CN216645439U - 一种机车通风冷却设备的监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种机车通风冷却设备的监测系统，属于机车通风冷却设备监测技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种机车通风冷却设备的监测系统硬件结构的改进；解决上述技术问题采用的技术方案为：包括安装在机车的低压柜内部的监测主机和多个分别安装在牵引风机、冷却塔风机、辅助变压器柜风机的进风道和/或出风道外壁上的风机信号采集终端，风机信号采集终端连接有传感器模块，传感器模块包括风速传感器、振动加速度传感器、温度传感器，风速传感器设置在风机的进风道和/或出风道内部，振动加速度传感器设置在风机的驱动电机上，温度传感器设置在风机的驱动电机的前后轴承及机车外；本实用新型应用于HXD1型动力机车。

Description

一种机车通风冷却设备的监测系统

技术领域

本实用新型一种机车通风冷却设备的监测系统，属于机车通风冷却设备的监测系统技术领域。

背景技术

HXD1型电力机车的通风冷却设备采用集中式布局设计，针对机车通风冷却设备的风循环冷却的结构特点分析，风循环冷却是通过通风机从车顶吸入冷却空气，再通过风道与过滤网后进入风机，然后经出风道冷却下层的牵引电机、辅助变压器、主变压器、主变流器等，最后的热空气从机车车底排出，这样形成风循环冷却回路，达到冷却的目的。由于风循环冷却需要定量的空气进入，风循环冷却时空气从车顶吸入会带入大量粉尘及其它空气中的杂物，经过长期应用堵塞过滤网造成风量减小，机车通风冷却设备无法提供足够的冷却空气，最后导致牵引电机、主变压器、主变流器等内部温度升高造成机车应用故障，最终导致机车没有动力输出，机车在运行途中发生事故。由于机车复合通风冷却设备是密闭结构，对其风道内风速监测、温度临时检测极为不便，维护人员不能实时准确的掌握通风冷却设备风道内的工作状态，也无法精准判断运行过程的故障原因，为通风冷却设备的及时维护造成很多不便。

因此，针对上述问题提出了机车通风冷却设备的监测系统，本系统可选择对通风冷却设备进风口或者出风口的风量进行监测的方式，能及时准确发现机车冷却风量不足、电机工作异常及因过滤网、散热芯体堵塞造成的牵引发电机、主变压器及变流器等装置散热不足造成的应用事故有了提前的预警，为机车安全运用提高了效率。

实用新型内容

本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种机车通风冷却设备的监测系统硬件结构的改进。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种机车通风冷却设备的监测系统，包括监测主机、风机信号采集终端，所述监测主机通过导线与风机信号采集终端相连；

所述监测主机安装在机车的低压柜内部，所述风机信号采集终端设置有多个，分别安装在牵引风机、冷却塔风机、辅助变压器柜风机的进风道和/或出风道外壁上，每个所述风机信号采集终端均连接有传感器模块，所述传感器模块包括风速传感器、振动加速度传感器、温度传感器，其中风速传感器设置在风机的进风道和/或出风道内部，采集风机进风口和/或出风口的风速，振动加速度传感器设置在风机的驱动电机上，采集电机三轴振动速度，温度传感器设置在风机的驱动电机的前后轴承及机车外，采集风机的驱动电机前后轴承的温度及车外的环境温度。

所述监测主机通过以太网与机车控制主机双向通信。

所述监测主机内部设置有处理器，所述处理器通过导线分别与USB接口、CAN总线收发器、存储模块、DC/DC模块、SPI接口、I2C接口、USART接口、模拟/数字转换器相连，所述处理器通过TRDP网卡与以太网通信。

所述风机信号采集终端内部设置有微处理器，所述微处理器通过导线分别与风速传感器、振动加速度传感器、温度传感器相连，所述微处理器通过还导线分别与DC/DC模块、CAN总线收发器、RS485收发器、存储模块相连。

