基于MCGS技术的铁路轴温监测装置

基于MCGS技术的铁路轴温监测装置

程伟锋

中铁电气化局集团有限公司石家庄机械分公司 河北石家庄 050051

摘要：随着高速铁路的迅猛发展，采用高科技装备确保铁路行车安全已成为铁路行业发展的普遍共识。为了建立健全“人防+技防”安全保障，减少车辆司助人员的劳动强度，我公司全面推行一体化监控轨行车辆装备的战略。本文阐述了基于组态工程技术的接触网作业车智能监测装置，详细的阐述该装置的模块化设计、报警模式、自检系统等，该装置通过实时监测的车辆各部位的温度状态，及时发现潜在的安全隐患，为高速铁路的安全运营提供了强有力的技术支撑。

一、前言

铁路行车安全保障体系与铁路的发展息息相关，随着科技的日新月异和时代的不断前行，列车运行速度持续攀升，行车密度也呈现出显著的增长趋势。这一变化不仅影响了日常的列车运营，也对既有线路施工的铁路工程车辆提出了新的挑战。特别是在运行繁忙的区段，若铁路工程车辆因故障而停在区间，不仅会影响施工进度，更会对施工单位的施工能力和信誉造成严重打击。面对这一严峻形势，施工单位必须加强对车辆状态的监控和管理，确保工程车辆在施工过程中的稳定性和可靠性。然而，单纯依赖传统的人工监控手段已无法满足现代铁路行车安全的高标准需求。引入先进科技的重要性，强化铁路行车安全保障体系，实现对车辆状态的实时监控和精准管理，有效预防故障的发生，并在故障发生时迅速做出响应，从而最大程度地降低故障对施工和运营的影响。

二、轴温监测装置的现状分析

1、我公司在全国范围内接触网作业车公司，内部的车车辆需适应从海南的热带湿润气候到东北、北方及西北地区的寒冷干燥环。接触网作业车车型种类较多，同时我公司大部分轨行车辆在出厂阶段并未配备铁路轴温监测系统。

2、我公司铁路工程车辆安装的轴温监测装置主要由西北铁道电子股份公司、杭州创联股份有限公司以及与上海微企等企业提供。这些装置的理想安装时机通常是在车辆出厂阶段，以确保其效能与可靠性。对于已出厂却未安装此类装置的车辆而言，后期加装不仅技术复杂度高，且对安全行车装备维修也是一种压力。

3、我公司作为全国最大的接触网作业租赁业务服务商，自主建立全面推行一体化监控轨行车辆设备管理体系，是在激烈的市场竞争中构筑更为坚实的竞争优势，也是铁路运输安全的承诺。

三、轴温监测装置系统构成

轴温监测装置系统是一个集成了RS485通信标准MODBUS协议组态技术监控系统，分为车上与车下两部分。在车上，系统监控主机作为数据处理与控制的中枢，安装电气控制柜内部，而操作台上则镶嵌着直观的人机交互触摸屏，用于实时展示监测数据、设置系统参数，并即时接收并响应报警信息。车下部分由温度变送器集成的数据采集盒、精准捕捉车轴轴承箱、转向架齿轮箱以及环境温度的通过PT100标准温度探头构成。

该系统具备报警功能且能够持续不断地记录并分析各测温点的温度。一旦测温点的温度达到设定的阈值，系统将迅速启动报警机制，蜂鸣器立即警报声，同时操作台上的触摸屏会以醒目的快速闪烁方式，直观展示异常温度数据。

四、系统具体设计

结构图

1模块化设计

相较于其他轴温监测装置，本装置不仅注重功能和防护等级的设计，更将安装与检修过程纳入考量范围。本装置采用了模块化设计理念，减少安装与检修的步骤，降低故障维修成本。

1.1 车上与车下连接的模块化

为了实现车上与车下部分的高效连接，本装置将这两部分设计为相对独立的模块。通过精简的连接线设计，本装置仅需要交换10个电流量和两个24V调制电压，总共12根线，在物理形态上被整合为两根Φ10mm的电线，使得安装过程中无论是寻找贯通车上车下的连接口还是新打连接口都变得异常容易，在检修过程中也节省了梳理线路的时间。

1.2 零部件的模块化

本装置共采集11个测温点，车下位置的温度变送器数据采集盒容易受到油、水、尘土以及外界温度变化的影响，温度变送器容易发生故障，每个测温点上传通道都配备了独立的温度变送器，应对检修、更换的工作。

