CN208476300U - 一种电力机车冷却塔检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电力机车冷却塔检测装置，属于电力机车领域。包括控制模块、电源模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和检测模块；检测模块包括电流频率采集单元、温度采集单元和复合传感器单元，检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块和报警模块与控制模块电连接，检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和控制模块与电源模块电连接。该装置采用了嵌入式ARM控制处理器、在线监测、4G无线物联网技术、云数据储存及处理等先进科学技术，以“视觉+声音”的提示方式掌控机车复合冷却塔的运行状态，在重大故障发生前，发出“预警”或“警告”信息提示及时采取相应措施，防止发生行车事故。

Description

一种电力机车冷却塔检测装置

技术领域

本实用新型涉及电力机车领域，特别是涉及一种电力机车冷却塔检测装置，尤其涉及一种通过ARM处理器控制的电力机车冷却塔检测装置。

背景技术

现代化大功率电力机车应用中，随着牵引电机功率越来越大，牵引变流器的散热问题日益凸显，这其中包括有IGBT 和二极管等大功率半导体器件，也包括变压器、电抗器、电容等器件。上述器件发热大，实际散热的热流密度也越来越大，但是最高耐受温度有限，而工作温度及其波动对电力电子器件的寿命和可靠性有非常大的影响；另外，工作温度对某些器件的通过电流也有直接关系。在这个领域，各种散热技术层出不穷，各有优缺点，但是现有的设计中已经存在一些瓶颈。现有技术中通常采用复合冷却塔对机车中的各种设备及电子元件进行冷却。

复合冷却塔是机车上最关键的和高效的热交换装置，高温流体（来自功率元件与变压器）的通过热交换体，热交换体放置于一个风道内，风机强迫冷却空气掠过热交换体，在热交换体表面形成热交换，带走流体热量，使流体温度下降；冷却风从机车上部进入，底部是出风口。如图1所示，为常见的电力机车冷却塔，其包括副油箱1、风机2、水箱3、水泵4、主变流器5、干燥器6、冷却塔7、水散热器8（水热交换器）、油散热器9、油泵10、主变压器11和布赫继电器12等结构。在上述结构中，为了增加水散热器8和油散热器9换热面积，热交换体采用了密集翅片式结构，散热翅片的材料为铝材。复合冷却塔安装在机车两端靠中部位置，机车运行中，从上部进入冷却风会带入大量的粉尘，由于散热翅片的密集结构，粉尘容易在翅片上堆集，这种堆集造成两种结果，一是换热片热交换能力下降，二是风道堵塞。市面上没有一种用于对机车冷却塔进行监控的设备，以便于获取各种参数，以便及时清理机车冷却塔内的粉尘（堆积要达到一定量才会影响散热）保证其冷却效果。

发明内容

本实用新型实施例提供了一种电力机车冷却塔检测装置，该装置采用了嵌入式ARM控制处理器、在线监测、4G无线物联网技术、云数据储存及处理等先进科学技术，以“视觉+声音” 的提示方式掌控机车复合冷却塔的运行状态，在重大故障发生前，发出“预警”或“警告”信息提示以便及时采取相应措施防止发生行车事故。该装置具备远程无线传输功能，设备运行状态和异常数据实时传递到地面专家分析系统，专业技术人员可通过地面专家分析系统实时掌握复合冷却塔的运行状态，为机务检修和乘务人员能及时发现和排除复合冷却塔的安全隐患；可合理的安排复合冷却塔的维护和更换时间；可保障复合冷却塔全寿命周期内的安全运行，将安全事故处理在萌芽状态，杜绝因复合冷却塔故障引发的行车事故。所述技术方案如下：

本实用新型实施例提供了一种电力机车冷却塔检测装置，该装置包括控制模块、电源模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和至少一组检测模块；所述检测模块包括用于检测冷却塔风机的电流频率的电流频率采集单元、用于检测水热交换器出口水温的温度采集单元和用于检测机车室内侧进风口的压力与温度的复合传感器单元，所述检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块和报警模块与控制模块电连接，所述检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和控制模块与电源模块电连接。

其中，该检测装置设于机车内的配电柜上方，所述检测模块的数量为两组用于分别检测机车内的两台冷却塔的参数。

具体地，本实用新型实施例提供的控制模块包括STM32F407芯片。

其中，本实用新型实施例提供的电流频率采集单元包括依次电连接的电流互感器、第一调理电路和第一线性光耦隔离元件，所述第一线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，所述第一调理电路与电源模块电连接。

