CN111232014A - 一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法 - Google Patents

一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，采用两个相同的压力感应器安装在尖轨两侧的基本轨上，用于检测尖轨是否贴近基本轨，将尖轨与基本轨之间的压力信号转换为电压变化信号进行处理，并将采集到的信息传输至信号处理机，通过信号处理机处理后发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端设置相应的上位机，用于工作人员直观的查看该处尖轨是否与基本轨紧密贴合，并采用PID控制算法根据压力感应器采集回来的值对转辙机进行控制，使转辙机带动尖轨紧贴基本轨。

Description

一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法
技术领域
本发明涉及道岔检测领域，尤其涉及一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法。
背景技术
尖轨在转辙机的作用下移动，以改变火车的运行轨迹，一旦尖轨与基本轨不能够紧密贴合时，将会造成火车轮对撞击尖轨，进而对尖轨造成损坏，严重时将会导致火车脱轨。一旦尖轨与基本轨之间存在石渣、冰块等异物时，会导致尖轨不能够紧贴基本轨。此外由于转辙机的操作机构出现故障时，也会导致尖轨不能正常贴近基本轨，因此对尖轨与基本轨之间关系的监测能够识别出尖轨与基本轨之间是否紧密贴合。
现有技术中，主要通过转辙机反馈回来的信息来判断尖轨是否与基本轨紧密贴合，当转辙机出现故障时，会出现控制台已经接收到转辙机完成了对道岔位置的转换而尖轨未能紧贴基本轨的情况，导致误判，进而引发严重的损失。而道岔动作是否到位的判据是尖轨是否紧贴基本轨，仅仅通过转辙机的反馈难以保证尖轨紧贴基本轨。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，通过应变片感应尖轨与基本轨之间的压力来判断尖轨是否与尖轨贴合，并利用PID控制算法调整转辙机的动作，以使转辙机能准确的控制尖轨紧贴基本轨。
为了实现上述目的，本发明提供的一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法是这样实现的：
一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，采用两个相同的压力感应器安装在尖轨两侧的基本轨上，用于检测尖轨是否贴近基本轨，将尖轨与基本轨之间的压力信号转换为电压变化信号进行处理，并将采集到的信息传输至信号处理机，通过信号处理机处理后发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端设置相应的上位机，用于工作人员直观的查看该处尖轨是否与基本轨紧密贴合，并采用PID控制算法根据压力感应器采集回来的值对转辙机进行控制，使转辙机带动尖轨紧贴基本轨。
本发明的压力感应器安装在距离尖轨末端1.5米到2.5米之间对侧的基本轨上，采取对称安装的方式，即两根基本轨上分别安装一个压力感应器。
本发明的压力感应器包括应变片、第一金属铝板、弹簧、第二金属铝板，将弹簧安装在第一金属铝板与第二金属铝板之间，应变片安装在第二金属铝板与弹簧之间，且第二金属铝板安装在基本轨的轨底上，当转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨向第一金属铝板施加压力，第一金属铝板将尖轨施加来的力传递到弹簧上，由弹簧将力作用到应变片上，使得应变片的阻值发生变化，由信号处理机将应变片的阻值变化转换为对应的电压变化，再经过信号处理机处理后发送至PC机端的上位机中进行显示。
本发明的信号处理机包括金属铝盒、信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、电源降压模块、北斗定位模块、GPRS模块，信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、电源降压模块、北斗定位模块、GPRS模块并排安装在金属铝盒中，由电源降压模块对转辙机的电源进行降压来为信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、北斗定位模块、GPRS模块供电，由信号调理电路板将应变片的阻值转换为电压信号，并将该信号传输至模拟量数据采集器，经模拟量数据采集器处理后转化为数字量并通过RS485通信方式将该信息传输至控制电路板，在控制电路板中将输出的电压值换算为相应的压力值，这样既可实现对尖轨与基本轨之间的压力，北斗定位模块将定位信息传输到控制电路板中，由控制电路板控制GPRS模块将换算好的压力信息和对应转辙机的位置信息发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端的上位机查看该处尖轨与基本轨是否贴合。
本发明的监测中心的PC机为监控转辙机的PC机，PC机上设置的上位机与转辙机的监控软件之间有数据交换接口，便于转辙机的监控软件能根据监测中心的PC机上设置的上位机中的压力数据信息来控制转辙机的转动，进而使得尖轨与基本轨贴合。
