實時動態軌道衡的製作方法
2023-06-12 19:05:06
專利名稱：實時動態軌道衡的製作方法
技術領域：
本發明屬於工業用電子秤，一種稱量鐵路車輛的稱重設備，特別涉及一種機車在軌道上行駛運行的過程中進行有效的動態計量稱重的自動化稱重設備——實時動態軌道衡。
背景技術：
鐵路運輸在國民經濟中具有十分重要的位置，在冶金、礦山、建材、化工、石油等行業的大型和特大型企業中，鐵路運輸還是主要運輸工具。在這些企業中，目前軌道衡的計量過程還是必不可少的。軌道衡器在鐵路運輸安全、運費結算以及企業間生產計量和經濟核算都是重要的計量器具，尤其在加入WTO後，國際競爭日趨激烈的今天，更具有現實意義。動態軌道衡「顧名釋義」，就是機車在運行的過程中進行有效的動態計量。它的特點是不用停止列車，使列車可以在慢速通過即可有效的稱量。動態軌道衡的優點就在於使用效率高，不影響生產，因而受到了用戶們的普遍歡迎。事實上對動態軌道衡本身而言，技術含量要求高，可靠性要求嚴，環境適應要求寬，精確度要求高，這就給動態軌道衡的研製增加很大的難度和幾分神秘色彩。動態軌道衡是工業用電子秤，是對在軌道上行駛的分組列車進行動態稱重的自動化稱重設備，在我國已有近四十年的發展歷史。按其結構和性能可分為三個階段(一)早期的動態軌道衡以機械槓桿為主體，以轉向架指針指示計量結果，用阻尼板產生的電磁阻尼力平衡車重，如4090型，這種軌道衡能夠實現半車重量動態計量，但是精度低、性能差。
(二)再一個時期的軌道衡採用傳感器作為重力平衡主件，用Dz8數字電壓表作為顯示設備，邏輯元件採用半導體分立元件或簡單的CMOS集成電路，基本上採用電測技術，已經初具現代動態軌道衡的雛形，但是這種軌道衡還具有精度低、溫度特性和線性不好的缺點，並且故障率較高，維護困難。
(三)進入八十年代，隨著電子技術、微機技術和半導體集成技術的發展，使微機在生產的各個領域均得到了較為廣泛的應用，也就出現了以微機作為顯示和數據處理設備的微機動態軌道衡。這種軌道衡採用了微電子技術，具有了比較高的性能，精確度也有了很大提高，且工作穩定，故障率較低，維護也比較容易。
目前大部分正在使用的動態軌道衡屬三代產品，主要是利用80年代的生產技術，其主要的元器件如運算放大器、模數轉換器等已經很難買到了。計算機多採用486或586的微處理器，數據插板採用計算機的ISA總線的插槽，計算機系統軟體用DOS界面，應用軟體採用彙編語言和BASIC語言來編寫，漢字系統採用UCDOS，這些無論是硬體還是軟體部分都不能適合計算機飛速發展的今天，更滿足不了故障診斷和分析。DOS系統畫面單一，顯示單色，只能顯示數據，不能顯示圖像和記錄。一旦列車過去了，計量的有效性和穩定性都很難說的清楚。當軌道衡檢定時，費時且來回調車。因此，大有改進的必要。
中國專利91229828.6公開的是一種能應用於曲線軌道線路上的曲線動態軌道衡，是由承重裝置、傳感器、稱梁、稱梁軌、抗扭裝置和橫縱向限位裝置組成的曲線動態軌道衡。
發明內容
本發明的目的是為在軌道上行駛的分組列車在運行的過程中進行有效的動態計量稱重，提供一種自動化稱重設備——實時動態軌道衡。
本發明實時動態軌道衡內容簡述本發明實時動態軌道衡，其特徵在於充分利用現有的微機內電源，不再採用外接電源，將軌道衡的通道與微機接口板內、外兩塊合為一塊，統一放入微機機箱內；模數轉換器件要選用16位A/D及以上轉換器件，且輸出接口要求並行傳送數據；利用單片機實現動態實時數據採集；插入微機插槽的總線採用通用的PCI總線設計，具有實時數據採集、存儲、波形回放功能。
本發明實時動態軌道衡使動態軌道衡進一步完善智能化，是建立在90年代末20年代初成熟的軟體和硬體的發展基礎之上的。其主要特點是1、性能穩定從5月份至今歷經春夏秋冬四個季節的現場應用，無論外界環境溫度如何變化，即使在沒有UPS和交流穩壓電源的情況下，該系統都能正常工作，性能穩定，且具有很強的抗幹擾能力，以往每到雷雨季節傳感器和通道易遭遇雷擊損壞，外界溫度變化會產生較大零點漂移的現象也從未發生。2、數據可靠從實際應用看，數據從採集到存儲以及傳送過程中均沒有丟失現象，這樣就保證了數據採集的實時性和有效性，因此沒有產生丟車和數據偏差大的問題。
