专利名称：实时动态轨道衡的制作方法
技术领域：
本发明属于工业用电子秤，一种称量铁路车辆的称重设备，特别涉及一种机车在轨道上行驶运行的过程中进行有效的动态计量称重的自动化称重设备——实时动态轨道衡。
背景技术：
铁路运输在国民经济中具有十分重要的位置，在冶金、矿山、建材、化工、石油等行业的大型和特大型企业中，铁路运输还是主要运输工具。在这些企业中，目前轨道衡的计量过程还是必不可少的。轨道衡器在铁路运输安全、运费结算以及企业间生产计量和经济核算都是重要的计量器具，尤其在加入WTO后，国际竞争日趋激烈的今天，更具有现实意义。动态轨道衡“顾名释义”，就是机车在运行的过程中进行有效的动态计量。它的特点是不用停止列车，使列车可以在慢速通过即可有效的称量。动态轨道衡的优点就在于使用效率高，不影响生产，因而受到了用户们的普遍欢迎。事实上对动态轨道衡本身而言，技术含量要求高，可靠性要求严，环境适应要求宽，精确度要求高，这就给动态轨道衡的研制增加很大的难度和几分神秘色彩。动态轨道衡是工业用电子秤，是对在轨道上行驶的分组列车进行动态称重的自动化称重设备，在我国已有近四十年的发展历史。按其结构和性能可分为三个阶段(一)早期的动态轨道衡以机械杠杆为主体，以转向架指针指示计量结果，用阻尼板产生的电磁阻尼力平衡车重，如4090型，这种轨道衡能够实现半车重量动态计量，但是精度低、性能差。
(二)再一个时期的轨道衡采用传感器作为重力平衡主件，用Dz8数字电压表作为显示设备，逻辑元件采用半导体分立元件或简单的CMOS集成电路，基本上采用电测技术，已经初具现代动态轨道衡的雏形，但是这种轨道衡还具有精度低、温度特性和线性不好的缺点，并且故障率较高，维护困难。
(三)进入八十年代，随着电子技术、微机技术和半导体集成技术的发展，使微机在生产的各个领域均得到了较为广泛的应用，也就出现了以微机作为显示和数据处理设备的微机动态轨道衡。这种轨道衡采用了微电子技术，具有了比较高的性能，精确度也有了很大提高，且工作稳定，故障率较低，维护也比较容易。
目前大部分正在使用的动态轨道衡属三代产品，主要是利用80年代的生产技术，其主要的元器件如运算放大器、模数转换器等已经很难买到了。计算机多采用486或586的微处理器，数据插板采用计算机的ISA总线的插槽，计算机系统软件用DOS界面，应用软件采用汇编语言和BASIC语言来编写，汉字系统采用UCDOS，这些无论是硬件还是软件部分都不能适合计算机飞速发展的今天，更满足不了故障诊断和分析。DOS系统画面单一，显示单色，只能显示数据，不能显示图像和记录。一旦列车过去了，计量的有效性和稳定性都很难说的清楚。当轨道衡检定时，费时且来回调车。因此，大有改进的必要。
中国专利91229828.6公开的是一种能应用于曲线轨道线路上的曲线动态轨道衡，是由承重装置、传感器、称梁、称梁轨、抗扭装置和横纵向限位装置组成的曲线动态轨道衡。
发明内容
本发明的目的是为在轨道上行驶的分组列车在运行的过程中进行有效的动态计量称重，提供一种自动化称重设备——实时动态轨道衡。
本发明实时动态轨道衡内容简述本发明实时动态轨道衡，其特征在于充分利用现有的微机内电源，不再采用外接电源，将轨道衡的通道与微机接口板内、外两块合为一块，统一放入微机机箱内；模数转换器件要选用16位A/D及以上转换器件，且输出接口要求并行传送数据；利用单片机实现动态实时数据采集；插入微机插槽的总线采用通用的PCI总线设计，具有实时数据采集、存储、波形回放功能。
本发明实时动态轨道衡使动态轨道衡进一步完善智能化，是建立在90年代末20年代初成熟的软件和硬件的发展基础之上的。其主要特点是1、性能稳定从5月份至今历经春夏秋冬四个季节的现场应用，无论外界环境温度如何变化，即使在没有UPS和交流稳压电源的情况下，该系统都能正常工作，性能稳定，且具有很强的抗干扰能力，以往每到雷雨季节传感器和通道易遭遇雷击损坏，外界温度变化会产生较大零点漂移的现象也从未发生。2、数据可靠从实际应用看，数据从采集到存储以及传送过程中均没有丢失现象，这样就保证了数据采集的实时性和有效性，因此没有产生丢车和数据偏差大的问题。