本发明的检测道岔尖轨与基本轨贴合的方案为：先对系统进行初始化，转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨施加到应变片上的力逐渐增加，使得应变片的阻值发生改变，通过信号调理电路板将应变片变化的阻值转换为对应的电压值，并将该电压值经过模拟量数据采集器转换为数字量后，经过RS485通信方式向控制电路板发送转换后的数字量信息，实现数据采集，再从控制电路板中将输入的电压值换算为对应的压力值，并将换算好的压力值传输至监测中心的PC机端的上位机上显示，在监测中心的PC机端的上位机中加入PID控制算法对尖轨与基本轨之间贴合时的压力设定值和应变片反馈回来压力值之间的偏差进行计算后，将信息传输给转辙机的监控软件，转辙机的监控软件根据接收到的压力值控制PC机向转辙机发送转动指令，当尖轨与基本轨之间压力未达到设定值时，转辙机需要继续转动，直到尖轨与基本轨之间压力达到预设值后，转辙机才停止转动，此时判断尖轨与基本贴合。
本发明的PID控制算法调整转辙机工作的方案为：先在监测中心的PC机端的上位机中预设好尖轨与基本轨之间贴合时的压力预设值，再将应变片反馈回来的压力值与压力预设值进行偏差计算，再将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，PC机根据控制量对转辙机进行控制，直到偏差值达到0时，PC机便判断尖轨与基本轨已经贴合，接着PC机控制转辙机停止运作，即完成对转辙机的控制。
由于本发明采用应变片感应尖轨与基本轨之间的压力来判断尖轨是否与尖轨贴合，并利用PID控制算法调整转辙机的动作，以使转辙机能准确的控制尖轨紧贴基本轨的结构，从而可以得到以下有益效果：
本发明采用PID控制算法来根据尖轨与基本轨之间的压力值对转辙机的动作进行调整，使尖轨与基本轨紧密贴合，降低因转辙机故障、尖轨与基本轨之间存在异物等造成尖轨与基本轨不能紧密贴合而导致列车脱轨的风险，且PID控制算法简单、鲁棒性好和可靠性高，适用于对转辙机的工作控制。
附图说明
图1为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的安装结构示意图；
图2为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的压力感应器的结构示意图；
图3为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的信号处理机的结构示意图；
图4为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的检测道岔尖轨与基本轨贴合的方案流程图图；
图5为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的信号调理电路原理图；
图6为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的PID控制算法调整转辙机工作的方案流程图；
图7为本发明一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法的工作原理图。
主要元件符号说明。
压力感应器 1 信号处理机 2
应变片 3 第一金属铝板 4
弹簧 5 第二金属铝板 6
金属铝盒 7 信号调理电路板 8
模拟量数据采集器 9 控制电路板 10
电源降压模块 11 北斗定位模块 12
GPRS模块 13
具体实施方式
下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。
本发明中的一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，如图1所示，将压力感应器1安装在尖轨两侧的基本轨上，且每根基本轨上安装一个压力感应器1，用于检测尖轨是否贴近基本轨，将尖轨与基本轨之间的压力信号转换为电压变化信号进行处理，并将采集到的信息传输至信号处理机2，通过信号处理机2处理后发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端设置相应的上位机，用于工作人员直观的查看该处尖轨是否与基本轨紧密贴合。
所述的压力感应器1安装在距离尖轨末端1.5米到2.5米之间对侧的基本轨上，采取对称安装的方式，即两根基本轨上分别安装一个压力感应器1，这段区间内能够为压力感应器1的安装提供合适的空间，便于安装。
如图2所示，所述的压力感应器1包括应变片3、第一金属铝板4、弹簧5、第二金属铝板6，将弹簧5安装在第一金属铝板4与第二金属铝板6之间，应变片3安装在第二金属铝板6与弹簧5之间，且第二金属铝板6安装在基本轨的轨底上，当转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨向第一金属铝板4施加压力，第一金属铝板4将尖轨施加来的力传递到弹簧5上，由弹簧5将力作用到应变片3上，使得应变片3的阻值发生变化，由信号处理机2将应变片3的阻值变化转换为对应的电压变化，再经过信号处理机2处理后发送至PC机端的上位机中进行显示。