1.3 多种形式的安装方法

针对不同车型和角度，我们设计了三种灵活的安装方案。第一种方案是将左侧四个车轴轴承箱和前转向架齿轮箱分为一组，共用一个数据采集盒。第二种方案则是将左侧四个车轴轴承箱和后转向架齿轮箱分为一组，同样共用一个数据采集盒。第三种方案将一个转向架上的四个车轴轴承箱和齿轮箱分为一组，共用一个数据采集盒。这种多样化的安装方法不仅满足了不同车型的需求，还提高了系统的适应性和灵活性。

2. 温度调节功能的完善

由于装置在安装和连线过程中，每个焊接点、连线点的电阻均存在差异性，这导致安装完成后需要对温度零点进行重新调整。为了确保测量结果的准确性，本装置设计了的温度调节功能，包括手动调节和自动调节两种方式。

2.1 手动调节

手动调节是一种直观且灵活的校正方式。当发现装置显示的温度与测温枪等标准测量手段存在偏差时，用户可以在设置界面手动输入偏差量进行修正。

2.2 自动调节

为了进一步提高温度调节的准确性和便捷性，设置了自动调节功能。该功能采用PT100温度检测探头热电阻在0℃时的电阻值为100Ω的特性。在自动调节过程中，普通电阻（100Ω）替换PT100探头，在设置界面选择自动修正功能，装置将当前电阻值对应到0℃，装置将自动修正偏移量，使其与标准值保持一致。

3. 程序设计

本轴温监测装置采用MCGS组态工程作为核心控制系统，通过PT100热电阻随温度变化的特性，连接电流温度变送器，向系统监测主机发送4-20mA的电流信号。系统监测主机接收该信号后，将其转化为数字量，并通过RS485通讯协议，以MODBUS格式发送给MCGS组态屏，实现数据的交互和信息处理。以下是程序设计的详细完善内容：

3.1 建立通讯机制

MCGS组态屏与系统主机之间的通讯以100ms的周期进行交互，确保数据的实时性。RS485通讯协议采用一主一从的一问一答半双工通讯方式，其中MCGS组态屏作为主站，需要与系统主机建立数据映射关系。通过这种映射关系，主站能够根据自身需求向从站读写信息，从而建立稳定可靠的通讯。

3.2 温度诊断算法设计

为了克服传统即时温度报警方法的单一性缺陷，本系统采用复合温度诊断方式。①对即时温度进行多次取样并取平均值，以减少偶然误差；②对突然跳变的温度值不即时采用，而是采用温度跟踪方式，经过诊断后再使用。这种复合温度诊断方式提高了温度测量的准确性和可靠性。

3.3 备用通道的建立

系统主机需要接收11个4-20mA的物理量信号。为了确保系统的稳定性和可靠性，当某个接收4-20mA信号的通道发生故障时，系统在手动控制下连接到备用通道，能够应对施工过程中可能发生的系统故障，确保施工安全运行。

3.4 自检功能设计

系统设置了自检功能，用于检测设备状态是否完好。在自检过程中，系统向温度变送器的通道内连接4-20mA电流发生器，并向通道发送指定变化的电流。通过比较测试数值和发送电流的匹配程度，可以判断系统主机的功能是否完好。此外，当系统接收到3-4mA电流时，表明温度变送器输送了低于4-20mA范围外的电流，说明温度变送器发生故障。当温度探头发生断路问题时，温度变送器也会输送低于4-20mA范围外的电流。基于这些原理，通过设备自检程序，以实现对系统状态的实时监测和故障预警。

3.5 程序优化策略

程序优化是提高系统性能的关键。为了减少系统运算压力，采用了以下优化策略：对于自检功能、多种安装模式、系统测试等不常用的设备调用程序，在不使用时将其置于静默状态，不参与程序计算。这种优化策略能够降低系统的资源消耗，提高系统的响应速度和稳定性。

五、结论

铁路高速战略的实施，对铁路工程车辆安全运行保障提出了更高的要求，其中轴温监测系统对列车运行安全具有重要意义。本文所述的新型轴温监测系统针对以往系统的不足，从应用场景出发，采用新型装置，保障人员和设备安全，提高装置的安装和检修的便捷性，降低技术人员和司助人员的劳动强度，完善车辆一体化检测系统。