3、檢測精度高通過2次用檢衡車對3個磅站軌道衡的實際檢測，絕對誤差都小於千分之五以內，並且在列車推進小於15km/h的速度範圍內，檢測數據重複性好。4、計量數據可以事後分析採用了實時採集後，將檢測的數據按日期時間文件名進行存儲，事後可以用波形進行分析，保證了對軌道衡進行故障診斷和進一步改進完善。5、技術先進實時動態軌道衡不僅軟、硬體設計先進，通道卡實現智能化，而且與同類的動態軌道衡相比，克服了Windows98系統軟體不能實時跟進，不能保證應用軟體對計數器和邏輯判斷軟體的有效控制，改變了容易造成偶爾丟車或者數據採集不準的問題。具有操作簡便、容錯性強等優點，除具有動態計量、靜態計量、數據管理等功能外，還可以處理混編列車的停、退等特殊情況下的計量。列車高速、低速、停車等任意方式運行時都能達到高精度的準確計量，並且車輛識別可達百分之百可靠。另外，本軟體還具有溫度顯示和補償、硬體自檢及計量過程中的波形繪製。以及原始數據圖形的追溯、網絡通訊等功能。
圖1為硬體總體設計電源部分結構框2為兩節列車聯掛通過軌道衡時的理想波形3為Windows平臺下的程序結構圖具體實施方式
本發明實時動態軌道衡是這樣實現的，下面結合附圖做具體說明。
(一)硬體部分硬體總體設計，見圖1，1、電源部分將計算機提供的直流+5V電源，經過電源逆變晶片轉換成±15V直流電源，供給各級運算放大器，作為運算放大器的工作電源；再將±15V直流電源經過穩壓產生±10V電源，做為一次元件傳感器的供橋電源，驅動傳感器工作；最後再將±15V直流電源經降壓穩壓轉換成±5V直流電源，為其它元器件和晶片提供工作電源。其電路設計的獨到之處在於在供橋電源的電路中採用了穩壓器推挽，使電源間的壓差保持穩定，進一步保證了一次元件的工作電源電壓穩定，從而減少了輸入信號(重量電測信號)因供橋電壓變化造成的影響。
2、放大濾波部分共分為四級放大、二級濾波，所有放大器均採用精密斬波穩定集成運算放大器，這种放大器具有失調電壓極低；失調電壓隨溫度變化(溫漂)極低；低輸入失調電流；差分電壓放大；共模抑制比和電源電壓抑制比；單電源工作，共模輸入電壓可以為負值；外電容接至VDD腳，可降低噪聲性能等特點。並且工作性能穩定，對環境條件要求不高。放大器的配置為前置級差動輸入，輸入阻抗高，這樣做使傳感器輸出信號為負電壓時，也能正常工作，降低了前置級的噪聲。放大電路中的電阻全部採用精密電阻，從而保證了放大信號的穩定，使放大後的信號能夠滿足模/數轉換器的要求，進而保證數位訊號的穩定，提高儀表的精度，並且，具有自動調零、輸入信號保持和有源濾波的功能。
3、模數轉換部分該部分採用美國AD公司生產的模數轉換器件。該器件高速度，高解析度，低功耗和單±5V電源供電，並且將時鐘信號和基準電壓均集成在晶片內，又可將數位訊號並行輸出。因此使用非常靈活。
4、數據處理部分單片機選用16位及以上高速控制用單片機，主要作用是實現實時採集並且協調插板上各部件的正常工作，保證數據傳輸的正常有序，並能夠實現溫度自動檢測功能，還能夠判斷和濾掉輸入信號中的一些不正常信號，如高頻幹擾信號等。單片機軟體整體固化在單片機內，保證數據的有效控制能力。
5、數據緩存部分先進先出寄存器具有存儲能力，起到了一個數據暫存器的作用，並能保證先存入的數據先被計算機讀取，還保證了進入插板的數據不丟失。
6、接口部分採用PCI專用接口晶片，能保證插板輸出信號符合計算機的通訊協議的要求，可提高插板和計算機間的通訊速度。
(二)軟體部分1、PCI通道卡內軟體這部分軟體用彙編語言編寫，主要是對單片機進行初始化，在極短時間內完成一組數據的採集、排序、濾波，然後產生一個有效數據放入緩存器中。這樣循環進行，並且協調與PCI總線計算機進行通訊聯接。
2、系統軟體本系統要求計算機內必須予裝Windows98簡體中文及以上作業系統、Delphi6、Visual Foxpro6等系統軟體只有在上述條件滿足的前提下，系統才能正常應用。
3、應用軟體用Borland Delphi6.0軟體開發應用程式，主要包括以下幾個部分(1)、數據採集數據採集部分的程序，主要是對PCI接口晶片進行初始化和進行編程、傳輸數據。
(2)、數字濾波由於動態計量處於運動狀態，而計算機的採樣速率又很高，如果不對採集到的數據進行平滑，則不光計量精度難以提高，還會引起邏輯判斷的失誤。所以我們採用了較為簡單實用的濾波方法，加權平均方式，這樣我們就得到了一個相對穩定的數值。
