嵌入式鐵路貨車(chē)超偏載檢測(cè)裝置使用說(shuō)明書(shū)

1、嵌入式鐵路貨車(chē)超偏載檢測(cè)裝置使用說(shuō)明書(shū)概述鐵路貨車(chē)超偏載檢測(cè)裝置是一種無(wú)人職守的安全檢測(cè)設(shè)備。當(dāng)貨車(chē)車(chē)輛以5公里/小時(shí)80公里/小時(shí)通過(guò)該裝置的測(cè)量點(diǎn)時(shí)，可以準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)測(cè)量貨車(chē)每節(jié)車(chē)廂的重量、 速度、各項(xiàng)偏移量及該節(jié)車(chē)廂的車(chē)型、車(chē)號(hào)，并提供各測(cè)試點(diǎn)通過(guò)貨車(chē)的超載和偏載 的報(bào)警。各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果可以自動(dòng)上傳到服務(wù)器；服務(wù)器自動(dòng)將測(cè)試結(jié)果存入數(shù) 據(jù)庫(kù)中，可以隨時(shí)查詢(xún)及打印歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)將各點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳到上一層的服務(wù)器中。該超偏載裝置機(jī)械部分采用特制的鋼結(jié)構(gòu)軌枕，各軌枕通過(guò)高強(qiáng)度螺栓組成一整體，使整個(gè)測(cè)量區(qū)成為鋼性結(jié)構(gòu)，選用進(jìn)口的軌座式壓力傳感器和柱塞式剪力傳感器 保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和長(zhǎng)期可靠性。

2、嵌入式鐵路貨車(chē)超偏載檢測(cè)裝置是在現(xiàn)有超偏載裝置機(jī)械部分基礎(chǔ)上， 采用基于 PC/104體系的嵌入式系統(tǒng)，把信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理部分與數(shù)據(jù)庫(kù)管理部分分開(kāi)， 提高 檢測(cè)裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性和軟件各部分設(shè)計(jì)的優(yōu)化性。使用嵌入式系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析三部分功能，在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)取 代工控機(jī)（工業(yè)控制計(jì)算機(jī)），可保證采樣的實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)處理的可靠性，同 時(shí)降低對(duì)上位機(jī)的實(shí)時(shí)性要求。2）可以在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理算法，使鐵路稱(chēng)重系統(tǒng)能夠適 應(yīng)更多車(chē)型，并實(shí)現(xiàn)更高的精度與更強(qiáng)的適應(yīng)性。3）上位機(jī)僅做數(shù)據(jù)管理，沒(méi)有實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求，容易提供良好的人機(jī)界面。4）數(shù)據(jù)

3、處理結(jié)果根據(jù)空間距離遠(yuǎn)近可以靈活采用不同通訊方式進(jìn)行上傳。5）嵌入式系統(tǒng)具有低功耗、功能專(zhuān)一、體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境下更容易保證可靠性，改善了原來(lái)由于現(xiàn)場(chǎng)電源質(zhì)量差和現(xiàn)場(chǎng)工作溫度過(guò) 高引起的工控機(jī)工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。備注：本嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案已經(jīng)著手申請(qǐng)專(zhuān)利。技術(shù)性能1. 稱(chēng)重范圍：節(jié)重小于100噸的標(biāo)準(zhǔn)軌距貨車(chē)。2. 車(chē)速范圍：5公里/小時(shí)80公里/小時(shí)。3. 車(chē)速計(jì)量精度：可達(dá)到0.1公里/小時(shí)。4. 通過(guò)車(chē)速：不限，符合國(guó)家頒發(fā) JJG234-90動(dòng)態(tài)稱(chēng)量軌道衡檢定規(guī)程。5. 計(jì)量方式：雙向全自動(dòng)動(dòng)態(tài)輪/軸計(jì)量或轉(zhuǎn)向架計(jì)量。6. 允許超載：額定載荷的250%。7. 一次計(jì)量

