一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置
技术领域
本实用新型涉及牵引供电装置地面监测，尤其涉及一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置。
背景技术
电气化铁路接触网是指沿铁路线上空架设，用于向电力机车供电的特殊形式的输电线路，包括有接触悬挂、支持装置、定位装置、支柱以及基础，其中，接触悬挂包括接触线、吊弦、承力索以及连接零件和绝缘子，不管在任何气候条件下，架空的接触悬挂都需要始终处于张紧的状态，即接触线和吊弦始终处于张紧的状态，以保障供电接触网的正常工作，但由于环境温度变化产生热胀冷缩现象，会使接触线有长度变化，因此现有接触网供电技术中采用了可以补偿接触网导线长度变化的张力补偿装置。张力补偿装置是电气化铁路中的供电配套装置，是保证接触网张力恒定的重要基础设施。接触网常年处于气温不断变化的环境中，且长距离的铁路沿线贯穿高温地区和低温地区，温度变化会引起接触网的张力发生变化，接触网张力补偿变化会引起张力补偿装置中各种参数的变化，通过监测张力补偿装置的各项参数可以对张力补偿状态进行报警，防止事故的产生。同时，通过张力补偿装置各项参数的长期监测统计，可以预测接触网可能发生的事故，并判断接触网运行质量。
目前对接触网张力补偿装置的各项参数有单独进行检测，部分设备对张力补偿装置可以进行多项参数检测，但是目前设备所使用的数据采集方式都是针对单个传感器进行，无法在同一时刻采集不同检测项的传感器数据信息，使数据采集总周期过长，由此造成了较大的测量误差，进一步造成了系统补偿精度低、工作效率低且工作不稳定的缺陷；另外，目前的检测设备在设计过程中，均根据检测项数量限定了数据采集系统中的传感器数量，后期无法在原有的数据采集系统中通过增加传感器数量，来进一部增加检测项，只能另外增加一支单独的检测电路或换掉整套检测设备，前者使整个接触网张力补偿装置的检测系统复杂化，维护使用不方便、安装调整繁琐，在检测参数时，数据采集同步性低，存在进一步增大检测误差的弊端，后者成本高，且不能完全解决数据采集不能同步的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，允许具有相同通信接口的传感器同时工作，实现多传感器数据集中采集，按传感器地址优先级分别将数据传输至主机，避免了各个传感器分散采集，消除了传感器分散发送的弊端；并且可兼容传感器数量扩展，进一步消除采集传感器数量不能增加的弊端。
下文对本技术方案中的部分元器件的选用型号进行了举例，需要说明的是，本技术方案中的元器件可以、但不限于选用以下例举的型号。
具体通过以下技术方案实现：
接触网中包含有支柱和棘轮补偿装置。其中，接触网的支柱是接触网中最基本、应用最广泛的支撑设备，用来承受接触悬挂与支持设备的负荷，按其使用材质分为预应力钢筋混凝土支柱和钢支柱两大类；棘轮补偿装置是调整承力索、接触线张力，使其保持恒定的自动装置，是电气化铁路接触网的关键部件，其作用是当温度变化时，承力索和接触线均会受温度影响而伸长或缩短，由于补偿坠砣重量的作用，会使线索顺线路方向移动而自动调整其张力，以保持线索的驰度符合规定，从而保证接触悬挂的技术状态满足要求，当发生断线事故时，棘轮本体在自重及不补偿坠砣的中立作用下向下移动，使棘轮齿与制动块啮合，棘轮本体停止转动，防止坠砣落地和事故扩大；棘轮补偿装置包括下锚底座、棘轮装置、坠砣限制装置、配重体（坠砣串），棘轮装置由棘轮本体、制动支架、平衡轮、补偿绳等组成。