所述DC/DC模块的输入端均连接有EMC滤波电路。

所述处理器具体采用型号为STM32F407，所述TRDP网卡采用NETMODFast模块，所述存储模块具体采用型号为CAT25080VI-GT3。

所述微处理器具体采用型号为STM32F103，所述RS485收发器采用型号为RSM3485ECHT，所述风速传感器具体采用超声波风速仪型号为KSW-U，所述振动加速度传感器具体采用型号为TPS08U，所述温度传感器具体采用型号为TPS02R。

所述存储模块采用型号为CAT25080VI-GT3，所述CAN总线收发器采用型号为CTM8251KAT。

本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：

1、能实时监测通风冷却设备当前风量值，并可以在机车显示屏上进行显示，可为乘务人员直观的了解掌握当前风量信息；

2、本实用新型通过风速传感器及温度传感器监测到的风速及温度进行提前预警，能保障机车应用安全；

3、具有监测风机反转功能，防止风机反转造成不能给被冷却对象进行散热的功能；

4、具有监测电机轴承温度和振动速度功能，防止电机过温损坏、紧固件松动等造成安全事故；

5、具有在线状态所有的数据记录、存储功能，当本系统的监测值超出设定范围时，将该组报警数据进行异常记录，方便为维护人员查看运行情况；

6、所存储的数据可通过U盘拷贝，再通过上位机软件进行查阅，以便于通风冷却设备研发人员对其的进行分析，同时为通风冷却设备的优化升级设计提供第一手资料；

7、本系统采用模块化设计，扩展系统极佳，通过加装采集终端的方式对机车其它风机的轴温、振动速度、风速及风量进行监测或者对其他物理量进行监测。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步说明：

图1为本实用新型监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型监测主机处理器的电路结构示意图；

图3为本实用新型风机信号采集终端的电路结构示意图；

图4为本实用新型监测主机的电气接口结构示意图；

图5为本实用新型风机信号采集终端的实施例一的结构示意图；

图6为本实用新型风机信号采集终端的实施例二的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，本实用新型提供的通风冷却设备监测系统由监测主机（1个，安装在低压柜）、风机信号采集终端（6个，分别设置在4个牵引风机、1个冷却塔风机和1个辅助变压器柜风机处）、传感器模块（1个风速传感器、1个振动加速度传感器和2个温度传感器）构成，可实时监测机车、动车通风冷却系统（牵引通风系统、主变压器和变流器通风系统和机械间通风系统）的运行状态，监测参数包括风机进风道的风速、风机电机前后轴承温度、电机三轴振动速度和车外环境温度。

本实用新型将采集的风机监测参数信号通过CAN总线传输至监测主机，监测主机接收处理并存储监测参数，监测主机与HXD1型电力机车的控制主机通过以太网互联，在司机室监控界面可查询监测系统实时参数及通风冷却设备的状态。主要对4个牵引风机、1个冷却塔风机和1个辅助变压器柜风机运行参数进行实时监测。监测系统系统结构示意图如图1所示。

下面根据附图对本实用新型的各个部件进行详细描述。

1）、 监测主机

监测主机处理芯片采用ST的STM32F407，STM32系列基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex®-M4内核，片上集成Flash与SRAM，外设集成有CAN总线控制器，SPI接口，I2C接口，USART接口，USB 2.0全速接口，内嵌12位的模拟/数字转换器(ADC)。电路框图如图2所示。+24V输入电压经过EMC滤波稳压处理后，由隔离型DC/DC模块稳压转换为+3.3V和+5V，分别为MCU、以太网卡等供电。

CAN总线收发器采用ZLG(致远电子)公司的CTM8251KAT，CTM8251KAT符合ISO11898-2标准，单网络最多可连接110个节点，具有极低电磁辐射和高的抗电磁干扰性，高低温特性好，满足工业级产品要求。

TRDP网卡采用众志诚公司的NETMODFast模块，NETMODFast模块是以太网&TRDP 模块转TTL串行接口系列协议转换模块，以太网默认强制全双工100Mbps，TTL串口默认波特率为115200bps，以太网协议符合IEC61375-2-3与IEC61375-3-4的要求，支持TRDP协议。