3、检测精度高通过2次用检衡车对3个磅站轨道衡的实际检测，绝对误差都小于千分之五以内，并且在列车推进小于15km/h的速度范围内，检测数据重复性好。4、计量数据可以事后分析采用了实时采集后，将检测的数据按日期时间文件名进行存储，事后可以用波形进行分析，保证了对轨道衡进行故障诊断和进一步改进完善。5、技术先进实时动态轨道衡不仅软、硬件设计先进，通道卡实现智能化，而且与同类的动态轨道衡相比，克服了Windows98系统软件不能实时跟进，不能保证应用软件对计数器和逻辑判断软件的有效控制，改变了容易造成偶尔丢车或者数据采集不准的问题。具有操作简便、容错性强等优点，除具有动态计量、静态计量、数据管理等功能外，还可以处理混编列车的停、退等特殊情况下的计量。列车高速、低速、停车等任意方式运行时都能达到高精度的准确计量，并且车辆识别可达百分之百可靠。另外，本软件还具有温度显示和补偿、硬件自检及计量过程中的波形绘制。以及原始数据图形的追溯、网络通讯等功能。
图1为硬件总体设计电源部分结构框2为两节列车联挂通过轨道衡时的理想波形3为Windows平台下的程序结构图具体实施方式
本发明实时动态轨道衡是这样实现的，下面结合附图做具体说明。
(一)硬件部分硬件总体设计，见图1，1、电源部分将计算机提供的直流+5V电源，经过电源逆变芯片转换成±15V直流电源，供给各级运算放大器，作为运算放大器的工作电源；再将±15V直流电源经过稳压产生±10V电源，做为一次元件传感器的供桥电源，驱动传感器工作；最后再将±15V直流电源经降压稳压转换成±5V直流电源，为其它元器件和芯片提供工作电源。其电路设计的独到之处在于在供桥电源的电路中采用了稳压器推挽，使电源间的压差保持稳定，进一步保证了一次元件的工作电源电压稳定，从而减少了输入信号(重量电测信号)因供桥电压变化造成的影响。
2、放大滤波部分共分为四级放大、二级滤波，所有放大器均采用精密斩波稳定集成运算放大器，这种放大器具有失调电压极低；失调电压随温度变化(温漂)极低；低输入失调电流；差分电压放大；共模抑制比和电源电压抑制比；单电源工作，共模输入电压可以为负值；外电容接至VDD脚，可降低噪声性能等特点。并且工作性能稳定，对环境条件要求不高。放大器的配置为前置级差动输入，输入阻抗高，这样做使传感器输出信号为负电压时，也能正常工作，降低了前置级的噪声。放大电路中的电阻全部采用精密电阻，从而保证了放大信号的稳定，使放大后的信号能够满足模/数转换器的要求，进而保证数字信号的稳定，提高仪表的精度，并且，具有自动调零、输入信号保持和有源滤波的功能。
3、模数转换部分该部分采用美国AD公司生产的模数转换器件。该器件高速度，高分辨率，低功耗和单±5V电源供电，并且将时钟信号和基准电压均集成在芯片内，又可将数字信号并行输出。因此使用非常灵活。
4、数据处理部分单片机选用16位及以上高速控制用单片机，主要作用是实现实时采集并且协调插板上各部件的正常工作，保证数据传输的正常有序，并能够实现温度自动检测功能，还能够判断和滤掉输入信号中的一些不正常信号，如高频干扰信号等。单片机软件整体固化在单片机内，保证数据的有效控制能力。
5、数据缓存部分先进先出寄存器具有存储能力，起到了一个数据暂存器的作用，并能保证先存入的数据先被计算机读取，还保证了进入插板的数据不丢失。
6、接口部分采用PCI专用接口芯片，能保证插板输出信号符合计算机的通讯协议的要求，可提高插板和计算机间的通讯速度。
(二)软件部分1、PCI通道卡内软件这部分软件用汇编语言编写，主要是对单片机进行初始化，在极短时间内完成一组数据的采集、排序、滤波，然后产生一个有效数据放入缓存器中。这样循环进行，并且协调与PCI总线计算机进行通讯联接。
2、系统软件本系统要求计算机内必须予装Windows98简体中文及以上操作系统、Delphi6、Visual Foxpro6等系统软件只有在上述条件满足的前提下，系统才能正常应用。
3、应用软件用Borland Delphi6.0软件开发应用程序，主要包括以下几个部分(1)、数据采集数据采集部分的程序，主要是对PCI接口芯片进行初始化和进行编程、传输数据。
(2)、数字滤波由于动态计量处于运动状态，而计算机的采样速率又很高，如果不对采集到的数据进行平滑，则不光计量精度难以提高，还会引起逻辑判断的失误。所以我们采用了较为简单实用的滤波方法，加权平均方式，这样我们就得到了一个相对稳定的数值。