其中，本实用新型实施例提供的温度采集单元包括依次电连接的第一温度传感器、第二调理电路和第二线性光耦隔离元件，所述第二线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，所述第二调理电路和第一温度传感器与电源模块电连接。

其中，本实用新型实施例提供的复合传感器单元包括第二温度传感器、压力传感器、第三调理电路和第三线性光耦隔离元件，所述第二温度传感器和压力传感器均与第三调理电路和电源模块电连接，所述第三线性光耦隔离元件与电源模块、第三调理电路和控制模块电连接，所述第三调理电路与电源模块电连接。

其中，本实用新型实施例提供的调理电路包括STM32F373芯片。

进一步地，该装置还包括通讯接口模块，所述通讯接口模块与控制模块和电源模块电连接，所述通讯接口包括CAN总线单元、485总线单元和USB接口单元，所述CAN总线单元与485总线单元与上位机进行通信。

其中，本实用新型实施例提供的无线通信模块为GPRS或4G无线模块。

其中，本实用新型实施例提供的电源模块包括第一DC/DC隔离变换单元、第二DC/DC隔离变换单元、第三DC/DC隔离变换单元、第一DC/DC非隔离变换单元、第二DC/DC非隔离变换单元、第三DC/DC非隔离变换单元、第四DC/DC非隔离变换单元和第五DC/DC非隔离变换单元；

所述第一DC/DC隔离变换单元与EMC电连接并输出12V电压为报警模块和检测模块中的调理电路供电；

所述第二DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，所述第四DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件供电；

所述第三DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，所述第五DC/DC非隔离变换单元与第三DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件供电；

所述第一DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出-12V电压为检测模块中的调理电路供电；

所述第二DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为无线通信模块供电，所述第三DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC非隔离变换单元电连接并输出3.3V电压为控制模块和检测模块中的线性光耦隔离元件供电。

本实用新型实施例提供的技术方案的有益效果为：

①选用工业级嵌入式彩色触摸屏，图文并茂，声光报警， UI人机界面友好。

②具有4G无线数据传输功能，能将复合冷却塔的实时运行状态准确的传回到地面监控中心。

③独立于复合冷却塔系统之外，是原有控制、保护电路的完善和补充，对复合冷却塔系统乃至机车的安全运行有着重要的意义。

④设有历史曲线数据查询、U盘数据导出、无线数据传输、云数据储存、地面专家分析系统等功能；为机务人员操作、检修人员日常维护和维修提供依据；也可为复合冷却塔系统的改进提供科学有效的数据。

⑤可实现“可视+可听+可遥测”功能，在线实时复合冷却塔的工作状态，做到“现场机务人员操作心中有数，千里之外专家可以决策”。

⑥有效地提高了安全管理效率，能实时播报复合冷却塔运行中的安全隐患，为决策处理、合理有计划地安排复合冷却塔维护周期，延长复合冷却塔安全使用寿命提供有效的技术保障，切实做到“防微杜渐，防范于未然”。

附图说明

图1为现有的复合冷却塔的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的电力机车冷却塔检测装置的原理框图；

图3为本实用新型实施例提供的电力机车冷却塔检测装置的详细原理框图；

图4为本实用新型实施例提供的电源模块的原理框图；

图5为本实用新型实施例提供的电力机车冷却塔检测装置的控制流程图。

图中：1副油箱、2风机、3水箱、4水泵、5主变流器、6干燥器、7冷却塔、8水散热器、9油散热器、10油泵、11主变压器、12布赫继电器。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图1-5，本实用新型实施例提供了一种电力机车冷却塔检测装置，该装置包括控制模块、电源模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和至少一组检测模块（通常为两组）等。检测模块包括用于检测冷却塔风机2的电流频率的电流频率采集单元、用于检测水热交换器8出口水温的温度采集单元和用于检测机车室内侧进风口的压力与温度的复合传感器单元等，检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块和报警模块与控制模块电连接用于实现对整个装置进行控制，检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和控制模块与电源模块电连接用于为各模块供电。电流频率采集单元、温度采集单元和复合传感器单元设于适应的位置且均与控制模块和电源模块电连接。本实施例中的检测单元均包括光电隔离单元、调理电路和对应的传感器。