一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，包括远程数据接收服务器，以及设置于接触网上的传感监测装置，还包括设置于接触网的支柱上的主体机柜，主体机柜中设置有用于为传感监测装置供电的供电装置。其中，远程数据接收服务器是指布置数据库和后台处理及显示软件的上位计算机设备（如可采用IBM-PC兼容机），在本技术方案中主要用于对传感监测装置监测到的数据进行接收、管理和储存，以及控制命令的发送和客户对数据的访问；主体机柜有效的防止了其内部电路组成结构中的电子器件被风蚀而加速老化，为了降低接触网的支柱的重心，使接触网的支柱更加稳定，同时方便检修和维护，优选的，所述主体机柜设置于所述接触网的支柱靠近地面的一端；所述传感监测装置包括CAN总线的载体线，以及设置于主体机柜内部的数据处理模块，CAN总线的载体线一般为一条双绞线（双绞线中包含了一条高位数据线和一条低位数据线）；所述载体线布设于接触网的支柱上，且所述载体线上设置有若干个CAN监测节点和一个与数据处理模块电性连接的CAN收发节点，CAN监测节点上对应电性连接有分布设置于接触网的棘轮补偿装置上的传感器；所述数据处理模块上电性连接有4G/5G模块，4G/5G模块与远程数据接收服务器通讯连接。若干个传感器分别对应棘轮补偿装置各个点的状态进行检测，还可设置针对现场环境检测的传感器；CAN监测节点以单片机为核心，主要负责接收传感器检测到的信号，并将信号进行打包处理后通过CAN总线发送至CAN收发节点；CAN收发节点主要有两个功能：一是作为数据处理模块与CAN总线的接口，完成CAN总线数据与数据处理模块上的RS-232接口的数据转换，对CAN监测节点传送过来的数据信息进行缓存，二是负责协调数据处理模块与各个CAN监测节点的通信，以确保各个节点的监测数据能够快速、准确地传给数据处理模块，CAN收发节点通过CAN总线接收经过打包处理后的信号，并将该信号传输至数据处理模块，数据处理模块中设置了中央处理器，用于通过CAN收发节点接收各CAN监测节点传感器采集数据，并按照数据处理模块和传感器之间已定义的通信协议解析得到实际的检测数值，然后按照传感监测装置与远程数据接收服务器之间的通信协议封装检测数据；4G/5G模块即4G无线传输模块和5G无线传输模块（如可采用ZWNET4352型号的设备，可实现4G无线传输，并且在无4G信号覆盖的区域可自动向下兼容3G和2G网段），用于通过公网连接服务器，将实际的检测数值上传至远程数据接收服务器。
CAN收发节点和每单个CAN监测节点中，都设置有包含微控制器（如STC89LE54RD十）和CAN控制器（如SJA1000）的模拟电路，微控制器与CAN控制器电性连接，构成一个最小系统节点；微控制其主要用于执行CAN控制且发出的命令，以及协调传感器与CAN控制器之间的信号传输；所述传感器与所述CAN监测节点中的微控制器电性连接，所述数据处理模块与所述CAN收发节点中的微控制器电性连接；CAN控制器上连接有接口芯片，CAN控制器通过接口芯片与CAN总线的载体线电性连接。
为提高系统的抗干扰能力，所述传感监测装置中还设置有抗干扰单元，所述抗干扰单元所述传感监测装置中还设置光电隔离芯片和终端电阻；光电隔离芯片电性接入所述CAN控制器与所述接口芯片之间；所述载体线包括高位数据线（CAN-H）和低位数据线（CAN-L），且高位数据线的两端分别通过终端电阻与低位数据线的两端连接。
所述棘轮补偿装置设置于接触网的支柱上，包括带有承力索配重体的承力索棘轮，以及带有接触网配重体的接触网棘轮，承力索棘轮上设置有承力索摇臂，接触网棘轮设置有接触网摇臂，此处的承力索摇臂和接触网摇臂具体是指分别设置于承力索棘轮和接触网棘轮上的制动支架；所述传感监测装置中的传感器包括设置于承力索摇臂上的传感器Ⅰ，以及设置于接触网摇臂上的传感器Ⅱ，还包括处于接触网棘轮下方、且分别处于承力索配重体和接触网配重体正上方的传感器Ⅲ和传感器Ⅳ，以及分别处于承力索配重体和接触网配重体正下方的传感器Ⅴ和传感器Ⅵ，其中，传感器Ⅰ和传感器Ⅱ为倾角传感器（如：标准CAN协议系列PM-TSⅠ/Ⅱ-CAN型号的传感器），分别用于检测承力索棘轮摇臂和接触网棘轮摇臂的角度变化值；传感器Ⅲ、传感器Ⅳ、传感器Ⅴ以及传感器Ⅵ为距离传感器（可以选择19系列的位移传感，如：19001H0075211）。