4、輛數(shù)：小于100輛。8. 適合軌型：43Kg/m, 50Kg/m , 60Kg/m 型鋼軌。9. 計(jì)量精度：符合鐵道部頒發(fā)的JJG （鐵道）129-92鐵路貨車(chē)超偏載監(jiān)測(cè)裝置 計(jì)量檢定規(guī)程的規(guī)定。10. 輸出方式：輸出序號(hào)、車(chē)速、總重、前后偏載、左右偏載、數(shù)據(jù)處理結(jié)果 上傳到服務(wù)器，可以打印制表。11. 線(xiàn)路要求：設(shè)備前后應(yīng)有長(zhǎng)度不小于 50米的平直線(xiàn)路，直線(xiàn)線(xiàn)路坡度不 大于3%°。12. 裝置工作環(huán)境溫度為：室外設(shè)備 40C+ 70C，室內(nèi)設(shè)備20C+ 70C，適應(yīng)濕度條件為：室外設(shè)備 < 95%室內(nèi)設(shè)備< 85%13. 可擴(kuò)展性：通過(guò)串口與鐵路車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)相連。1

5、4. 防雷性能：采用二級(jí)防雷措施，性能優(yōu)于 CCITT標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)一、機(jī)械部分組成及安裝超偏載裝置屬于機(jī)電一體化計(jì)量設(shè)備，其機(jī)械部分是由20只鋼枕、連接板、軌枕板、接線(xiàn)箱等組成，可安裝在50kg/m或60kg/m鋼軌線(xiàn)路上。鋼枕采用箱體型結(jié)構(gòu), 采用20mm厚鋼板焊接而成，材料為 Q235-A，而且安裝板式傳感器的鋼枕內(nèi)部設(shè)計(jì) 了壓力傳感器和剪力傳感器的布線(xiàn)裝置。為了施工過(guò)程中火車(chē)正常通過(guò)而不斷線(xiàn)，采 用現(xiàn)場(chǎng)鋼枕組裝方式，鋼枕與鋼枕之間利用高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接。壓軌彈條扣件采用 標(biāo)準(zhǔn)為T(mén)B1495.284B型彈條。為了解決鐵路信號(hào)問(wèn)題，采用了北京塑科研提供的 PTFE （聚四氟乙烯）作為絕緣材

6、料，符合鐵路規(guī)范要求。機(jī)械部分在出廠前已整體配做完畢，現(xiàn)場(chǎng)安裝與基礎(chǔ)處理同步進(jìn)行。鋼枕安裝時(shí), 先將原線(xiàn)路灰枕拆除，采用拆除一根灰枕用一根鋼枕取代的方式進(jìn)行安裝，鋼枕安裝 就位后，將鋼枕上的彈條扣件扣在鋼軌上，將鋼枕吊起，然后搗固其下面的道渣，同 時(shí)進(jìn)行連接螺栓的裝配。采用組合式鋼軌承載結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：1） 該結(jié)構(gòu)為整體式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)載荷車(chē)輛節(jié)重為 100噸計(jì)算，保險(xiǎn)系數(shù)取額定載 荷的3倍計(jì)算。2）無(wú)需特制安裝基礎(chǔ)，直接安裝在碎石道床上。3）鋼軌采用無(wú)縫形式減少了沖擊，即有利于提高車(chē)速，也有利于提高設(shè)備的準(zhǔn) 確性、穩(wěn)定性和可靠性。二、傳感器及安裝傳感器是將車(chē)輛的重量信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，在超偏載計(jì)量裝

7、置中具有重要的意義。傳感器有壓力傳感器和剪力傳感器兩種。我公司的壓力傳感器采用了軌座式傳感器，該傳感器直接安裝在鋼軌的下部，與 軌道充分接觸，用專(zhuān)用扣件將傳感器緊固，具有該類(lèi)傳感器特有的穩(wěn)定性和易安裝性， 以及精度高、抗側(cè)向力、密圭寸性能好等特點(diǎn)，能適應(yīng)各種室外惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用。剪力傳感器采用柱塞式傳感器，這種傳感器嵌裝在稱(chēng)量檢測(cè)區(qū)鋼軌腹腰部相應(yīng)部 位孔中，將受壓構(gòu)件的變形傳到裝有應(yīng)變片的幅板中產(chǎn)生于此負(fù)載成正比的電壓。傳 感器采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，測(cè)量體及電纜引出采用激光焊接以保證 可靠的密封性。一根鋼軌安裝四只剪力傳感器和六只壓力傳感器，剪力傳感器鄰近兩孔孔距為 1520m

