铁路列车制动压力采集系统

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1、铁路列车制动压力采集系统目录一、引言二、列车制动系统国内外研究现状三、列车制动原理四、压力采集系统设计方案五、元器件选择及其参数六、总结一、引言铁路运输至今仍然是我国客、货运输的命脉。随着我国综合国力的提高以及运输业的迅猛发展对铁路的安全性要求也越来越高。而列车行车安全作为铁路运输的重中之重，是以列车制动系统的稳定、可靠、正确运行为保证的。目前我国列车已多次提速，提速后的列车对制动系统的稳定性、可靠性提出了更加严格的要求。如果行车中制动系统出现故障或存在隐患，而不能被及时发现和处理，将直接危及车辆、旅客和物资的安全，造成重大损失。另外国内在自行研制列车制动机故障监控装置方面还是空白，虽然有引进

2、国外的类似装置，但是使用范围受限。制动系统对列车运行安全具有举足轻重的作用，随着铁道技术的不断进步，已经出现了多种制动方式，但对货物列车而言，空气制动仍然是最基本的制动方式。铁路列车相比于汽车是个庞然大物。要使这样一个庞大的运动体系在高速运行中停下来显然不是一个简单的问题，必须依靠强有力的制动装置。二、列车制动系统国内外研究现状铁路上有套发展历史已近 200 年的空气制动系统。自从 1834 年英国斯蒂文森发明蒸汽机车以来就同时产生了相应的机械式手制动机。直到 1869 年，美国的发明家乔治.威斯汀豪斯从空气钻岩机的作用原理中得到启发，发明了铁路机车车辆用的直通式空气制动机。但是这种空气制动机

3、在列车分离时就会失去制动作用而不够安全。因此，在 1872 年又发明了第一个自动空气制动机。其特点是在制动缸和列车管之间增设有副风缸和三通阀。 ，实行副风缸和列车管的二压力双重控制，利用空气减压的制动方式，在列车分离时能通过列车管排风而自动发生制动作用。因此被称为自动空气制动机。直到现在，自动空气制动机还是世界上绝大多数国家包括我国在内使用的主要制动方式。我国的机车空气制动装置主要沿用美国韦斯汀豪斯系统的二压力方式控制装置，重载列车与普通列车相比要求采用更大功率的电力车或多机牵引方式，因此，从 20 世纪 80 年代开始，主要采用以大秦线万吨列车为代表的 SS 型电力机车和干线 DF 型内燃机

4、车的双机重联方式。近年来在大秦线 2 万 t 重载列车的开行中更应用了多机牵引的组合列车，列车制动控制也由重联方式发展为无线遥控方式的 LOCTROL装置。此外，动力制动亦改进为新型的加馈电阻制动或再生制动方式，明显提高了重载列车下坡道运行的动力制动能力和运行安全性。三、列车制动原理铁路列车的制动系统由机车制动装置和车辆制动装置组成，它是保证列车安全运行的关键设备。其基本原理是将列车运行的动能转化为热能或其他能力，是列车能按运行要求减速或停车，并在紧急情况下保证列车停车的安全性。按其作用原理，制动过程可分为制动、保压和缓解三个过程，各种过程作用基本原理如下：（1）制动过程列车管减压，车辆制动机

5、使副风缸内的压力空气进入制动缸，再通过基础制动装置，使闸瓦压在车轮踏面上或闸片压在制动盘上，使车轮减速，再利用车轮和钢轨间的摩擦力，产生组织列车向前运动的制动力。列车管减压可以分步减压，以产生阶段制动作用。（2）保压过程列车管减压后停止继续减压，保持列车管、副风缸和制动缸的压力不变，但摩擦系数随速度变化而有变化，因此制动力也有所变化。（3）缓解过程在制动或保压作用以后，司机操纵制动控制装置使列车管增压，此时车辆制动机动作使列车管压力空气充入副风缸，制动缸压力空气排入大气，从而松开闸瓦或闸片，消除轮轨间的制动力。自动空气制动机只有一次缓解作用，而使用电空制动控制可实施分步增压的阶段缓解作用。当制

6、动阀手柄置于缓解位时，总风缸的风经制动阀进到列车管（充风增压） ，并进入三通阀，将其中的（主）活塞推至右极端（缓解位）并经三通阀活塞套上部的“充气沟”进入副风缸。此时，制动缸经三通阀（缓解槽和排气孔）通大气。如制动缸原来在制动状态则可得到缓解。当制动阀手柄置于制动位时，列车管经制动阀通大气（排风减压） ，副风缸的风压将三通阀（主）活塞推向左极端（制动位） ，从而打开了三通阀上通往制缸的孔路，使副风缸的风可通往制动缸，产生制动作用。当制动阀手柄置于保压位时，列车管既不通总风缸也不通大气，列车管空气强保持不变。此时，副风缸仍继续向制动缸供风，副风缸空气压强仍在下降。当副风缸的空气压强降至列车管空气

