中國(guó)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)負(fù)荷能耗測(cè)試分析裝置設(shè)計(jì)

0 引言

由于國(guó)內(nèi)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的容量參數(shù)大部分是直接引用國(guó)外樣機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，無法確定中國(guó)動(dòng)車組現(xiàn)有輔助供電系統(tǒng)參數(shù)的合理性。為了在設(shè)計(jì)上更好地適應(yīng)中國(guó)鐵路復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境以及適應(yīng)中國(guó)設(shè)計(jì)和制造平臺(tái)，滿足長(zhǎng)距離、長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行條件，實(shí)現(xiàn)中國(guó)高速動(dòng)車組技術(shù)全面獨(dú)立，從2012年初開始，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)、高校和科研單位等就已著手聯(lián)合各種優(yōu)勢(shì)力量，開展相關(guān)的研究工作。

通過對(duì)中國(guó)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)負(fù)荷能耗進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤試驗(yàn)，才能獲得其負(fù)荷能耗的實(shí)際消耗值，為中國(guó)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。本文對(duì)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)負(fù)荷能耗測(cè)試裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各負(fù)荷的電壓、電流、功率因數(shù)、能耗等測(cè)試量的采集、記錄和存儲(chǔ)等，從而得到各負(fù)荷的運(yùn)行狀況，為中國(guó)動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 整體設(shè)計(jì)方案

因動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)的各負(fù)載分布于8節(jié)編組車輛中，動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)負(fù)荷能耗測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)方案將下位機(jī)配置在每一節(jié)車輛中，下位機(jī)接收到工控機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令后，將采集的數(shù)據(jù)通過車載以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)焦た貦C(jī)，工控機(jī)將接收的數(shù)據(jù)在其數(shù)據(jù)采集軟件上進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，整體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 能耗測(cè)試裝置整體方案結(jié)構(gòu)

單節(jié)車廂所配置的數(shù)據(jù)采集器是基于電壓、電流互感器制作而成，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)對(duì)濾波格式轉(zhuǎn)化等簡(jiǎn)單處理后再通過車載以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中。

2 下位機(jī)設(shè)計(jì)方案

下位機(jī)硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、以STM32F103單片機(jī)為核心的智能處理裝置2大部分組成，其中智能處理裝置由CPU芯片、供電模塊、鍵盤模塊、存儲(chǔ)模塊、通信模塊、地址模塊、啟動(dòng)模塊等部分構(gòu)成[6～9]。下位機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

下位機(jī)信號(hào)采集模塊采用RN7302三相電測(cè)儀表專用芯片進(jìn)行電量信息的采樣和檢測(cè)。下位機(jī)除信號(hào)采集模塊外還包括電流互感器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)等外圍電路。電流信號(hào)經(jīng)電流互感器，電壓信號(hào)經(jīng)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)均傳送給計(jì)量芯片RN7302進(jìn)行處理，由其完成各電能參數(shù)的測(cè)量，并通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳遞給STM32F103進(jìn)行處理。

圖2 下位機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.2 智能處理單元設(shè)計(jì)

智能處理裝置是下位機(jī)的核心，采用STM32F103單片機(jī)及其擴(kuò)展電路實(shí)現(xiàn)下位機(jī)控制和運(yùn)算處理功能。STM32F103單片機(jī)對(duì)RN7302采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、存儲(chǔ)等功能。

2.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)具備可靠的信號(hào)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)修改等功能。本設(shè)計(jì)中以Keil uVision4為平臺(tái)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)的各模塊及其功能如下：

（1）信號(hào)采集處理模塊：采集電量數(shù)據(jù)，處理轉(zhuǎn)換。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：按時(shí)存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

（3）芯片通訊模塊：芯片之間傳輸數(shù)據(jù)。

（4）網(wǎng)絡(luò)通訊模塊：在上下位機(jī)之間實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