8、m,四孔采用等間距設(shè)計(jì)，壓力傳感器鄰近兩只中心距為760mm,也采用等間距設(shè)計(jì)。兩根鋼軌對(duì)稱(chēng)共安裝8只剪力傳感器和12只壓力傳感器。傳感器和通道序號(hào)對(duì)應(yīng)圖如下：傳感器與通道序號(hào)對(duì)應(yīng)圖CHOO CH02 CH04 CH06 CH08 CH10-+-Q_+-_Q+-CH12CH16CH18CH14CH13CH17CH19CH15CH01CH03 CH05 CH07 CH09 CH11秤房位置|剪力傳感器壓力傳感器在所有的鋼枕安裝完畢后，再用打孔機(jī)鉆在鋼軌中性層處打一個(gè)錐形孔，用于安 裝剪力傳感器，安裝要保證施力與傳感器受力直線(xiàn)一致；在機(jī)械稱(chēng)臺(tái)中間安裝壓力傳 感器，要求傳感器的承載基面平整、堅(jiān)實(shí)，以

9、避免使用效果降低。待剪力和壓力傳感 器全部安裝完畢，并且鋼枕下面的道渣搗固實(shí)后，整個(gè)超偏載裝置的機(jī)械部分安裝完 畢。注意：用戶(hù)不要對(duì)傳感器作自行拆卸、修理。嵌入式系統(tǒng)本超偏載檢測(cè)設(shè)備是在現(xiàn)有設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)由壓力傳感器、剪力傳感器、信號(hào)通道箱、信號(hào)調(diào)理板、低輻射噪聲兵裝電源、PC104 體系的嵌入式系統(tǒng)，檢測(cè)軟件構(gòu)成。此外，配合車(chē)號(hào)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)以及通訊線(xiàn)路構(gòu)成 了自動(dòng)檢測(cè)貨車(chē)超偏載信息的無(wú)人職守安全檢測(cè)設(shè)備。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)無(wú)人職守超偏載檢測(cè)設(shè)備時(shí)，被測(cè)車(chē)輛的輪重（轉(zhuǎn)向架）信息，通過(guò) 傳感器轉(zhuǎn)換成成比例的模擬電壓信號(hào)，傳送到信號(hào)調(diào)理板的對(duì)應(yīng)通道，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放 大、濾波

10、。由嵌入式系統(tǒng)完成 A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)上傳，上傳 數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)和文件保存、打印及數(shù)據(jù)庫(kù)的管理功能由上位機(jī)（服務(wù)器）完成。嵌入式操作系統(tǒng)功能組成框圖如下：相對(duì)于工業(yè)控制機(jī)，采用PC104體系的嵌入式系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：1）PC/104結(jié)構(gòu)體積小、重量輕，方便運(yùn)輸、安裝和調(diào)試。2）集成度高，盡可能減少插接件，可靠性高。3）低功耗，散熱小，工作溫度寬。4）不用風(fēng)扇，對(duì)粉塵適應(yīng)能力強(qiáng)。5）使用電子盤(pán)取代機(jī)械式硬盤(pán)，對(duì)振動(dòng)和溫度的適應(yīng)能力強(qiáng)。硬件部分一、嵌入式系統(tǒng)主要參數(shù)：CPU 板：300MHzCPU 128M 內(nèi)存 128M 電子盤(pán)AD采集卡：16通道 精度12位 采樣率1

11、00KHz米用PC104體系嵌入式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：1 把信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理部分與數(shù)據(jù)庫(kù)管理及人機(jī)界面部分分開(kāi)，提高采樣、處理 部分程序的可靠性，而不增加上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。采用PC104這種體系結(jié)構(gòu)，把有實(shí)時(shí)性要求的工作由嵌入式系統(tǒng)部分獨(dú)立完成， 所有的硬件資源（CPU時(shí)間、內(nèi)存）全部用于數(shù)據(jù)采集和處理，保證可靠、連續(xù)的采 樣。上位機(jī)的所有資源都可用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理和人機(jī)界面，沒(méi)有實(shí)時(shí)性要求，即使在稱(chēng) 重的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)等大量使用 CPU時(shí)間的工作時(shí)也不會(huì)對(duì)稱(chēng)重有任何影響。2 數(shù)據(jù)處理程序可以獨(dú)占嵌入式系統(tǒng) CPU、內(nèi)存資源，可以使用多種高級(jí)算法，提高數(shù)據(jù)處理質(zhì)量。一些效果較好的算法通常占用 CPU時(shí)間比

