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摘要：针对高速动车组牵引变流器整流和逆变模块温度异常故障，目前通过故障发生时触发固态继电器动作进而封锁牵引。本文采用一种多层分布式控制策略的模块温度实时监控方法。通过ATmega128单片机I/O口从DIF板卡上DNS8口接入温度传感器，与DIF板卡形成分布式控制。实现封锁牵引、真空断路器动作、上报故障信息、温度采集、温度显示及记录，超温时报警。该系统兼容了温度异常时封锁牵引逻辑，可进行模块温度高故障的锁定及实时监控。
关键词：牵引变流器;整流和逆变模块;多层分布式控制;温度传感器;预警;封锁牵引
中图分类号：U266
一、课题背景
前期，针对高速动车组在夏季高温天气条件下运行时，在高速运行时因牵引变流器内部整流、逆变模块单元均维持在较大功率工作载荷，各变流器模块均产生大量热量。模块产生的热量需及时散出，以防止模块烧损。而各模块均安装在变流器箱体局部密闭空间内，由于牵引变流器自身散热单元翅片、冷却器翅片、轴流风机和风机滤网等散热效率的限制，以及变流器模块自身故障，会导致牵引变流器整流、逆变模块温度异常升高。同时，牵引变流器长时间满功率运行时，安装在局部密闭箱体中的变流器整流、逆变模块会因散热不良而烧损，严重影响模块工作寿命，故障报出量急剧升高。对于载客运行时存在极大的安全隐患[1]。
因牵引变流器整机采用主辅一体模块化设计方式，整机工作时，目前采用的主流散热方式是，通过安装在箱体上的抽气式轴流风机从外部大气中抽入温度较低的纯净空气进行强制式风冷散热。这种散热方式的劣势：一是散热效果受外部空气温度变化影响较大，在夏季35℃以上高温天气，抽入的空气温度甚至高于模块表面温度，无法达到快速冷却散热的效果。二是风冷方式从外部抽入新鲜空气时，空气中含有的杂质如柳絮、沙尘等极容易堵塞风机滤网及风道，导致抽入空气气流不畅，易形成局部空间内温度积聚，热量无法及时散出。
二、牵引变流器工作性能参数
CRH2A型高速動车组的牵引变流器采用主辅一体模块化设计，各模块紧密内置在密闭箱体中。箱体采用轻便型铝合金框架，整体用四角吊耳悬挂于车体底部横梁。采用轴流风机进行强制风冷式散热，散热效率受空气气流流速和空气温度的影响较大。变流器内部箱体主要由牵引控制装置（DCU），U相、V相脉冲整流器功率模块，U相、V相、W相逆变器功率模块，接地电流检测单元（GCT），真空交流接触器，中间直流电路，三相电平逆变器及冷却风机等模块化单元组成[2-4]。每节车厢设置一台牵引变流器，每台牵引变流器驱动四台并联电机动作，其主要组成部件的工作参数如下表1所示。
牵引变流器DCU通过温度信息处理模块DIF板卡上的DNS8插口采集整流、逆变模块上的温度传感器信息。通过对各路传感器信息取“与”“或”逻辑运算，当采集到某一路传感器温度异常信息后，触发固态温度检测继电器CTH动作。通过CTH的辅助触点断开主真空断路器单元，进而通过DCU封锁列车牵引，变流器停止工作。后续隔离该牵引变流器维持运行，直至模块表面温度恢复正常后封锁解除，变流器工作正常。
该温度信息处理模块的缺点：各模块上的温度传感器信号在进入温度信息处理模块DIF板卡前，在板卡上的DNS8插口处已汇接为一路信号，导致DIF板卡无法辨识信号来源。当其中一路温度信号异常时，均笼统的判断为模块温度异常故障进行上报。因此，上报给DCU机箱的故障信息只记录模块温度高故障，未区分具体模块位置，导致故障点无法精确锁定。后续进行故障处理及日常运用维护时，还需要加装其余检测设备才有可能锁定故障，不便于后续故障判断及处置。
三、改进的方案及实施策略
针对既有动车组的运行工况及变流器的特殊工作性能，为提高动车组在线运行时各变流器模块的安全监控性能，为后续故障检测及维护提供数据支撑，评估变流器模块的工作可靠性及使用寿命。设计一种分层分布式变流器温度智能测控以及报警系统，实现对模块温度实时在线监控、采集及显示，当超过预设阈值时报警。
采用一种与既有动车组牵引变流器温度检测模块DIF板卡成分层分布式控制策略的模块温度实时监控方法，实现对各模块温度实时监控、显示、超温预警、上报故障信息及封锁牵引等功能。系统由三层子系统组成：下位机温度信息采集层、中间温度信息处理层和上位机温度信息显示层。
下位机层主要由各温度传感器及采集接头组成，温度传感器采用了方便接入、测量精度高、经济成本低的数字温度传感器DS18B20，可实现多点同步温度采集。在传输温度信息时，引入CRC校验码，提高采集数据的精度。DS18B20温度传感器由三个引脚VDD 、DQ和GND组成，连接时将VDD和GND连接至板卡+5V和GND，DQ引脚连接至任一个数字I/O引脚。其通过1-Wire数据传输总线进行信息交换，可测量-55℃至+125℃范围温度，测量温度范围满足本系统温度检测要求[5-7]。传感器的线路接头共扩展为6路，分别采集U相、V相脉冲整流器功率模块，U相、V相、W相逆变器功率模块，DCU装置以及接地电流检测单元（GCT）表面温度信息。采集后通过DNS8插口引出的接头上传给中间温度信息处理层。其功能框图如下图1所示。