参数存储采用ON公司的CAT25080VI-GT3，是1024x8bit的EEPROM。

运行数据存储采用1GB的SD Flash，LGA封装，直接焊接在PCB上。由nand闪存和高性能控制器组成，接口符合SD2.0接口，支持SPI模式。

2）、风机信号采集终端

风机信号采集终端处理芯片采用ST的STM32F103，STM32系列基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex®-M3内核，片上集成Flash与SRAM，外设集成有CAN总线控制器，SPI接口，I2C接口，USART接口，USB 2.0全速接口，内嵌12位的模拟/数字转换器(ADC)。风机信号采集终端的电路原理框图如图3所示。+24V输入电压经过EMC滤波稳压处理后，由隔离型DC/DC模块稳压转换为+24V为传感器供电。

参数存储采用ON公司的CAT25080VI-GT3，是1024x8bit的EEPROM。

CAN总线收发器采用ZLG(致远电子)公司的CTM8251KAT，CTM8251KAT符合ISO11898-2标准，单网络最多可连接110个节点，具有极低电磁辐射和高的抗电磁干扰性，高低温特性好，满足工业级产品要求。

485收发器采用ZLG(致远电子)公司的RSM3485ECHT，RSM3485ECHT集成电源隔离、电气隔离、RS-485接口芯片和总线保护器件于一身，隔离电压高达2500VDC。

温度传感器采用广州致远电子的TPS02R型双通道热电阻隔离测温模块，只需要接入PT100热电阻，即可完成温度的采集，采用标准的I2C接口输出以摄氏度为单位的温度数据。模块的测温精度高达0.02%±0.1℃，分辨率高达0.1℃。

振动加速度传感器采用广州致远电子的TPS08U型8通道标准工业信号采集模块，0-20mA电流量程，0-5V电压量程,0.1%测量精度，SPI通信接口，直接读取测量值。

3）、关于TRDP通讯

系统上电200ms后，给TRDP模块发送配置帧，配置成功后，等待1S再开始数据请求和发送数据的操作。MCU与TRDP模块的关系是主从关系，MCU为主，TRDP模块为从。

4）、实时时钟

监控主机后备电源是超级电容，约15天不通电情况，会失电。再上电时需要重新校时。

时间校准：时间与TRDP网络发过来的时间进行比较，如果相差大于10秒，则进行时间设定。

SD Flash数据记录的时间，优先使用EGWM时间，TRDP通讯中断时用监控主机的时钟。

5）、数据存储

风机信号采集终端将数据通过CAN网络发送给监控主机，数据存储在监控主机上，约可以存储20个月的数据，当存满的时候，先把最先存储的数据，删除一部分。

实时数据每6秒记录一次。存储的文件格式是CSV（暂定）。文件命名为：年+月+日+data_1.csv（暂定）。每天存一个文件，如果文件大于50M，则再创建一个文件，文件命名为：年+月+日+data_2.csv（暂定）。表头内容为：TIME，CHO，CH1…。其中TIME内容为年月日时分秒。记录的内容包括索引（每个文件的第一列，从1开始）、时间、EGWM发过来的内容（包括机车里程、车速、车号、辅助变压器电压，频率）、包括所有终端的数据（包括终端号）。

关于事件数据。事件触发记录一次。存储的文件格式是CSV（暂定）。文件命名为：年+月+日+event_1.csv（暂定）。每天存一个文件，如果文件大于50M，则再创建一个文件，文件命名为：年+月+日+event_2.csv（暂定）。表头内容为：TIME，ACT，CONTENT。其中TIME内容为年月日时分秒，ACT为故障次数，CONTENT指的是故障信息。

关于数据转存，检测到有U盘时，开始将SD Flash里的数据复制到U盘里。速度为约为3M/s。监控主机上设置有存储指示灯，复制数据时指示灯闪烁，复制完成指示灯常亮，取下U盘时指示灯熄灭。