如图3所示，所述的信号处理机2包括金属铝盒7、信号调理电路板8、模拟量数据采集器9、控制电路板10、电源降压模块11、北斗定位模块12、GPRS模块13，信号调理电路板8、模拟量数据采集器9、控制电路板10、电源降压模块11、北斗定位模块12、GPRS模块13并排安装在金属铝盒7中，由电源降压模块11对转辙机的电源进行降压来为信号调理电路板8、模拟量数据采集器9、控制电路板10、北斗定位模块12、GPRS模块13供电，由信号调理电路板8将应变片3的阻值转换为电压信号，并将该信号传输至模拟量数据采集器9，经模拟量数据采集器9处理后转化为数字量并通过RS485通信方式将该信息传输至控制电路板10，在控制电路板10中将输出的电压值换算为相应的压力值，这样既可实现对尖轨与基本轨之间的压力，北斗定位模块12将定位信息传输到控制电路板10中，由控制电路板10控制GPRS模块13将换算好的压力信息和对应转辙机的位置信息发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端的上位机查看该处尖轨与基本轨是否贴合。
所述的电源降压模块11将转辙机的电源分别降压至12V和5V，其中12V电压端为模拟量数据采集器9、控制电路板10供电，5V电压端为信号调理电路板8、北斗定位模块12、GPRS模块13供电。
所述的控制电路板10采用STM32F103ZET6最小控制板。
所述的监测中心的PC机为监控转辙机的PC机，PC机上设置的上位机与转辙机的监控软件之间有数据交换接口，便于转辙机的监控软件能根据监测中心的PC机上设置的上位机中的压力数据信息来控制转辙机的转动，进而使得尖轨与基本轨贴合。
如图4所示，所述的检测道岔尖轨与基本轨贴合的方案为：先对系统进行初始化，转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨施加到应变片3上的力逐渐增加，使得应变片3的阻值发生改变，通过信号调理电路板8将应变片3变化的阻值转换为对应的电压值，并将该电压值经过模拟量数据采集器9转换为数字量后，经过RS485通信方式向控制电路板10发送转换后的数字量信息，实现数据采集，再从控制电路板10中将输入的电压值换算为对应的压力值，并将换算好的压力值传输至监测中心的PC机端的上位机上显示，在监测中心的PC机端的上位机中加入PID控制算法对尖轨与基本轨之间贴合时的压力设定值和应变片3反馈回来压力值之间的偏差进行计算后，将信息传输给转辙机的监控软件，转辙机的监控软件根据接收到的压力值控制PC机向转辙机发送转动指令，当尖轨与基本轨之间压力未达到设定值时，转辙机需要继续转动，直到尖轨与基本轨之间压力达到预设值后，转辙机才停止转动，此时判断尖轨与基本贴合。
如图5所示，所述的信号调理电路板8上设有信号调理电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2、第一电感L1、第二电感L2，由于同一处的尖轨采用了两个压力感应器，所以采用两个相同的电路对两个应变片进行压电转换，第一电阻R1和第一应变片串联在电源降压模块的5V输出端VCC与GND之间，第一应变片与第一电容C1并联在第一电感L1两端和电源降压模块的5V输出端的GND之间，第二电阻R2与第二应变片串联在电源降压模块的5V输出端VCC与GND之间，第二应变片与第二电容C2并联在第二电感L2两端和电源降压模块的5V输出端的GND之间，实现了通过改变第一应变片、第二应变片的阻值来改变加到自身的电压值，通过LC型滤波电路滤波后输出对应的电压值，该电压值对应的就是对应应变片的变化量。
如图6所示，所述的PID控制算法调整转辙机工作的方案为：先在监测中心的PC机端的上位机中预设好尖轨与基本轨之间贴合时的压力预设值，再将应变片3反馈回来的压力值与压力预设值进行偏差计算，再将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，PC机根据控制量对转辙机进行控制，直到偏差值达到0时，PC机便判断尖轨与基本轨已经贴合，接着PC机控制转辙机停止运作，即完成对转辙机的控制。
本发明的工作原理与工作过程如下：
如图7所示，转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨施加到应变片3上的力逐渐增加，使得应变片3的阻值发生改变，通过信号调理电路板8将应变片3变化的阻值转换为对应的电压值，并将该电压值经过模拟量数据采集器9转换为数字量后，经过RS485通信方式向控制电路板10发送转换后的数字量信息，实现数据采集，再从控制电路板10中将输入的电压值换算为对应的压力值，并将换算好的压力值传输至监测中心的PC机端的上位机上显示，在监测中心的PC机端的上位机中加入PID控制算法对尖轨与基本轨之间贴合时的压力设定值和应变片3反馈回来压力值之间的偏差进行计算后，将信息传输给转辙机的监控软件，转辙机的监控软件根据接收到的压力值控制PC机向转辙机发送转动指令，当尖轨与基本轨之间压力未达到设定值时，转辙机需要继续转动，直到尖轨与基本轨之间压力达到预设值后，转辙机才停止转动，此时判断尖轨与基本贴合。

Claims (9)

1.一种用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：采用两个相同的压力感应器安装在尖轨两侧的基本轨上，用于检测尖轨是否贴近基本轨，将尖轨与基本轨之间的压力信号转换为电压变化信号进行处理，并将采集到的信息传输至信号处理机，通过信号处理机处理后发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端设置相应的上位机，用于工作人员直观的查看该处尖轨是否与基本轨紧密贴合，并采用PID控制算法根据压力感应器采集回来的值对转辙机进行控制，使转辙机带动尖轨紧贴基本轨。
