电感式轨道计轴器在矿用铁路的运用及改进的探讨

0前言

新型白马矿山和朱家包包铁矿为了适应现代的生产和运输的需要，均采用中小型微机连锁系统。并在系统中一些区段结合实际情况部分采用临近轨道计轴器，用来检测列车(轮轴)是否占用轨道区段，它与轨道电路相比,具有不受轨道路线状况影响,不需切割轨道、加装轨道绝缘,适用于气候环境较差，湿度大，轨道区段长等一系列特点。但要使计轴器得到正常使用,必须认真解决三个主要问题:完善计轴器功能,提高计轴器的可靠性,加强计轴器的安全性。本文针对计轴器原理和目前在朱家包包铁矿使用的一些实际故障情况，提出改进方法，并进行了探讨。

1 传感计轴器原理

工作原理由传感器线圈由高频信号激励，使它产生一个高频交变磁场φ_i。当被测导体靠近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与此磁场相交链的电涡流i_e，而此电涡流又将产生一交变磁场φ_e阻碍外磁场的变化（如图1-1）。从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗（当频率较高时，忽略磁损耗）。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量。这便是电涡流传感器的基本原理。

图1-1电涡流传感器原理图

1.1非接触临近轨道计轴器内部线路工作原理

非接触临近轨道计轴器内部电子线路的组成（如流程图1-2），包括传感器、有源振荡维持电路单元、检波及电平转换电路单元、输出比较及脉宽修正电路单元、电流转换电路单元、电源及稳压电路单元和振荡强度自适应控制单元；其特征在于：

（1） 传感器包括半环形开口式磁性体、沙包线和两个电容，沙包线均绕在半环形开口式磁性体上，两个电容并联在沙包线两端。

（2） 振荡强度自适应控制单元包括差分运算放大器U2D、电容C10、二极管D2、D3、 D7和电阻R11，差分运算放大器U2D的反相输入端分别与电容C10的负极、二极管D7的阳极、电阻R11的一端连接，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与二极管D2的阳极、 D3的阴极相连，差分运算放大器U2D的输出端分别与二极管D7的阴极、电容C10的正极相连，二极管D2的阴极、D3的阳极与电阻R11的另一端相连；差分运算放大器U2D的输出端与有源振荡维持单元中的电阻R12一端相连，差分运算放大器U2D的正相输入端分别与输出比较及脉宽修正单元中的运算差分放大器U1A的反相输入端、电源及稳压单元中的运算放大器U2B的输出端相连，差分运算放大器U2D的电源正极与电流转换单元中的三极管Q6的集电极相连，差分运算放大器U2D的电源负极与线路板公共地端相连。

 　 图1-2 计轴器稳压电路和振荡强度控制结构图

1.2电涡流式传感器与室内外设备连接工作方式

传感器根据要求采用一组工作方式，一个区段内采用两组计轴器（即4个传感器）工作。当列车行入该区段时，如果是上行计轴器1开始加计车轴如计轴数为66个(矿用机车整组10个车皮加电机车)，区段开始占用，当列车通过计轴器3时，开始从66个往下减至为0时区段恢复并解锁如图1-3，列车下行时工作方式和上行一样，均采用区段方向作为加减列车轴的个数为目的执行。

图1-3 计轴传感器安装图

如图1-4计轴器上由+24V电源供电，（红线接正 蓝线接负 黄线接信号）通过信号线反馈到室内机S7-200CN(CPU266CN)输入I点，通过PLC内部高速计数器计数并由相应的程序进行计算将结果传输给Q点，控制继电器开启和闭合。

图1-4 S7-200CN 接线原理图

1.3 S7-200PLC与上位机S7-400PLC连接的工作原理

   在微机连锁中计轴系统充分利用了S7-200CN PLC直接与传感器和执行器相连，12位的分辨率和多种输入∕输出范围能够不用外加放大器与传感器和执行器相连。并且根据实际需要进行了扩展EM277通讯模块连接到PROFIBUS-DP网络中。接受从主站传来的多种不同的I∕O配置，向主站发送和接收不同数量的数据，满足了传感器所发送和用户修改所传输的数据量达到实际应用的需求。如图1-7中S7-400