该装置通过检测模块对水热交换器出口水温、风机运行电流频率以及机车室内侧进风口负压及温度等参数进行实时在线监测。由于铁路机车运行环境的复杂性，冷却塔风道内会吸入树叶、塑料等杂物，造成风道快速堵塞，通过监测电力机车冷却塔内环境参数与电机电气参数，判断电力机车复合冷却塔系统的运行情况，司乘人员可以根据触摸屏显示模块和报警模块的提示信息类型进行相应处理。同时该装置会自动记录保存30天以上的监测信息并保存在储存模块中，通过无线通信模块将复合冷却塔的实时运行状态准确的传回到地面监控中心。

其中，该检测装置的各模块（除检测结构的传感器设于对应位置）均设于机箱内且设于机车内的配电柜内或上方以便于实时监测，检测模块的数量为两组用于分别检测机车（单端）内的两台冷却塔的参数。

具体地，本实用新型实施例提供的控制模块可以为单片机或者微处理器等，如ARM处理器；具体包括ARM处理器主芯片和其复位电路及外部晶振电路等。更具体地，控制模块包括STM32F407芯片，其有强大的多任务处理功能，以满足多信号同时处理的要求。

其中，本实用新型实施例中的触摸屏显示模块可以采用7寸高温彩色屏。

其中，本实用新型实施例中的储存模块可以采用512M flash存储器。

其中，本实用新型实施例中的报警模块包括蜂鸣器。

其中，本实用新型实施例提供的电流频率采集单元包括依次电连接的电流互感器、第一调理电路和第一线性光耦隔离元件，第一线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，第一调理电路与电源模块电连接，电流互感器设于风机2配电处。

其中，本实用新型实施例提供的温度采集单元包括依次电连接的第一温度传感器、第二调理电路和第二线性光耦隔离元件，第二线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，第二调理电路和第一温度传感器与电源模块电连接。

其中，本实用新型实施例提供的复合传感器单元包括第二温度传感器、压力传感器、第三调理电路和第三线性光耦隔离元件，第二温度传感器和压力传感器均与第三调理电路和电源模块电连接，第三线性光耦隔离元件与电源模块、第三调理电路和控制模块电连接，第三调理电路与电源模块电连接。

其中，本实用新型实施例提供的调理电路（第一调理电路、第二调理电路和第三调理电路）用于将检测的信号转化为4-20mA并进行数字滤波；其具体可以包括STM32F373芯片。

其中，本实施例中的温度传感器（第一温度传感器和第二温度传感器）为PT1000铂电阻进行测量水温。第一温度传感器设于水热交换器8的出水口处，第二温度传感器设于冷却塔进风口处。

其中，本实施例中的压力传感器采用带隔离的OEM压阻式0-7kPa压力传感器，可用于测量正负压力，输出0-68mV，具有宽温补偿-10℃-80℃，具有高稳定、高精度特性。压力传感器于冷却塔进风口处。

其中，本实施例中的线性光耦隔离元件（第一线性光耦隔离元件、第二线性光耦隔离元件和第三线性光耦隔离元件）用于将检测信号与控制模块隔离以保证各路信号不相互干扰。

其中，本实施例中的线性光耦隔离元件设于本检测装置（除传感器以外的其他结构基本都设于机壳中）的机壳中，传感器设于相应位置，线性光耦隔离元件与传感器通过4芯线（12V、GND和电流4-20mA信号或频率4-20mA信号）连接。

进一步地，该装置还包括通讯接口模块，用于采用有线的形式与上位机或U盘等对外进行信息交互，可通过U盘将数据进行周期导出，便于统计分析电力机车复合冷却塔系统的年故障率。具体可以采用多种方式实现，如CAN总线、485总线和USB接口等。其中，通讯接口模块与控制模块和电源模块电连接，通讯接口包括CAN总线单元、485总线单元和USB接口单元，均由光耦与相应的驱动芯片组成，CAN总线单元、485总线单元和USB接口单元均与控制模块和电源模块电连接，CAN总线单元与485总线单元与上位机进行通信。