(3)、零点跟踪众所周知，传感器和二次仪表随着时间、温度、电压等外界因素的变化会有一定量的蠕变，我们一般都是在列车到来之前的一段时间打开通道和计算机电源，如果我们用刚开机时获得的数据或用一个固定数作为台面值则肯定是不准确的。在工作程序中，采用了一种叫“零点跟踪”的方法来解决此问题。首先，把每8个数平均得到一个较为稳定的数值，每得到一个新数，就把它的前一个数舍掉，再取一个8个数平均，作为台面零点存储，不管开机时间有多长，台面零点始终是这样的平均数，“零点跟踪”就是这样实现的。
(4)、逻辑判别与重量计算在软件程序中，首先要把车头自动判断出来，并且滤掉，因为车头不在计量之列。其次，要在列车动态联挂的情况下，准确地判断出每节车拖在台面上、下转向架状态所处位置，从而知道哪些数据是无用数据，哪些数据可以作为称量数据来计算，如何进行速度计算，如果逻辑判别失误，就会造成多车、丢车，重量不对等问题，使计量失败。见图2，是一个两节列车联挂通过轨道衡时的理想波形图。当台面上没有车轮时，称为零点，每个车轮上或下台面时产生的重量变化叫跳变，一个或两个车轮在台面上运行所维持的一段较为稳定的数据区间叫平台。列车的重量分别由前转向架和后转向架来承受。只要准确的求出前、后转向架的重量，两者相加就是整节车的节重。从图中可以看出，平台2是前转向架重量，平台5是后转向架重量，平台2是零点的倒数第2个平台，平台5是零点2正数第二个平台。在程序中，采用的方法是用递进方式保存两个平台，当出现一个零宽时(如图2中，零点2、零点3)，把倒数第二个平台的值送入前转向架存储单元，同时做好标记和平台计数，出现第二个平台后把此平台值送入后转向架的存储单元，同已获得的前转向架值相加得到节重后，去显示、存储。
速度的计算是利用了第2个车轮上台面(跳变2)和下台面(跳变4)之间的点数换算得出的，由于每一个数据间隔是已知等同的，这样，我们可以把两点数间隔作为时间t，而台面长度是固定的(一般为3.8m)，这就是s，则速度v＝s/t，经过单位换算就得出了速度(公里/小时)。
知道了车辆判别原理，就可以用它滤除车头，对于蒸汽机车，由于它的轮距短，不会出现零宽或零宽过小，可采用设置零宽的方法滤除。对于电力和内燃机车，我们可以找出一些与一般车辆不同的波形来滤除车头，还可以采用手动方式来滤除。
(5)、数据处理部分采用数据库管理系统本软件可以根据现场的实际要求来做，还可以提供外接程序接口，且具有强大的查询、打印功能，动态、静态的参数，代码等功能。可通过窗口设置完成，不必进行复杂的程序编制及修改。其程序结构如图3所示，全部图形界面具有操作简便、容错性强等优点，除具有动态计量、静态计量、数据管理等功能外，还可以处理混编列车的停、退等特殊情况下的计量。列车高速、低速、停车等任意方式运行时都能达到高精度的准确计量，并且车辆识别可达百分之百可靠。另外，本软件还具有温度显示和补偿、硬件自检及计量过程中的波形绘制，以及原始数据图形的追溯、网络通讯等功能。
权利要求
1.一种实时动态轨道衡，其特征在于充分利用现有的微机内电源，不再采用外接电源，将轨道衡的通道与微机接口板内、外两块合为一块，统一放入微机机箱内；模数转换器件要选用16位及以上A/D转换器件，且输出接口要求并行传送数据；利用单片机实现动态实时数据采集；插入微机插槽的总线采用通用的PCI总线设计，具有实时数据采集、存储、波形回放功能。
2.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的电源部分将计算机提供的直流+5V电源，经过电源逆变芯片转换成±15V直流电源，供给各级运算放大器，作为运算放大器的工作电源；再将±15V直流电源经过稳压产生±10V电源，做为一次元件传感器的供桥电源，驱动传感器工作；最后再将±15V直流电源经降压稳压转换成±5V直流电源，为其它元器件和芯片提供工作电源。
3.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的放大滤波部分共分为四级放大、二级滤波，所有放大器均采用精密斩波稳定集成运算放大器，单电源工作，共模输入电压可以为负值；外电容接至VDD脚；放大器的配置为前置级差动输入，输入阻抗高；放大电路中的电阻全部采用精密电阻。