所述接触网的支柱上还设置固定工装架Ⅰ和固定工装架Ⅱ，优选的，固定工装架Ⅰ和固定工装架Ⅱ可拆卸的安装于接触网的支柱上，便于安装传感器，也便于调整传感器的高度；固定工装架Ⅰ处于接触网的支柱靠近接触网承力索底部的一端，固定工装架Ⅱ处于接触网的支柱靠近地面的一端；传感器Ⅲ和传感器Ⅳ并排设置于固定工装架Ⅰ上，传感器Ⅴ和传感器Ⅵ并排设置于固定工装架Ⅱ上。
所述供电装置为包含有深循环胶体蓄电池和导轨式市电转换电源的双路供电装置；所述主体机柜中还设置有太阳能控制器，深循环胶体蓄电池上通过太阳能控制器外接有太阳能板。双供电电路可同时工作，根据不同供电电路的电压大小自动切换，选择在供电电压允许范围内电压稍高的一路作为实际供电线路，电路中还需要设置一个双回路投切开关，两个电源之间可以切换,在其中一个电源失电的情况下可以投切到另一个电源供电，确保监测装置工作稳定运行。
所述接触网的支柱上还设置有带有线管固定支架的线缆保护管，所述载体线处于线缆保护管，线缆保护管通过线管固定支架固定于接触网的支柱上。线缆保护管用于保护实体线不受太阳光辐射，进一步避免降低抗干扰性，同时使接触网的支柱表面整齐美观。
本技术方案带来的有益效果：
本技术方案采用总线通信方式连接，实现了同一时刻采集不同检测项的传感器数据信息，缩短了数据采集的总周期，最大限度的减小了由于检测数据不同步、检测周期过长造成的测量误差，进一步确保了张力的补偿精度，并且还提高了装置的工作效率，同时使装置的工作状态更加稳定；另外，本技术方案通过总线通信方式连接传感器，允许同时连接的传感器数据最多可达到200个，线路总长最远距离为1000m，两传感器之间的距离间隔无特殊要求，只需传感器与同一总线连接即可，因此可以实现后期在不增加监测装置复杂程度的条件下，允许更多具有该总线通信方式的传感器接入，传感器可以即插即用，维护使用方便、安装调整简单方便，便于后期在节约成本的条件下增加张力补偿装置检测项点。另外，本技术方案采用含有深循环胶体蓄电池和导轨式市电转换电源的双路供电装置，为监测装置提供稳定的工作电源，确保监测装置工作稳定运行；接触网的支柱上设置了固定工装架，便于安装传感器，同时也便于后期增加传感器。
附图说明
本实用新型的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，其中：
图1是本实用新型的电路原理结构框图；
图2是本实用新型的整体布置结构示意图；
图中：
1、接触网的支柱；2、棘轮补偿装置；2.1、承力索棘轮；2.2、承力索配重体；2.3、接触网棘轮；2.4、接触网配重体；2.5、承力索摇臂；2.6、接触网摇臂；3、主体机柜；4、传感器Ⅰ；5、传感器Ⅱ；6、传感器Ⅲ；7、传感器Ⅳ；8、传感器Ⅴ；9、传感器Ⅵ；10、固定工装架Ⅰ；11、固定工装架Ⅱ；12、线缆保护管；13、线管固定支架。
具体实施方式
下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本实用新型目的技术方案，需要说明的是，本实用新型要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。
实施例1
本实施例公开了一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，作为本实用新型一种基本的实施方案，包括远程数据接收服务器，以及设置于接触网上的传感监测装置，还包括设置于接触网的支柱1上的主体机柜3，主体机柜3中设置有用于为传感监测装置供电的供电装置；传感监测装置包括CAN总线的载体线，以及设置于主体机柜3内部的数据处理模块；载体线布设于接触网的支柱1上，且载体线上设置有若干个CAN监测节点和一个与数据处理模块电性连接的CAN收发节点，CAN监测节点上对应电性连接有分布设置于接触网的棘轮补偿装置2上的传感器；数据处理模块上电性连接有4G/5G模块，4G/5G模块与远程数据接收服务器通讯连接。