2.根据权利要求1所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述的压力感应器包括应变片、第一金属铝板、弹簧、第二金属铝板，将弹簧安装在第一金属铝板与第二金属铝板之间，应变片安装在第二金属铝板与弹簧之间，且第二金属铝板安装在基本轨的轨底上，当转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨向第一金属铝板施加压力，第一金属铝板将尖轨施加来的力传递到弹簧上，由弹簧将力作用到应变片上，使得应变片的阻值发生变化，由信号处理机将应变片的阻值变化转换为对应的电压变化，再经过信号处理机处理后发送至PC机端的上位机中进行显示。
3.根据权利要求2所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述的信号处理机包括金属铝盒、信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、电源降压模块、北斗定位模块、GPRS模块，信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、电源降压模块、北斗定位模块、GPRS模块并排安装在金属铝盒中，由电源降压模块对转辙机的电源进行降压来为信号调理电路板、模拟量数据采集器、控制电路板、北斗定位模块、GPRS模块供电，由信号调理电路板将应变片的阻值转换为电压信号，并将该信号传输至模拟量数据采集器，经模拟量数据采集器处理后转化为数字量并通过RS485通信方式将该信息传输至控制电路板，在控制电路板中将输出的电压值换算为相应的压力值，这样既可实现对尖轨与基本轨之间的压力，北斗定位模块将定位信息传输到控制电路板中，由控制电路板控制GPRS模块将换算好的压力信息和对应转辙机的位置信息发送至铁路相关部门的监测中心，在监测中心的PC机端的上位机查看该处尖轨与基本轨是否贴合。
4.根据权利要求1所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述的监测中心的PC机为监控转辙机的PC机，PC机上设置的上位机与转辙机的监控软件之间有数据交换接口，便于转辙机的监控软件能根据监测中心的PC机上设置的上位机中的压力数据信息来控制转辙机的转动，进而使得尖轨与基本轨贴合。
5.根据权利要求3所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：检测道岔尖轨与基本轨贴合的方法为：先对系统进行初始化，转辙机带动尖轨向基本轨靠近时，尖轨施加到应变片上的力逐渐增加，使得应变片的阻值发生改变，通过信号调理电路板将应变片变化的阻值转换为对应的电压值，并将该电压值经过模拟量数据采集器转换为数字量后，经过RS485通信方式向控制电路板发送转换后的数字量信息，实现数据采集，再从控制电路板中将输入的电压值换算为对应的压力值，并将换算好的压力值传输至监测中心的PC机端的上位机上显示，在监测中心的PC机端的上位机中加入PID控制算法对尖轨与基本轨之间贴合时的压力设定值和应变片反馈回来压力值之间的偏差进行计算后，将信息传输给转辙机的监控软件，转辙机的监控软件根据接收到的压力值控制PC机向转辙机发送转动指令，当尖轨与基本轨之间压力未达到设定值时，转辙机需要继续转动，直到尖轨与基本轨之间压力达到预设值后，转辙机才停止转动，此时判断尖轨与基本贴合。
6.根据权利要求5所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：PID控制算法调整转辙机工作的方法为：先在监测中心的PC机端的上位机中预设好尖轨与基本轨之间贴合时的压力预设值，再将应变片反馈回来的压力值与压力预设值进行偏差计算，再将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，PC机根据控制量对转辙机进行控制，直到偏差值达到0时，PC机便判断尖轨与基本轨已经贴合，接着PC机控制转辙机停止运作，即完成对转辙机的控制。
7.根据权利要求3所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述电源降压模块将转辙机的电源分别降压至12V和5V，其中12V电压端为模拟量数据采集器、控制电路板供电，5V电压端为信号调理电路板、北斗定位模块、GPRS模块供电。
8.根据权利要求7所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述信号调理电路板上设有信号调理电路，所述信号调理电路包括第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第一电感、第二电感，由于同一处的尖轨采用了两个压力感应器，所以采用两个相同的电路对两个应变片进行压电转换，第一电阻和第一应变片串联在电源降压模块的5V输出端VCC与GND之间，第一应变片与第一电容并联在第一电感两端和电源降压模块的5V输出端的GND之间，第二电阻与第二应变片串联在电源降压模块的5V输出端VCC与GND之间，第二应变片与第二电容并联在第二电感两端和电源降压模块的5V输出端的GND之间，实现了通过改变第一应变片、第二应变片的阻值来改变加到自身的电压值，通过LC型滤波电路滤波后输出对应的电压值，该电压值对应的就是对应应变片的变化量。
9.根据权利要求1所述的用于检测道岔尖轨紧贴基本轨的方法，其特征在于：所述压力感应器安装在距离尖轨末端1.5米到2.5米之间对侧的基本轨上，采取对称安装的方式，即两根基本轨上分别安装一个压力感应器。
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