(3)、零點跟蹤眾所周知，傳感器和二次儀表隨著時間、溫度、電壓等外界因素的變化會有一定量的蠕變，我們一般都是在列車到來之前的一段時間打開通道和計算機電源，如果我們用剛開機時獲得的數據或用一個固定數作為臺面值則肯定是不準確的。在工作程序中，採用了一種叫「零點跟蹤」的方法來解決此問題。首先，把每8個數平均得到一個較為穩定的數值，每得到一個新數，就把它的前一個數舍掉，再取一個8個數平均，作為臺面零點存儲，不管開機時間有多長，臺面零點始終是這樣的平均數，「零點跟蹤」就是這樣實現的。
(4)、邏輯判別與重量計算在軟體程序中，首先要把車頭自動判斷出來，並且濾掉，因為車頭不在計量之列。其次，要在列車動態聯掛的情況下，準確地判斷出每節車拖在檯面上、下轉向架狀態所處位置，從而知道哪些數據是無用數據，哪些數據可以作為稱量數據來計算，如何進行速度計算，如果邏輯判別失誤，就會造成多車、丟車，重量不對等問題，使計量失敗。見圖2，是一個兩節列車聯掛通過軌道衡時的理想波形圖。當檯面上沒有車輪時，稱為零點，每個車輪上或下臺面時產生的重量變化叫跳變，一個或兩個車輪在檯面上運行所維持的一段較為穩定的數據區間叫平臺。列車的重量分別由前轉向架和後轉向架來承受。只要準確的求出前、後轉向架的重量，兩者相加就是整節車的節重。從圖中可以看出，平臺2是前轉向架重量，平臺5是後轉向架重量，平臺2是零點的倒數第2個平臺，平臺5是零點2正數第二個平臺。在程序中，採用的方法是用遞進方式保存兩個平臺，當出現一個零寬時(如圖2中，零點2、零點3)，把倒數第二個平臺的值送入前轉向架存儲單元，同時做好標記和平臺計數，出現第二個平臺後把此平臺值送入後轉向架的存儲單元，同已獲得的前轉向架值相加得到節重後，去顯示、存儲。
速度的計算是利用了第2個車輪上檯面(跳變2)和下臺面(跳變4)之間的點數換算得出的，由於每一個數據間隔是已知等同的，這樣，我們可以把兩點數間隔作為時間t，而臺面長度是固定的(一般為3.8m)，這就是s，則速度v＝s/t，經過單位換算就得出了速度(公裡/小時)。
知道了車輛判別原理，就可以用它濾除車頭，對於蒸汽機車，由於它的輪距短，不會出現零寬或零寬過小，可採用設置零寬的方法濾除。對於電力和內燃機車，我們可以找出一些與一般車輛不同的波形來濾除車頭，還可以採用手動方式來濾除。
(5)、數據處理部分採用資料庫管理系統本軟體可以根據現場的實際要求來做，還可以提供外接程序接口，且具有強大的查詢、列印功能，動態、靜態的參數，代碼等功能。可通過窗口設置完成，不必進行複雜的程序編制及修改。其程序結構如圖3所示，全部圖形界面具有操作簡便、容錯性強等優點，除具有動態計量、靜態計量、數據管理等功能外，還可以處理混編列車的停、退等特殊情況下的計量。列車高速、低速、停車等任意方式運行時都能達到高精度的準確計量，並且車輛識別可達百分之百可靠。另外，本軟體還具有溫度顯示和補償、硬體自檢及計量過程中的波形繪製，以及原始數據圖形的追溯、網絡通訊等功能。
權利要求
1.一種實時動態軌道衡，其特徵在於充分利用現有的微機內電源，不再採用外接電源，將軌道衡的通道與微機接口板內、外兩塊合為一塊，統一放入微機機箱內；模數轉換器件要選用16位及以上A/D轉換器件，且輸出接口要求並行傳送數據；利用單片機實現動態實時數據採集；插入微機插槽的總線採用通用的PCI總線設計，具有實時數據採集、存儲、波形回放功能。
2.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的電源部分將計算機提供的直流+5V電源，經過電源逆變晶片轉換成±15V直流電源，供給各級運算放大器，作為運算放大器的工作電源；再將±15V直流電源經過穩壓產生±10V電源，做為一次元件傳感器的供橋電源，驅動傳感器工作；最後再將±15V直流電源經降壓穩壓轉換成±5V直流電源，為其它元器件和晶片提供工作電源。
3.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的放大濾波部分共分為四級放大、二級濾波，所有放大器均採用精密斬波穩定集成運算放大器，單電源工作，共模輸入電壓可以為負值；外電容接至VDD腳；放大器的配置為前置級差動輸入，輸入阻抗高；放大電路中的電阻全部採用精密電阻。