本技术方案主要是在棘轮补偿装置2的相应部位设置检测传感器，基于总线的数据通信方式，将所有检测传感器通过总线的方式进行并行连接，实现不同位置传感器数据同步采集，为使传感器可即插即用于传感监测装置中，CAN监测节点可以以混合信号微处理器C8051F041为核心，构建可嵌入传感器的智能转换接口，将传感器输出信息转换为CAN总线上的报文信息，针对大多数模拟传感器输出信号较弱的特点，混合信号级单片机（如C8051F041）结合集成单电源仪表放大电路（如AD623）等模拟电路对传感器信号进行必要的滤波、程控放大、零点校准、A／D变换，并由其内部集成的CAN控制器转换为CAN报文信息，通过外接的CAN驱动器（即CAN控制器的接口芯片，如CTM8251T），最终接入CAN总线的载体线，以CAN控制器为核心构成一个CAN监测节点，通过定义CAN应用层协议，使传感器插入后立即以较低优先级传送传感器电子数据表单，接收必要的参数设定，从而实现传感器即插即用；远程数据接收服务器可以通过4G/5G向数据处理模块发送统一询问命令（如采集命令），数据处理模块将该询问命令通过CAN总线作用于所有CAN监测节点上传感器，询问命令的发送是通过设定的采集时间间隔自动发送，用户可根据实际需要通过远程数据接收服务器更改采集时间，传感器同一时刻接收到采集信号，并对特定的检测参数进行数据采集，所有传感器同时进行检测工作，实现不同位置传感器在同一时刻接收到检测设备的采集信号，从而实现不同位置传感器的同时采集，做到信号采集的同步性。基于CAN总线是半双工工作模式，且不同传感器连接的CAN监测节点不同，传感器固化有不同的地址信息，因此，所有传感器可同时采集数据，但却不能同时将数据传送到主体机柜3中的数据处理模块中，为分辨出不同时刻采集的检测参数，在数据处理模块与各不同传感器的通信协议中规定有传感器地址这一项数据字段回传编号，不同时刻的同步采集信号对应不同采集数据的回传编号，各传感器具体是按照地址优先级，由地址低的传感器优先传输数据，依次将同一时刻采集的数据传输至主体机柜3中的数据处理模块，以此实现同步采集而非同步回传的数据同步目的。数据处理模块获取到由传感器同步采集却非同步回传的信号后，将数据信号传解析，并得到实际监测值，实际监测值通过4G或5G无线传输模块经4G或5G无线网络传输至远程数据接收服务器，用于后续数据展示和处理；另外，主体机柜对本技术方案中涉及到的大部分电子器件、电子设备以及控制电路等起到了很好的保护作用，比如避免雨水造成电路短路、漏电等，再比如由于电车行驶速度快，接触网周围的经常出现空气流速大的情况，主体机柜中还设置有各种供电保护部件（如：漏电保护器等），避免发生电路故障，进而发生火灾等安全事故，为电动机车的运行提供安全保障。本技术方案实现了同一时刻采集不同检测项的传感器数据信息，缩短了数据采集的总周期，最大限度的减小了由于检测数据不同步、检测周期过长造成的测量误差，进一步确保了张力的补偿精度，并且还提高了装置的工作效率，同时使装置的工作状态更加稳定；另外，本技术方案通过总线通信方式连接传感器，允许同时连接的传感器数据最多可达到200个，线路总长最远距离为1000m，两传感器之间的距离间隔无特殊要求，只需传感器与同一总线连接即可，因此可以实现后期在不增加监测装置复杂程度的条件下，允许更多具有该总线通信方式的传感器接入，传感器可以即插即用，维护使用方便、安装调整简单方便，便于后期在节约成本的条件下增加张力补偿装置检测项点。
实施例2
本实施例公开了一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，作为本实用新型一种基本的实施方案，即实施例1中，CAN收发节点和每单个CAN监测节点中，都设置有包含微控制器和CAN控制器的模拟电路，微控制器与CAN控制器电性连接；传感器与所述CAN监测节点中的微控制器电性连接，数据处理模块与所述CAN收发节点中的微控制器电性连接；CAN控制器上连接有接口芯片，CAN控制器通过接口芯片与CAN总线的载体线电性连接；传感监测装置中还设置光电隔离芯片和终端电阻；光电隔离芯片电性接入CAN控制器与接口芯片之间；载体线包括高位数据线和低位数据线，且高位数据线的两端分别通过终端电阻与低位数据线的两端连接。