4.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的模数转换部分该部分采用高速模数转换器，将时钟信号和基准电压均集成在芯片内，可将数字信号并行输出。
5.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的数据处理部分单片机做为数据处理的核心，具有掉电和复位多种工作方式；并且实现实时采集和协调插板上各部件的正常工作，保证数据传输的正常有序，并能够实现温度自动检测功能，还能够判断和滤掉输入信号中的一些不正常信号，如高频干扰信号等，单片机软件整体固化在单片机内，保证数据的有效控制能力。
6.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的数据缓存部分采用先进先出寄存器，具有存储能力。
7.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的接口部分采用专用PCI总线接口芯片。
8.根据权利要求1所述的实时动态轨道衡，其特征在于所说的软件部分(一)、PCI通道卡内软件这部分软件用汇编语言编写，主要是对单片机进行初始化，在极短时间内完成一组数据的采集、排序、滤波，然后产生一个有效数据放入缓存器中，这样循环进行，并且协调与PCI总线计算机进行通讯联接；(二)、系统软件本系统是在计算机内要予装Windows98简体中文及以上操作系统、Delphi6、Visual Foxpro6等系统软件才能保证系统的正常应用；(三)、应用软件用Borland Delphi6.0软件开发应用程序，主要包括以下几个部分(1)、数据采集数据采集部分的程序，主要是对PCI接口芯片进行初始化和进行编程、传输数据。(2)、数字滤波由于动态计量处于运动状态，而计算机的采样速率又很高，如果不对采集到的数据进行平滑，则不光计量精度难以提高，还会引起逻辑判断的失误；采用滤波方法，加权平均方式，得到了一个相对稳定的数值；(3)、零点跟踪在工作程序中采用“零点跟踪”的方法，首先，把每8个数平均得到一个较为稳定的数值，每得到一个新数，就把它的前一个数舍掉，再取一个8个数平均，作为台面零点存储，不管开机时间有多长，台面零点始终是这样的平均数；(4)、逻辑判别与重量计算在软件程序中采用理想波形图，当台面上没有车轮时，称为零点，每个车轮上或下台面时产生的重量变化叫跳变，一个或两个车轮在台面上运行所维持的一段较为稳定的数据区间叫平台；列车的重量分别由前转向架和后转向架来承受，准确求出前、后转向架的重量，两者相加就是整节车的节重；在程序中，采用递进方式保存两个平台，当出现一个零宽时，把倒数第二个平台的值送入前转向架存储单元，同时做好标记和平台计数，出现第二个平台后把此平台值送入后转向架的存储单元，同已获得的前转向架值相加得到节重后，去显示、存储；速度的计算是利用了第2个车轮上台面和下台面之间的点数换算得出的，由于每一个数据间隔是已知等同的，这样，我们可以把两点数间隔作为时间t，而台面长度是固定的(一般为3.8m)，这就是s，则速度v＝s/t，经过单位换算就得出了速度(公里/小时)；(5)、数据处理部分采用数据库管理系统本软件可以根据现场的实际要求来做，还可以提供外接程序接口，且具有强大的查询、打印功能，动态、静态的参数，代码等功能，可通过窗口设置完成，其程序结构全部图形界面。
全文摘要
本发明属于工业用电子秤，一种称量铁路车辆的称重设备，特别涉及一种机车在轨道上行驶运行的过程中进行有效的动态计量称重的自动化称重设备－实时动态轨道衡。其特征在于充分利用现有的微机内电源，不再采用外接电源，将轨道衡的通道与微机接口板内、外两块合为一块，统一放入微机机箱内；模数转换器件要选用16位及以上A/D转换器件，且输出接口要求并行传送数据；利用单片机实现动态实时数据采集；插入微机插槽的总线采用通用的PCI总线设计，具有实时数据采集、存储、波形回放功能。本软件还具有温度显示和补偿、硬件自检及计量过程中的波形绘制，以及原始数据图形的追溯、网络通讯等功能。
文档编号G01G19/03GK1415944SQ0214497
公开日2003年5月7日 申请日期2002年12月20日 优先权日2002年12月20日
发明者韩德久, 徐馨凤 申请人:鞍钢集团鞍山矿业公司质量计量中心