6）、CAN通讯

风机信号采集终端1的电路板和监控主机电路板上都可以选择通过安装短路冒接入终端电阻。终端1电路板上设置4位拨码开关，用来对终端进行编号（1-15）。

本实用新型各部件主要技术参数如下：

1）、监测主机主要技术参数

1.监测主机启动及运行工作温度

启动：-40℃～70℃；运行：-40℃～70℃。

2.电源：DC24V±25%

3.功率：<8W

4.通讯接口：以太网接口（M12连接器），通过此接口，可与机车以太网交换机进行通讯。

2）、监测主机的技术性能

1.监测主机对连接的采集终端具有自动识别功能。每台风机信号采集终端都有预设的编码，风机信号采集终端通过CAN电缆连接监测主机时，监测主机能够立即与风机信号采集终端建立正常通讯。

2.监测主机能实时存储被监测参数，数据每6秒存储一次。监测主机采用工业级存储器，存储容量1GB，并能通过带USB接口的移动存储器提取数据，提取过程中存储指示灯闪烁。

3.监测主机具有以太网通信功能，接口及通信协议按照规范性引用文件“动力集中动车组动力车网络控制系统与通风监测系统以太网协议”的规定。

4.监测主机具有状态指示功能：主机电源指示灯通电时红色常亮。

5.监测主机具有手动复位功能：长按复位按钮2秒监测系统能够重新启动。

3）、风机信号采集终端技术参数

1.信号采集终端及所有传感器的启动及运行工作温度：

启动：-40℃～70℃；运行：-40℃～70℃。

2.电源：24VDC±25%

3.功率：<2W

4.风速的监测范围是0～40m/s；准确度等级：±1m/s（0-10m/s），±10%（>10m/s）。有判断风向的功能。环境温度测量精度：±1℃；（注：只有冷却塔风机用风速传感器带环温监测，适用本条参数规定）。

5.振动速度测量范围：0～20mm/s；

测量方向：三向（X轴、Y轴、Z轴两两垂直）；

电源：9～36VDC；

测量范围： 0～20mm/s（有效值）；

频率响应：不少于4～1000Hz，±3dB；

信号输出：4～20mA；

精度：±0.5mm/s（0～5mm/s），±10%（＞5mm/s）；

防护等级：IP67；

出线方式：四芯电缆；

安装方式：M4x30螺栓安装。

6.电阻类别：铂电阻；

分度号：Pt100，分度特性符合JB/T8622-1997；

测量温度范围：-40℃～+200℃；

接线方式：三线制；

防护等级 IP68 ；

允差等级：B级；

推荐工作电流：1mA。

7.风机信号采集终端具有通信功能，能够将检测信号以及传感器状态经CAN总线发送至监测主机。

8.风机信号采集终端具有状态指示功能。

9.风机信号采集终端电源指示灯为红色，通电时常亮；

10.传感器状态指示灯为黄绿双色灯，能够显示连接传感器的工作状态。传感器正常工作时，指示灯为绿色。传感器异常时，指示灯为黄色。

本实用新型的电气接口规定如下：

监测主机安装在机械间低压柜，对信号采集终端传输的信号集中处理，可将数据存储至U盘，数据通过以太网电缆与列控EGWM系统实时通讯。监测主机电气接口如图4所示，下表1为监测主机电机接口采用的型号。

表1 监测主机电机接口采用的型号

风机信号采集终端安装于被监测风机的进风道外壁，轴承温度传感器、风速仪、三轴振动速度传感器通过屏蔽电缆与信号采集终端连接。风机信号采集终端1的电气接口如图5所示，下表2为风机信号采集终端1的电气接口采用型号；风机信号采集终端2的电气接口如图6所示，下表3为风机信号采集终端2的电气接口采用型号。