PLC是DP主站通过STEP7编程软件SIMATIC编程器进行组态,ET200B

I∕O模块 和CPU 244 CN是PLC400的两个DP从站。通过PROFIBUS-DP网络传输S7-400CPU用户程序中的指令，读取CPU244CN传感器的数据，实现上位机和PC机中的STEP7软件达到清零的目的如图1-8。也可以通过PC机查询计轴器读取列车轴的个数，以便及时调整传感器的高度。

图1-5 PROFIBUS网络的EM277PROFIBUS-DP模块

1.4 S7-200PLC工作方式及主程序梯形图

在主程序中引用了S7-200 CPU提供的网络读写指令，用于S7-200 CPU和S7-400 CPU之间的联网通信。只能由在网络中充当主站的CPU执行，S7-200 CPU不必做通信编程，只需准备通信数据。主站可以对PPI网络中的S7-200 CPU进行网络读写。在子程序中也引用了S7-200 CPU的自由口通信能力，（自由口通信是建立在半双工RS-485硬件基础上的一种通信方式，它允许用户自己定义字符通信格式，如数据长度和奇偶效验）并通过编程来实现MODbus协议通信。在进行自由通信时的核心是XMT(发送)和RCV(接收)两条指令，以及相应的特殊寄存器控制如S7-200PLC工作流程图1-6。

图1-6 S7-200PLC工作流程图

（1）主程序：初始化自由口通信设置，并根据“模式选择开关”的状态设置为pingshi。即首次运行或模式开关从TERM打到ON时定义通讯口为“自由口”初始化定时中断。当状态设置为count时，模式选择开关从ON拨到TERM时定义通讯口为“PPI”从站。

（2）子程序：写入定时中断周期250ms，并在连接时中断事件10到中断服务程序0，并用(ENI)来允许中断。

（3）程序发送：在程序中把Port0定义为自由口通信模式，定时中断程序中对定时中断次数计数，把计数值转换为ASCII字符串（以字节为单位发送数据累加器VD100开始每次中断加1），经过Port0发送到PC机上显示该信息。

（4） 程序接收：RCV(接收)指令从S7-200CPU的通信口接收VB100开始的数据字节并保存在接收数据缓冲区内。正常接收信息完毕后，通信控制器自动退出接收状态如表1-7所示。

表 1-7 RCV指令缓冲去格式

（5）  S7-200PLC工作时主程序梯形图如图1-8。

图1-6 S7-200PLC工作主程序梯形图

2  传感计轴器的安装与调试

计轴器的安装要求非常的严格，它要根据现场的实际情况进行安装（由于矿用铁路的钢轨磨擦较为严重，只要在安全情况下钢轨一般不予更换）针对钢轨情况调试传感器的高度(400mm)左右，以免损坏传感器。

2.1 安装步骤

（1） 在轨腰中间位置55mm处钻两个相距100mm大小10mm的固定孔，再将U形钢板用8mm的螺丝紧固在钢轨上的固定孔上。

（2）计轴传感器的表面离轨面的距离在40mm左右如图2-1所示，以免轨面有磨损是造成传感器损坏。

图2-1 60公斤钢轨平面图

2.2传感计轴器的调试

传感器安装完毕后，首先要根据传感器的电磁感应的强弱进行高度的调整，由于传感器出厂时磁感量有些不同，造成计轴数减少，计轴区段不能自动解锁。安装时的还有一个重要环节，在曲线上安装时，必须调整传感器的安装角度。（可能会出现直线行车时区段正常，曲线行车时不解锁现象）产生这种不解锁的原因是车轴在曲线行走是有抛浮现象，偏离了传感器的感应范围，计轴的个数发生了改变。