其中，本实用新型实施例提供的无线通信模块为GPRS或4G无线模块。当然，根据需要也可以采用其他无线通信模块。

其中，本实用新型实施例提供的电源模块用于为整个装置供电，包括多个隔离转换单元和多个非隔离转换单元,可以为不同元件提供适应的电压并根据需要进行隔离以提高检测精度，如12V、5V、3.3V和-12V等。

具体地，参见图4，电源模块包括第一DC/DC隔离变换单元、第二DC/DC隔离变换单元、第三DC/DC隔离变换单元、第一DC/DC非隔离变换单元、第二DC/DC非隔离变换单元、第三DC/DC非隔离变换单元、第四DC/DC非隔离变换单元和第五DC/DC非隔离变换单元等。第一DC/DC隔离变换单元与EMC电连接并输出12V电压为报警模块和检测模块中的调理电路供电。第二DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，第四DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件(传感器一侧)供电。第三DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，第五DC/DC非隔离变换单元与第三DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件(传感器一侧)供电。第一DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出-12V电压为检测模块中的调理电路供电。第二DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为无线通信模块、储存模块、通讯接口模块和触摸屏显示模块等供电，第三DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC非隔离变换单元电连接并输出3.3V电压为控制模块和检测模块中的线性光耦隔离元件（控制模块一侧）供电。

其中，本实施例中的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和“第五”仅用作区分作用，无其他特殊意义。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，包括控制模块、电源模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和至少一组检测模块；所述检测模块包括用于检测冷却塔风机的电流频率的电流频率采集单元、用于检测水热交换器出口水温的温度采集单元和用于检测机车室内侧进风口的压力与温度的复合传感器单元，所述检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块和报警模块与控制模块电连接，所述检测模块、无线通信模块、储存模块、触摸屏显示模块、报警模块和控制模块与电源模块电连接。

2.根据权利要求1所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，该检测装置设于机车内的配电柜上方，所述检测模块的数量为两组用于分别检测机车内的两台冷却塔的参数。

3.根据权利要求2所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述控制模块包括STM32F407芯片。

4.根据权利要求2所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述电流频率采集单元包括依次电连接的电流互感器、第一调理电路和第一线性光耦隔离元件，所述第一线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，所述第一调理电路与电源模块电连接。

5.根据权利要求2所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述温度采集单元包括依次电连接的第一温度传感器、第二调理电路和第二线性光耦隔离元件，所述第二线性光耦隔离元件与控制模块和电源模块电连接，所述第二调理电路和第一温度传感器与电源模块电连接。

6.根据权利要求2所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述复合传感器单元包括第二温度传感器、压力传感器、第三调理电路和第三线性光耦隔离元件，所述第二温度传感器和压力传感器均与第三调理电路和电源模块电连接，所述第三线性光耦隔离元件与电源模块、第三调理电路和控制模块电连接，所述第三调理电路与电源模块电连接。

7.根据权利要求4或5或6所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述调理电路包括STM32F373芯片。

8.根据权利要求1所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，该装置还包括通讯接口模块，所述通讯接口模块与控制模块和电源模块电连接，所述通讯接口包括CAN总线单元、485总线单元和USB接口单元，所述CAN总线单元与485总线单元与上位机进行通信。

9.根据权利要求1所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述无线通信模块为GPRS或4G无线模块。

10.根据权利要求2所述的电力机车冷却塔检测装置，其特征在于，所述电源模块包括第一DC/DC隔离变换单元、第二DC/DC隔离变换单元、第三DC/DC隔离变换单元、第一DC/DC非隔离变换单元、第二DC/DC非隔离变换单元、第三DC/DC非隔离变换单元、第四DC/DC非隔离变换单元和第五DC/DC非隔离变换单元；

所述第一DC/DC隔离变换单元与EMC电连接并输出12V电压为报警模块和检测模块中的调理电路供电；

所述第二DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，所述第四DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件供电；

所述第三DC/DC隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出12V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的传感器供电，所述第五DC/DC非隔离变换单元与第三DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为另一个冷却塔中的检测模块中的线性光耦隔离元件供电；

所述第一DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出-12V电压为检测模块中的调理电路供电；

所述第二DC/DC非隔离变换单元与第一DC/DC隔离变换单元电连接并输出5V电压为无线通信模块供电，所述第三DC/DC非隔离变换单元与第二DC/DC非隔离变换单元电连接并输出3.3V电压为控制模块和检测模块中的线性光耦隔离元件供电。