本技术方案中，可选用STC89LE54RD+作为CAN节点（即CAN收发节点和CAN监测节点，下同）中的微处理器，用于协调传感器与CAN控制器之间的信号传输，SJA1000作为CAN节点中CAN控制器，用于将传感器的检测信号转换为CAN总线的报文信息，PCA82C250作为CAN控制器接口芯片；SJA1000集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可进行通信数据的帧处理；PCA82C250是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，增加通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰，实现热防护，另外，本方案中还设置了抗干扰单元，提高了传感监测装置的抗干扰能力，进一步提高了信号传输的可靠性。
实施例3
本实施例公开了一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，作为本实用新型一种基本的实施方案，即实施例1中，棘轮补偿装置2包括带有承力索配重体2.2的承力索棘轮2.1，以及带有接触网配重体2.4的接触网棘轮2.3，承力索棘轮2.1上设置有承力索摇臂2.5，接触网棘轮2.3设置有接触网摇臂2.6；传感监测装置中的传感器包括设置于承力索摇臂2.5上的传感器Ⅰ4，以及设置于接触网摇臂2.6上的传感器Ⅱ5，还包括处于接触网棘轮2.3下方、且分别处于承力索配重体2.2和接触网配重体2.4正上方的传感器Ⅲ6和传感器Ⅳ7，以及分别处于承力索配重体2.2和接触网配重体2.4正下方的传感器Ⅴ8和传感器Ⅵ9；接触网的支柱1上还设置固定工装架Ⅰ10和固定工装架Ⅱ11；固定工装架Ⅰ10处于接触网的支柱1靠近接触网承力索底部的一端，固定工装架Ⅱ11处于接触网的支柱1靠近地面的一端；传感器Ⅲ6和传感器Ⅳ7并排设置于固定工装架Ⅰ10上，传感器Ⅴ8和传感器Ⅵ9并排设置于固定工装架Ⅱ11上。
本技术方案中，固定工装架Ⅰ10和固定工装架Ⅱ11用于实现传感器的安装和定位，传感器Ⅲ6用于测量承力索a值，即承力索棘轮2.1底部（承力索棘轮2.1所处下锚底座的底部）到承力索配重体2.2顶部表面的距离；传感器Ⅳ7用于测量接触网a值，即接触网棘轮2.3底部（接触网棘轮2.3所处下锚底座的底部）到接触网配重体2.4顶部表面的距离；传感器Ⅴ8用于测量承力索b值，即承力索配重体2.2底部表面到铁轨表面的距离；传感器Ⅵ9用于检测接触网b值，即接触网配重体2.4底部表面到铁轨表面的距离。另外，传感监测装置中的传感器中还可包括温度传感器、湿度传感器等等，时刻监测接触网所处的工作环境。
实施例4
本实施例公开了一种基于CAN总线的接触网张力补偿监测装置，作为本实用新型一种优选的实施方案，即实施例1或2中，供电装置为包含有深循环胶体蓄电池和导轨式市电转换电源的双路供电装置；所述主体机柜3中还设置有太阳能控制器，深循环胶体蓄电池上通过太阳能控制器外接有太阳能板。接触网的支柱1上还设置有带有线管固定支架13的线缆保护管12，所述载体线处于线缆保护管12，线缆保护管12通过线管固定支架13固定于接触网的支柱1上所述主体机柜3设置于所述接触网的支柱1靠近地面的一端。
本技术方案中，深循环胶体蓄电池放电的时候电池容量可以放得很低，而且对电池本身寿命不会有非常大的影响，太阳能板实现户外太阳能供电，用于为深循环胶体蓄电池充电，由此深循环胶体蓄电池具有深循环放电、寿命长、可任意放置、不漏液、环保安全等众多优点，同时，它可以适应恶劣的使用环境，在零下40摄氏度至零上60摄氏度的温度范围内均可正常工作。因此，由深循环胶体蓄电池和导轨式市电转换电源构成的双路供电装置为监测装置提供了稳定的供电条件，线缆保护管12对CAN的载体线起到了很好的保护作用，且通过载体线固定，使接触网的支柱1周围不至于因线路太多而显得杂乱。主体机柜3的位置降低了接触网的支柱1的重心，且便于工作人员对主体机柜3中的电子器件、电子设备等进行检修。