3       计轴传感器在使用过程中出现的故障及处理

    由于传感器就是基于涡流效应工作的，一些外在因素定会对传感器造成干扰和损坏。特别是雷击和钢轨回流及高温是传感器最大的隐患，直接造成计轴传感器的损坏。

3.1            传感器雷击后的现象及故障处理

    由于攀西地区处于高原地带多雷雨季节，安装避雷措施不可缺少，计轴传感器的避雷方式是在传感器内部并接两只二极管如图3-1。其结果是可以避免瞬间高压返回室内造成S7-200的损坏，但同时传感器也因此不可修复造成永久的损坏。出现计轴传感器指示灯变红，该区段无法正常使用。改进的办法是将传感器与地之间采用绝缘材料完全隔离接地，在电源的负极N引出线就近采用一个压敏电阻接地，同样达到了避雷效果，也可同时保护传感器不被击穿损坏如图3-2。

图3-1传感器内部接地原理图

图3-2传感器外部接地原理图

3.2   机车回流对传感器的损坏及故障处理

传感器安装在钢轨的中部，离钢轨的距离很近。而机车回流是通过回流线路和钢轨同时传输回流的如图3-3。图中2是变电所送出1.5KV的直流馈电线线路，7是回流吸流变压器主要是降低回流对线路的干扰，吸上线8是与钢轨5共同构成一个回流回路网共同分散回流，最大减弱接触网和回线周围空间的交变磁场，使牵引电流在临近的通信线路中的电磁感应影响。如果吸上线断线如图3-4中正好是计

图3-3 直流接触网网络

轴传感器区段，回流就会通过该处的钢轨传输回流，回流增大后电磁感应增强，传感器就会在外部电磁感应下感应到一个非常大的感应电流，因而把传感器内部电子元器件击穿损坏，造成传感器长期处于导通状态，该区段长期保持红光带严重影响该区段的正常接发车，处理的方法是将传感器安装在没有回流回路的钢轨上，就可以避免机车回流对传感器的影响。

图3-4 回流回馈网络

3.3   温度对计轴传感器的危害及预防

由于攀西地区属于日照较长地区，室外温度偏高造成传感器工作环境不稳定，钢轨的表面温度在夏天最高时可达到50-60℃。而传感器稳定工作温度一般不超过45℃，因而传感器内部元器件的温度超过50℃时，工作在不稳定环节。因此出现传感器时好时坏现象，即该区段时而出现红光带时而白光带，严重威胁车辆安全行驶（6502电气集中根据进路开放控制双动道岔的定反位）。其原因由于传感器的电子元件采用环氧树脂系胶结剂全封闭灌注而成，直接传递热量至使（电子元件工作时自身也要产生一定的热量）传感器内部没有散热的空间。改进的方式是将电子元件在灌注前，采用空气隔离方式后在灌注就可自动形成一道隔热墙，有效的阻挡了热的传递如图3-5所示，使传感器可靠的工作在稳定的温度范围内。

图3-5 计轴传感器改进前后

4    结束语

计轴传感器具有结构简单、控制电路不复杂、频率响应快、灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、能进行非接触测量，测速、判定钩车数等特点，在铁路轨道领域有着广泛的应用前景。其不足之处在于难以很好地适应夏季雷击频率高、地表温度高的地区的复杂使用环境。如果将计轴传感器的上述不足进行改进，提高计轴传感器抗雷击，耐高温的性能，就可在行车指挥自动化、列车运行自动化方面更好地发挥计轴传感器的优点，使之广泛用于铁路系统轨道电路中。当然，由与安装区段特殊原因，改进后的计轴传感器在     方面仍然有一些值得进一步完善的地方，例如曲线和道岔特殊位置的安装不当造成区段不解锁等等，这些都有待于今后从理论和实践中展开深入分析。总体而言，改进后的计轴传感器是一种很有发展前途的传感器。

参考文献

[1]刘凯主编.深入浅出西门子S7-200PLC.北京:航空航天大学出版社，2004

[2]袁成华主编.信号设备故障分析与处理.北京:中国铁道部出版社，2003

[3]许洪华主编.现场总线与工业以太网技术.北京:电子工业出版社，          2007

[4]付植桐主编.电子技术. 北京:高等教育出版社，2000

[5]刘伟主编.传感器原理及实用技术.北京:电子工业出版社，2006