4.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的模數轉換部分該部分採用高速模數轉換器，將時鐘信號和基準電壓均集成在晶片內，可將數位訊號並行輸出。
5.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的數據處理部分單片機做為數據處理的核心，具有掉電和復位多種工作方式；並且實現實時採集和協調插板上各部件的正常工作，保證數據傳輸的正常有序，並能夠實現溫度自動檢測功能，還能夠判斷和濾掉輸入信號中的一些不正常信號，如高頻幹擾信號等，單片機軟體整體固化在單片機內，保證數據的有效控制能力。
6.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的數據緩存部分採用先進先出寄存器，具有存儲能力。
7.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的接口部分採用專用PCI總線接口晶片。
8.根據權利要求1所述的實時動態軌道衡，其特徵在於所說的軟體部分(一)、PCI通道卡內軟體這部分軟體用彙編語言編寫，主要是對單片機進行初始化，在極短時間內完成一組數據的採集、排序、濾波，然後產生一個有效數據放入緩存器中，這樣循環進行，並且協調與PCI總線計算機進行通訊聯接；(二)、系統軟體本系統是在計算機內要予裝Windows98簡體中文及以上作業系統、Delphi6、Visual Foxpro6等系統軟體才能保證系統的正常應用；(三)、應用軟體用Borland Delphi6.0軟體開發應用程式，主要包括以下幾個部分(1)、數據採集數據採集部分的程序，主要是對PCI接口晶片進行初始化和進行編程、傳輸數據。(2)、數字濾波由於動態計量處於運動狀態，而計算機的採樣速率又很高，如果不對採集到的數據進行平滑，則不光計量精度難以提高，還會引起邏輯判斷的失誤；採用濾波方法，加權平均方式，得到了一個相對穩定的數值；(3)、零點跟蹤在工作程序中採用「零點跟蹤」的方法，首先，把每8個數平均得到一個較為穩定的數值，每得到一個新數，就把它的前一個數舍掉，再取一個8個數平均，作為臺面零點存儲，不管開機時間有多長，臺面零點始終是這樣的平均數；(4)、邏輯判別與重量計算在軟體程序中採用理想波形圖，當檯面上沒有車輪時，稱為零點，每個車輪上或下臺面時產生的重量變化叫跳變，一個或兩個車輪在檯面上運行所維持的一段較為穩定的數據區間叫平臺；列車的重量分別由前轉向架和後轉向架來承受，準確求出前、後轉向架的重量，兩者相加就是整節車的節重；在程序中，採用遞進方式保存兩個平臺，當出現一個零寬時，把倒數第二個平臺的值送入前轉向架存儲單元，同時做好標記和平臺計數，出現第二個平臺後把此平臺值送入後轉向架的存儲單元，同已獲得的前轉向架值相加得到節重後，去顯示、存儲；速度的計算是利用了第2個車輪上檯面和下臺面之間的點數換算得出的，由於每一個數據間隔是已知等同的，這樣，我們可以把兩點數間隔作為時間t，而臺面長度是固定的(一般為3.8m)，這就是s，則速度v＝s/t，經過單位換算就得出了速度(公裡/小時)；(5)、數據處理部分採用資料庫管理系統本軟體可以根據現場的實際要求來做，還可以提供外接程序接口，且具有強大的查詢、列印功能，動態、靜態的參數，代碼等功能，可通過窗口設置完成，其程序結構全部圖形界面。
全文摘要
本發明屬於工業用電子秤，一種稱量鐵路車輛的稱重設備，特別涉及一種機車在軌道上行駛運行的過程中進行有效的動態計量稱重的自動化稱重設備－實時動態軌道衡。其特徵在於充分利用現有的微機內電源，不再採用外接電源，將軌道衡的通道與微機接口板內、外兩塊合為一塊，統一放入微機機箱內；模數轉換器件要選用16位及以上A/D轉換器件，且輸出接口要求並行傳送數據；利用單片機實現動態實時數據採集；插入微機插槽的總線採用通用的PCI總線設計，具有實時數據採集、存儲、波形回放功能。本軟體還具有溫度顯示和補償、硬體自檢及計量過程中的波形繪製，以及原始數據圖形的追溯、網絡通訊等功能。
文檔編號G01G19/03GK1415944SQ0214497
公開日2003年5月7日 申請日期2002年12月20日 優先權日2002年12月20日
發明者韓德久, 徐馨鳳 申請人:鞍鋼集團鞍山礦業公司質量計量中心