换的数据通过无线通信模块发送出去，上位机微处理器负责将无线模块收回的数据进行写卡，同时实时显示在显示模块上。

本实施例的上位机与3个下位机无线通信传输模块采用以nRF24L01为主芯片的无线模块，其2.4GHz的主频能够避开了机车上的干扰频段。nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

本实施例的存储模块选用SD卡系统。SD卡一般支持2种操作模式：SD卡模式和SPI模式，本系统可以采用任一模式进行存储。本实施例中，由于本系统用于记录机车接触器工况数据，数据记录量较小，选用简单的SPI模式。

上位机的显示模块可以采用触摸屏方便显示和操作，本实施例选用北京迪文科技有限公司的工业串口触摸屏。该使用相对简单，仅用5条指令集，即可访问控制屏上的整个资源。显示模块的显示界面如图5所示。使用时的流程如图6所示，点击对话框区域可对该机车接触器参数设置高低阈值，每台参数设置可以不同，设置完成，由上位机保存数据，通过无线模块将数据发到下位机上，下位机根据阈值及检测数据，对比得到是否报警或记录的依据，需记录时发送标志给上位机，由上位实时获得检测数据并及时写入SD中，数据以TXT格式存储。

本系统在不改变原机车接触器机械与电气功能的基础上增加若干传感器，配合微电子电路技术分别监测每1台接触器的线圈电压、线圈电流、线圈温度、触头温度、环境温度、触头吸合的使用情况6类数据。发生间隙性故障时，首先会有指示灯示警，同时SD卡迅速记录当时的6类数据，并记录发生的时间。人员巡查时通指示灯来和SD记录的内容判断是否需要对接触器进行检查或维护。此外，本系统还能自动分析数据、判断其性能及所处的生命周期，将来可预留端口，依靠机车6A、CMD等系统进行机车接触器工作数据的远程传输，对接触器的工作状态进行远程查看、分析。通过采集的数据可系统地对接触器进行分析，由于采集的数据均为机车接触器的生命特征，在有足够多的数据情况下运用大数据系统可为被测设备进行在线运行分析，判断其正处于寿命周期的哪一段，从而为检修人员给予客观的分析建议。

Claims (10)

1.一种智能接触器，包括至少一台机车接触器，其特征在于：还包括至少一台与所述机车接触器对应的下位机，所述下位机包括电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置、触头位置装置、A/D采集转换器、第一控制模块和第一通信模块，电压采集装置、电流采集装置、温度采集装置和触头位置装置的输入端与机车接触器相连，输出端与A/D采集转换器相连，A/D采集转换器、第一通信模块与第一控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的智能接触器，其特征在于：还包括上位机，上位机包括第二控制模块、第二通信模块、显示模块和存储模块，第二通信模块、显示模块、存储模块与第二控制模块相连，第二通信模块能够与第一通信模块进行通信传输。

3.根据权利要求1或2所述的智能接触器，其特征在于：所述电压采集装置用于采集机车接触器的线圈电压，电压采集装置包括了用于将线圈电压缩放的分压电阻、用于被测信号与系统隔离的线性光耦HCNR201，其驱动级和缓冲级采用运算放大器LM158。

4.根据权利要求1或2所述的智能接触器，其特征在于：所述电流采集装置为包括了霍尔电流传感器HCS-LSP的电流测量电路。

5.根据权利要求1或2所述的智能接触器，其特征在于：所述温度采集装置包括环境温度采集装置、线圈温度采集装置和触头温度采集装置；

所述环境温度采集装置为设置在机车接触器电路盒中的薄膜型温度传感器；

所述线圈温度采集装置为设置在线圈内部的薄膜型温度传感器；

所述触头温度采集装置为设置在触头引出铜排下的薄膜型温度传感器。

6.根据权利要求1或2所述的智能接触器，其特征在于：所述触头位置装置用于采集主触头的位置信息，包括了固定于主触头活动架下方的导磁芯棒和设置在设定位置的霍尔接近开关。

7.根据权利要求1或2所述的智能接触器，其特征在于：所述的A/D采集转换器为A/D转换芯片TLC2543。

8.根据权利要求2所述的智能接触器，其特征在于：所述的第一控制模块和第二控制模块为包含STM32F103VCT6微处理器的电路。

9.根据权利要求2所述的智能接触器，其特征在于：所述的第一通信模块和第二通信模块为包含nRF24L01芯片的无线收发电路。

10.根据权利要求2所述的智能接触器，其特征在于：所述的存储模块为SD卡存储模块。