（5）按鍵掃描模塊：通過按鍵可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作。

主循環(huán)程序主要完成電量計(jì)算、數(shù)據(jù)保存、掃描按鍵、數(shù)據(jù)通信等功能。下位機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，清除看門狗，采集器開始正式工作；隨后采集器對(duì)當(dāng)前時(shí)間段內(nèi)的電量進(jìn)行計(jì)量，每到一定時(shí)間對(duì)當(dāng)前的電量進(jìn)行一次計(jì)量，儲(chǔ)存當(dāng)時(shí)的電能值。在主程序中，不同條件下的中斷會(huì)導(dǎo)致各相應(yīng)模塊產(chǎn)生中斷響應(yīng)，并在滿足條件的情況下調(diào)用子程序。在計(jì)量過程中，需要通過軟件對(duì)計(jì)量的數(shù)值格式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。CPU可讀取當(dāng)前寄存器的數(shù)據(jù)處理結(jié)果并通過網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)送給上位機(jī)。下位機(jī)的主程序流程如圖3所示。

圖3 下位機(jī)主程序流程

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)直接采用安裝了Win7系統(tǒng)的工控機(jī)，因此只需進(jìn)行上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。上位機(jī)采用LabVIEW開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件[10～13]。

正常運(yùn)行過程中，下位機(jī)需要通過以太網(wǎng)交換機(jī)向工控機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，而工控機(jī)需將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，工控機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL。上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

為了完成數(shù)據(jù)采集，首先建立工控機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件與數(shù)據(jù)庫(kù)的正常連接，同時(shí)采用UDP協(xié)議與8節(jié)車廂進(jìn)行數(shù)據(jù)通信連接。準(zhǔn)備工作完成后，通過以太網(wǎng)交換機(jī)向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，此時(shí)下位機(jī)采集系統(tǒng)開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作，同時(shí)通過以太網(wǎng)交換機(jī)向工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，工控機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過數(shù)據(jù)采集軟件的人機(jī)接口界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的目的。同時(shí)，工控機(jī)軟件系統(tǒng)加入了故障顯示與處理模塊，發(fā)現(xiàn)故障信號(hào)后可及時(shí)報(bào)警與存儲(chǔ)，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行以及后期維護(hù)提供了可靠的技術(shù)手段。

圖4 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理流程

4 單節(jié)車輛數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計(jì)

對(duì)單節(jié)車輛的數(shù)據(jù)采集方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 單節(jié)車輛數(shù)據(jù)采集方案

因各負(fù)載在輔助供電系統(tǒng)中均設(shè)有統(tǒng)一的端子編號(hào)，根據(jù)端子編號(hào)，在相應(yīng)的端子排電流進(jìn)線端卡接互感器。當(dāng)負(fù)載工作時(shí)，下位機(jī)數(shù)據(jù)采集器接收互感器采集的電流信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后通過下位機(jī)的通信模塊傳輸出去，并通過車載以太網(wǎng)交換機(jī)將數(shù)據(jù)傳遞給工控機(jī)，由工控機(jī)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示。

該裝置一共需要制作8個(gè)數(shù)據(jù)采集器以滿足不互通車廂中壓負(fù)荷的數(shù)據(jù)采集工作，而上位機(jī)控制中心則只需1臺(tái)設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)圖片如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)圖片

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠，并提供了布局簡(jiǎn)潔合理、重點(diǎn)突出、易于監(jiān)控、操作簡(jiǎn)單、方便實(shí)驗(yàn)人員調(diào)試和使用并適合長(zhǎng)期無人值守的人機(jī)交互界面，完全實(shí)現(xiàn)了對(duì)輔助供電系統(tǒng)各負(fù)荷的電壓、電流、功率、功率因數(shù)和能耗等測(cè)試量的采集、記錄和存儲(chǔ)功能，為以后的數(shù)據(jù)下載以及動(dòng)車組輔助供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性分析提供了條件。

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