12、較多。使用WINDOWS系統(tǒng)做數(shù)據(jù)采 集和處理工作時(shí)，系統(tǒng)資源是由 WINDOWS系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度的，應(yīng)用程序不能直接控 制系統(tǒng)資源，如果采用高級(jí)的數(shù)據(jù)處理算法，一方面對(duì)系統(tǒng)資源占用較多，增加系統(tǒng) 負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)運(yùn)行速度變慢，另一方面在有限的時(shí)間內(nèi)操作系統(tǒng)未必能提供足夠的系 統(tǒng)資源及時(shí)的完成相應(yīng)的工作。采用嵌入式系統(tǒng)來(lái)獨(dú)立處理數(shù)據(jù)運(yùn)算工作，由于整個(gè) 系統(tǒng)的資源都可以由數(shù)據(jù)采集、處理程序調(diào)度，可以完全控制并充分利用所有的系統(tǒng) 資源來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、處理工作，提高數(shù)據(jù)采集、處理過(guò)程的能控性，提高系統(tǒng)的可 靠性。3. 提高采樣、處理部分硬件可靠性，減少底層維護(hù)工作量。采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鐵路衡器，底層核心的

13、數(shù)據(jù)采集、處理部分由嵌入式系統(tǒng) 部分完成，這一部分的軟、硬件比工控機(jī)更健壯，不會(huì)感染病毒，系統(tǒng)不會(huì)崩潰，系 統(tǒng)軟件部分通常是不需要維護(hù)的。而上位機(jī)部分僅提供界面與數(shù)據(jù)管理，與底層硬件 無(wú)關(guān)，與普通計(jì)算機(jī)的功能沒(méi)有區(qū)別，只要有一定的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的人員都可以做維護(hù)。4. 對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力比工控機(jī)更強(qiáng)。工控機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障點(diǎn)多，系統(tǒng)中有一個(gè)組成部件出故障整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)癱 瘓，在以前的使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)硬盤(pán)損壞、CPU風(fēng)扇損壞導(dǎo)致CPU燒壞、內(nèi)存接觸不良等狀況。嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)盡可能減少機(jī)械部件，接少插接件，提高機(jī)械部分 的可靠性。嵌入系統(tǒng)采用電子盤(pán)取代機(jī)械式硬盤(pán)，一方面對(duì)振動(dòng)的適應(yīng)能力加強(qiáng)，同 時(shí)降低

14、系統(tǒng)的功耗。嵌入式系統(tǒng)的組件，如內(nèi)存、串口、并口、顯卡等全部集成在主 板上，盡可能減少插接件，提高了系統(tǒng)對(duì)粉塵和振動(dòng)的適應(yīng)能力。嵌入式系統(tǒng)的功耗比工控機(jī)小的多，系統(tǒng)散熱量小，不需要風(fēng)扇。風(fēng)扇在工業(yè)控 制系統(tǒng)中是一個(gè)薄弱的機(jī)械部件，在粉塵較大的工業(yè)環(huán)境下使用壽命會(huì)受到影響。如 果風(fēng)扇出現(xiàn)故障，系統(tǒng)不能及時(shí)散熱，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致CPU燒毀。另外，嵌入式系統(tǒng)的功耗低，對(duì)電源部分的壓力小，在電源部分的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以更多的考慮對(duì)輸入電壓（市電）的適應(yīng)能力而不必過(guò)多的顧及電源的轉(zhuǎn)換效率，使電源部分對(duì)輸入電壓的適 應(yīng)能力更強(qiáng)。5. 便于安裝、調(diào)試及維護(hù)。嵌入式系統(tǒng)、電源、信號(hào)調(diào)理幾部分都集成到一個(gè) 1U箱內(nèi)，體積