表2 风机信号采集终端1的电气接口采用型号

表3 风机信号采集终端2的电气接口采用型号

本实用新型的机车通风冷却设备风量监测系统（以下简称系统）主要适用于HXD1型电力机车的牵引风机进（出）风口处、辅变柜风机（出）风口处、复合油水冷却塔进（出）风口处的风量及冷却塔散热器温度监测，以及这些电机轴温和振动的监测，本系统采用数字信号处理技术、电子设计自动化技术、微控制单元技术等研制而成，用于监测机车通风冷却设备风道内的风量及散热器的散热芯体间隙温度。通过本监测系统安装在牵引风机、辅变风机、冷却塔（进）出风口处的风速传感器监测到的风速大小来判断通风冷却设备的散热情况量判断风道内的过滤网及散热器的堵塞情况，也可以针对单一通风冷却设备进行风速、风量信息监测；通过安装在电机上的温度传感器和振动传感器监测到的温度值和振动值大小，来判断电机是否工作正常。系统主机将运行数据和报警信息发给机车微机，微机显示屏对风速、轴承温度、振动速度、提示信息等情况进行显示，让司乘人员及售后维护人员实时掌控通风冷却设备的运行情况；通过本系统应用进一步提高了通风冷却设备对牵引电机、辅助变压器、主变压器及变流器等被冷却对象的散热效率，可以及时提醒售后维护人员对通风冷却设备进行维护和检修，也起到了在机车出库时赴线上运行前及时发现通风冷却设备散热不畅引起的机车运行事故甚至击破事故。

通过本系统对机车通风冷却设备的全面监测，给通风冷却设备的维护提供了参考，同时减少通风冷却设备的故障，大大的提高了机车的使用效率；填补了我国机车通风冷却设备全方位监测的空白。

关于本实用新型具体结构需要说明的是，本实用新型采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本实用新型提出的技术问题，本实用新型中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：包括监测主机、风机信号采集终端，所述监测主机通过导线与风机信号采集终端相连；

所述监测主机安装在机车的低压柜内部，所述风机信号采集终端设置有多个，分别安装在牵引风机、冷却塔风机、辅助变压器柜风机的进风道和/或出风道外壁上，每个所述风机信号采集终端均连接有传感器模块，所述传感器模块包括风速传感器、振动加速度传感器、温度传感器，其中风速传感器设置在风机的进风道和/或出风道内部，采集风机进风口和/或出风口的风速，振动加速度传感器设置在风机的驱动电机上，采集电机三轴振动速度，温度传感器设置在风机的驱动电机的前后轴承及机车外，采集风机的驱动电机前后轴承的温度及车外的环境温度。

2.根据权利要求1所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述监测主机通过以太网与机车控制主机双向通信。

3.根据权利要求2所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述监测主机内部设置有处理器，所述处理器通过导线分别与USB接口、CAN总线收发器、存储模块、DC/DC模块、SPI接口、I2C接口、USART接口、模拟/数字转换器相连，所述处理器通过TRDP网卡与以太网通信。

4.根据权利要求1所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述风机信号采集终端内部设置有微处理器，所述微处理器通过导线分别与风速传感器、振动加速度传感器、温度传感器相连，所述微处理器通过还导线分别与DC/DC模块、CAN总线收发器、RS485收发器、存储模块相连。

5.根据权利要求3或4所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述DC/DC模块的输入端均连接有EMC滤波电路。

6.根据权利要求3所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述处理器具体采用型号为STM32F407，所述TRDP网卡采用NETMODFast模块，所述存储模块具体采用型号为CAT25080VI-GT3。

7.根据权利要求4所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述微处理器具体采用型号为STM32F103，所述RS485收发器采用型号为RSM3485ECHT，所述风速传感器具体采用超声波风速仪型号为KSW-U，所述振动加速度传感器具体采用型号为TPS08U，所述温度传感器具体采用型号为TPS02R。

8.根据权利要求3或4所述的一种机车通风冷却设备的监测系统，其特征在于：所述存储模块采用型号为CAT25080VI-GT3，所述CAN总线收发器采用型号为CTM8251KAT。

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