7、压强略低时，列车管风压会将三通阀（主）活塞向右反推至中间位置（中立位或保压位） ，刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭（遮断） ，副风缸停止向制动缸供风，副风缸空气压强不再下降，处于保压状态，制动缸空气压强不再上升，也处于保压状态。如在制动缸升压过程中将手柄反复置于制动位和保压位，则制动缸空气压强变可分阶段上升，即实现阶段制动。四、压力采集系统设计方案整个压力采集系统分别由数据采集、数据处理、数据传输、数据接收单元4 部分组成。数据采集单元负责采集制动缸、列车管和副风缸的压力信号，数据处理单元负责将检测到的压力信号经过信号调理电路放大并通过 A/D 转换器进行数模转换然后接入单片机进行编码并转存到外

8、扩存储器中。信号传输单元负责将外扩存储器收集的压力数据经过无线发射装置传送到中央 PC 进行数据分析与处理。气动控制 空气制动执行 轮轨关系五、元器件选择及其参数1、传感器传感器选择北京华美恒强科技有限公司生产的 GPM600 型风差压传感器。GPM600 风差压变送器采用了高性能 SMI 硅压式压力芯片敏感核心，外壳为合金铝，内部的专用集成电路将传感器毫伏信号转换成标准电压、电流或频率信号，可以直接与计算机接口卡、控制仪表、智能仪表或 PLC 等方便相连。运距离传输可以采用电流输出方式。GPM600 广泛应用于锅炉送风、井下通风等电力、煤炭行业过程控制领域。（1） 技术指标电源：24VDC；

9、输出：420mA；精度：0.5%；（2） 外形尺寸及安装外形结构见图（1）数据采集单元 数据处理单元 数据传输单元 数据接收单元压力传感器 A/D转换器信号调理电路 单片机 PC主机无线数据传输 数据分析处理 长倒刺嘴为正压端。（3） 电气连接红线：电源正；绿线：电流输出。（4） 安装方法选择易于操作、维护的地方进行安装；技术性能供电电源：12VDC36VDC（标准 24VDC）输出信号：420mA、15V、010mA、020mA、05V量程范围：01kPa600kPa补偿温度：050介质温度：-2085环境温度：-2085工作方式：差压综合精度：0.1、0.3、0.5 级可选零点温度漂移：0

10、.03FS/灵敏度温度漂移：0.03FS/过载压力：300%FS2、A/D 转换器传感器采用的是美国国家半导体公司生产的 ADC0809 低功耗 A/D 转化器。ADC0809 是采样分辨率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通 8路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。（1）.主要特性1）8 路输入通道，8 位AD 转换器，即分辨率为 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s(时钟为 640kHz 时)，130s（时钟为 500kHz 时） 4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 0

11、5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 （2） 内部结构ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图 1322 所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 A/D 转换器、逐次逼近 （3） 外部特性（引脚功能）ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装（4）. 工作过程首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指

12、示转换正在进行。直到 AD转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 转换数据的传送 A/D 转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认 A/D 转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式 对于一种 A/D 转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如 ADC0809 转换时间为 128s，相当于 6MHz 的 MCS-51 单片机共 64 个机器周期。可据此设计一个延时子

13、程序，A/D 转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式 A/D 转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如 ADC0809 的 EOC 端。因此可以用查询方式，测试 EOC 的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。 （3）中断方式 把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。 不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE 信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。3、单片机单片机采用美国 ATMEI。公司生产的 AT89C51 单片

14、机。AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C AT89

15、C2051 是 它 的 一 种 精 简 版 本 。 AT89C 单 片 机 为很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了 一 种 灵 活 性 高 且 价 廉 的 方 案 。 外 形 及 引 脚 排 列 如图 所 示 。单片机 AT89C51 与 ADC0809 的接口电路，压力信号接至单片机的 13 号引脚，单片机的 Po 与 ADC0809 的高 8 位数据线直接相接，ADC0809 的低 4 位数据线与单片机的高 4 位 Po4Po7 直接相接，数据 的读取是依靠单片机的控制线分时选通进行。单片机 的 P00、P01、P07 经三态锁存器 74LS373 接至ADC0809 的逻辑控制

16、信号 Re、A0 和 CS，用于控制 AD574 的工作过程。其中，P00 接读转换数据控制脚 RC,，P01 接 ADC0809 的字节短周期控制线(A0)，Po7 接 AD574 的片选信号 CS，128 数据模式选择端直接接地，读、写控制线 WR 和 RD 通过与非门 74LS00 与 AD574 的使能端 CE 相连。INTl 引脚直接与工作状态指示端(STS)相连，STS 在 AD 转换开始时及转换过程中为高电平，转换结束时返回低电平，这样 CPU 在其下降沿得到中断申请，响应中断则可读取转换结果。单片机与 AD 转换器接口电路图4、无线数据传输本系统采用 Freescale 公司的 ZigBee 无线收发射频芯片 MC13192 和Philips 公司的 32 位 ARM 芯片 LPC2138，完成了无线传感器网络节点的设计ZigBee 技术适合于承载