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基于数字传感器的断轨轨道衡数据采集系统设计
2019-11-05 09:41:14 来源:http://www.scalesh.com 作者:http://www.scalesh.com 【 】 浏览:0次 评论:0

0 引言

我国国民经济快速发展,国际贸易量日益增长。铁路运输因其运输量大、安全性强、价格低廉等优点成为我国主要货运方式,在货物运输领域占有相当大的比重。轨道衡作为铁路货运以及各大企业称重的大型计量设备,担负着企业原材料及产品的进出厂计量任务,对企业控制成本、提高经济效益有直接影响[1]

随着铁路信息化水平不断提升,用户需求愈发多样化,对轨道衡数据采集系统的实时性、稳定性要求越来越高。现有轨道衡数据采集仪大多基于模拟传感器,随着数字传感器实时性、稳定性的不断提高,可将数字传感器应用于轨道衡数据采集系统。

1 动态称量断轨轨道衡

轨道衡由承载基础、称量轨、称重台面、称重传感器、数据采集系统、计算机应用系统等部分组成。按照称量方式可将轨道衡分为静态称量轨道衡和动态称量轨道衡。动态轨道衡是一种动态称量运行中的铁路货运列车的自动化称量装置。动态轨道衡称重系统的核心功能是动态称重,要求列车在不停车的情况下,实现对列车各节车厢的自动称重以及机车、车辆的自动识别,并完成对整列车的重量累加。主要的特点是称量速度快、效率高[2]

所设计轨道衡为断轨单台面动态轨道衡,由引轨、称量轨、承重梁、过渡装置、限位装置、秤体、秤体基础等组成[3]。承载器设计长度为3.8 m,计量方式为转向架称量。称重系统称量的重量范围为21 t~100 t,称量车速一般为5 km/h~20 km/h。称量准确度达到JJG 234—2012《自动轨道衡》[4]检定规程确定的准确度1级要求。断轨单台面动态轨道衡承载基础结构如图1所示。

图1 断轨单台面动态轨道衡承载基础结构

图1 断轨单台面动态轨道衡承载基础结构  下载原图

2 称重传感器选型

传感器作为轨道衡设备中将重量信号转换为可测电信号的装置,其选型至关重要。传感器等级应达到C3级,测量频率满足200/s,重复性、稳定性满足1‰FS要求,并且满足室外工况应用条件。依据性能要求,选用C16i柱式称重数字传感器,能满足动态称量轨道衡称重数据采集稳定性和速度要求[5]。C16i柱式称重传感器性能指标见表1。

表1 C16i柱式称重传感器性能指标     下载原表

表1 C16i柱式称重传感器性能指标

传感器采用不锈钢材料,激光焊封,具有较好的防水防潮性能,符合EN 45501:2015《非自动称重仪器的计量》的电磁兼容性要求和GB/T7551—2008《称重传感器》要求[6,7],内置过压保护,具有自装配功能。传感器底部呈弧形,允许最大的负载侧边偏移量S=13 mm,最大偏移角度a=5°,减少了非垂直受力对传感器造成的损伤。安装简单,施工方便。称重传感器安装示意如图2所示。

数字传感器使用高精度24位ADC进行模数转换。供电电路采用高精度稳压器件提供恒压、恒流激励输出,电压输入范围宽,功耗低,同时减小了电压波动对采集精度的影响。适用于恶劣的工业RS485网络测量和控制应用。MODBUS-RTU协议用于实现双向半双工通信,严格的数据验证措施用于保障数据的可靠性。增强的EMC设计,具有良好的抗干扰性能。软件多重验证,校准数据的多重备份,硬件看门狗逻辑,通信接口无极性化设计,通信接口接错线保护,保障硬件的可靠性和容错性。

图2 称重传感器安装示意

图2 称重传感器安装示意  下载原图

3 数据采集系统硬件软件设计

3.1 系统硬件设计

系统硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

图3 系统硬件框图  下载原图

轨道衡数据采集仪硬件电路由ARM控制核心、电源管理模块、RS485通信接口模块以及网络通信接口模块等芯片外围电路模块组成。

(1)ARM控制核心。数据采集仪采用STM32F407芯片作为控制核心,CPU频率最高可达168 MHz,具有丰富的外设资源,性能好,集成度高,满足采集仪电路设计性能要求[8]。看门狗时钟能够在程序故障情况下复位MCU,芯片自带温度测量功能,能够实时监测CPU温度,温度过高即开启散热风扇。

(2)电源管理模块。电源管理电路采用电源管理芯片TPS75003管理电源,以满足系统对内核电压、外围I/O电压以及外围设备的供电电压要求。外部输入24 V电压,经过电源管理芯片转换后,产生3种输出电压12 V,5 V和3.3 V,分别给传感器、串行通讯、网络通讯和芯片供电。

(3)RS485通信模块。传感器与采集仪之间通过RS485实现数据交互,采用四线制差分形式传输,性能可靠,传输距离远。设置波特率为115 200 bps,传输速度快,效率高。

(4)网络接口模块。采集仪和工控机之间可视工况选择串口或网络通信。网络模块选用高性能的W5500以太网芯片。W5500集成了协议栈、数据链路层及物理层,为嵌入式系统提供了简易的互联网连接方案。W5500提供的SPI接口能够与外设MCU完美整合,并支持TCP,UDP,IPv4等多种协议,开发便捷,性能稳定可靠[9]

3.2 系统软件设计

系统程序流程图如图4所示。

图4 系统程序流程图

图4 系统程序流程图  下载原图

系统上电后,单片机初始化MCU、串口、网口等多种外设。初始化正常,上位机通过网口或串口发送上位机指令,设置采集仪相关参数。采集仪接收到上位机指令后,通过串口向四路传感器发送数据读取指令,等待传感器数据返回串口中断。当串口中断产生,采集仪接收传感器数据,解析、判断数据有效性并组帧。若数据准确,则将采样数据打包通过网口或串口发送给上位机软件,以待后续存储、处理及显示。否则,生成错误报告,发送至上位机。

4 现场检衡试验

采用该系统的动态电子轨道衡设计安装调试完成后,设备正式投入运营之前,需要通过国家轨道衡计量站的检定试验。检定以JJG 234—2012为依据[10],检定车速范围为5 km/h~16 km/h,检定分度值为200 kg,双方向计量。检衡车通过轨道衡台面时,传感器动态称量波形如图5所示。

图5 传感器动态称量波形

图5 传感器动态称量波形  下载原图

通道1—4合成波形如图6所示。

图6 通道1—4合成波形

图6 通道1—4合成波形  下载原图

由图5、图6可以明显观察到,波形开始为机车,接着是按检定规程编组顺序(68 t检衡车—76 t检衡车—50 t检衡车—84 t检衡车—20 t检衡车)的5辆检衡车。波形清晰,边沿抖动较少,经过称重软件滤波处理后,能准确计算出装载货物车辆重量。车辆称量准确度等级为1级,符合动态电子轨道衡相关技术条件要求。

5 结语

依据用户的实际使用需要,设计一种基于数字传感器断轨轨道衡数据采集系统。能够同时实现四路传感器数据信号采集、处理、组帧和保存,并且能够通过上位机实现数据实时显示、波形分析、重量值计算及数据采集各项参数的设置。基于该系统的动态电子轨道衡通过了国家轨道衡计量站检定,已经投入生产使用。测量范围、准确度等级和最大允许误差满足要求,称重准确,性能稳定。

Tags:地磅 责任编辑:admin
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