15、小，重量輕便于 攜帶、安裝、調(diào)試。、信號(hào)調(diào)理板與AD采集卡相連的信號(hào)調(diào)理板，設(shè)計(jì)為 16個(gè)通道性能一致的信號(hào)調(diào)理電路， 可外接16個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道獨(dú)立進(jìn)行信號(hào)采集和處理。信號(hào)調(diào)理電路的濾波 和放大電路，選用的是美國(guó)AD公司的低溫漂、低噪聲、高可靠性、高集成度的AD620， 具有共模抑制比高、精度高。濾波器采用有源低通濾波電路加端口元件低通濾波，用 于消除稱(chēng)重傳感器輸出信號(hào)包含的高頻干擾成分，同時(shí)加裝有零點(diǎn)調(diào)整和增益調(diào)整的 電位器，以確保16路性能的一致性。信號(hào)調(diào)理板的每個(gè)通道實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的獨(dú)立采集和處理，具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 信息量更大，便于提取有效特征信息。剪力傳感器和壓力傳感器的信

16、號(hào)各有特點(diǎn)，在信號(hào)處理的過(guò)程中各有用處。例如 剪力傳感器信號(hào)對(duì)車(chē)輪通過(guò)傳感器正上方時(shí)的信號(hào)跳變劇烈，易于識(shí)別列車(chē)車(chē)輪通過(guò)的準(zhǔn)確時(shí)間，而壓力傳感器在此方面特征不明顯。2. 數(shù)據(jù)處理過(guò)程更靈活，可以達(dá)到更好的處理效果。例如在進(jìn)行車(chē)輪識(shí)別時(shí)對(duì)信號(hào)的幅值不敏感，而對(duì)匾疤沖擊很敏感，在進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理時(shí)可以選用帶寬較低的濾波器進(jìn)行處理，這樣雖然會(huì)對(duì)信號(hào)幅值產(chǎn)生影響，但不 會(huì)影響最終的車(chē)輪計(jì)量結(jié)果，而同時(shí)對(duì)匾疤沖擊信號(hào)的濾除效果較好。在判完車(chē)輪后 進(jìn)行車(chē)重計(jì)量時(shí)，對(duì)匾疤沖擊信號(hào)不關(guān)心而對(duì)信號(hào)幅值敏感，此時(shí)可以選用帶寬較高 的濾波器對(duì)信號(hào)再次進(jìn)行處理。3. 接線(xiàn)靈活，方便維護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際特點(diǎn)，可以靈活確定接

17、入的傳感器的個(gè)數(shù)；如果某個(gè)傳感器安裝狀 態(tài)不好或出現(xiàn)故障，可以方便地知道是哪一只傳感器。如果將兩只或兩只以上的傳感 器并聯(lián)后，其中一只出現(xiàn)異常時(shí)，不能定位是哪一只傳感器出現(xiàn)異常。三、電源部分基于嵌入式系統(tǒng)低功耗的特點(diǎn)，嵌入式主機(jī)內(nèi)采用成熟的兵裝電源，具有以下特征：1）符合 Q/AQ216-2001 標(biāo)準(zhǔn)。2）低輻射噪聲，高使用效率。3）內(nèi)置EMI輸入濾波器，高抗干擾能力 四、信號(hào)通道箱如果室外傳感器的引線(xiàn)長(zhǎng)度不夠，可先接入信號(hào)通道箱的不同通道，再由通道箱 接入嵌入式主機(jī)的信號(hào)調(diào)理板的對(duì)應(yīng)通道。軟件部分鐵路貨車(chē)超偏載檢測(cè)裝置是一種無(wú)人職守的安全檢測(cè)設(shè)備， 為了保證下位機(jī)操作 的可靠性和可控性，在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行的軟件環(huán)境為 DOS系統(tǒng)，下位機(jī)的操作系統(tǒng) 完全不影響上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理和根據(jù)用戶(hù)要求設(shè)計(jì)的人機(jī)界面的操作。該嵌入式操作系統(tǒng)超偏載檢測(cè)裝置軟件部分由數(shù)據(jù)采集和處理 MAIN程序、處理 結(jié)果上傳CVT程序、車(chē)號(hào)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行 TND程序和上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收管理 RCV程 序幾部分組成。當(dāng)前程序的版本和簡(jiǎn)單功能介紹如下：GCU-100RW-MAIN_V1.01本程序用于超偏載設(shè)備下位機(jī)，完成動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試、動(dòng)態(tài)稱(chēng)重處理、傳感器靜態(tài) 測(cè)試、參數(shù)設(shè)定與修改等功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)上傳。數(shù)據(jù)上傳可以 支持MOD