中间层采用分布式控制策略，不改变原有DIF板卡温度采集模式，通过ATmega128单片机自身扩展的8位I/O口从原DNS8插口处接入各模块上的DS18B20温度采传感器，通过识别不同的传感器地址码及及温度数值信息，采集8路传感器的温度值。分别用DIF板卡控制固态温度检测继电器CTH动作、封锁列车牵引及为人机界面上报故障信息;用ATmega128单片机作为中央处理器进行温度信息采集、实时显示、RS复位及超温时报警。ATmega128单片机上配置了12Hz晶体振荡电路、DC5V低压直流电源、A/D转换模块、RS复位开关按钮及接地保护装置，其中央处理模块结构图如下图2所示。电源模块与DIF板卡共用，通过RS复位初始化检测状态，解除列车牵引封锁，通过A/D转换模块对温度信号进行采集和码制转换，将温度数据转换成实时显示的数字信号。ATmega128单片机配合由DIF板采集到的信息，进行模块超温故障的精确判断及温度的实时在线监控，两路控制主辅一体，互为补充，以提高其故障检测的冗余能力。 单片机中央处理模块温度报警逻辑设置如下：
1.设置温度阈值（-10℃至70℃），温度在该阈值内变化为正常温度，超出该范围则报警;
2.计算温度斜率曲线，温度变化率Q
"Q=C/T≤15℃/s"
（"T" 按照30s平滑计算）范围内时，认为是正常温度变化曲线，当超出该变化范围则报警。
?T≥（T_1-T_2）/30
3.逻辑运算中的计数器记录温度超过阈值时间"T" ，当"T≥10s" 时，进行超温报警。
对以上三个逻辑量取“或”值，当任意一条件满足时，控制输出高电平，蜂鸣器鸣响。进行RS按键复位后，重新输出低电平。
上位机层配置LCD12864 液晶显示模块及蜂鸣器。液晶显示模块采用循环显示数据的方式，实时显示温度、位置及记录时间，温度异常时LCD屏锁定模块所表示的温度数据并高亮显示。当超温时蜂鸣器鸣响，进行超温报警。蜂鸣器鸣响后，操作RS复位按钮或重新上电可以进行复位，温度数据进行实时保存。该分层分布式控制策略实现流程图如下图3所示[8-9]。
四、现车跟踪验证及实验数据分析
实施该温度实时监控方案，动车组上线运营时进行在线监控，后续通过对历史温度数据的分析，通过软降筛选，拟合出具有一定特征的曲线，以测试该方案的有效性。
挑选夏季高温天气时段，统计2020年6月19日至2020年9月2日近三个月的模块温度记录数据如表2所示。去除模块供断电及异常显示信息，对各个模块温升变化曲线分析可知，其满负荷运行时整流器功率模块最高温度为53℃、逆变器功率模块最高温度为52℃、牵引控制装置（DCU）最高温度为31℃、接地电流检测单元（GCT）最高温度为51℃。各模块温度变化均可实时显示，未发生温度监测失效及其他次生故障。实验测试表明：该监控方案能够实现对温度的实时在线监控，该分层分布式控制系统结构简易、抗干扰能力强、可兼容性高，可方便可靠的适用于动车组现有温度检测系统，起到冗余监测的作用。
五、总结
该方案可以极大提高模块安全隐患故障的排查能力，及时锁定异常模块，缩短故障诊断及维护作业时间。不变更原有温度信号采集装置，选用了与既有设备相同的接口扩展方式，实现与既有设备兼容，分路采集温度信号;采用与牵引变流器机箱内部环境相匹配的一体化设计，系统采用DC5V低压直流电源，与DIF板卡共地，无需额外配置电源模块;该系统可升级為一种检测工装装置，采用印刷电路板结构进行封装，工装外壳采用绝缘材料，外表面预留测试孔及扩展孔插针，具有焊接牢靠、方便携带、易于测量、内阻小不影响温度值换算等优点;通过对采集板卡温度采集范围的设置，可监控-10℃至70℃范围内的温度变化，检测范围大、精度高;解决了DCU装置无法精确记录各个模块温度高故障信息的缺陷，可通过分析故障数据锁定至某一模块，极大的方便了检修维护作业，提高了模块温度异常时故障处置效率。
基金项目：2019年省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2019-355）。 作者简介： 郭志龙 （1989.07—），男，甘肃天水人，硕士研究生，工程师。研究方向：多智能体协作控制、设备故障检测与诊断。
六、参考文献
[1]基于CH376的高铁电缆温度检测系统设计.Journal of Southwest China Normal University（Natural Science Edition）.2017年06期ISSN：1000-5471.中文核心期刊.
[2]CRH2型动车组牵引变流器装置的设计与应用[D]. 潘庆建.上海交通大学.2018.
[3]复兴号动车组牵引系统参数分析[J].罗昭强，尚大为，韩东宁.大连交通大学学报.2019（02）.
[4]Magnetic equivalentcircuit modeling of induction motors.Sudhoff S D，Kuhn BT，Corzine k A，et al.IEEE Trans on Energy Conversion.2007.
[5]基于DS18B20的智能温度控制系统[J].孟萧振，宁秋月，姜宁，裴若男，谢印庆.电子世界.2021（03）.
[6]基于DS18B20的节能型可遥控智能温控系统[J].张钊源，李文永.电子世界.2019（07）.
[7]高速动车组轴温传感器可靠性研究综述邓艳俊，王明轩，陈春俊，杨岗，周林春，2020，（20）.
[8]高速动车组轴温传感器可靠性研究综述[J].邓艳俊，王明轩，陈春俊，杨岗，周林春.电子世界.2020（20）.
[9]铁路车辆轴温自动跟踪技术及系统运用[J].李晋武.黑龙江科技信息.2016（18）.
基金项目：2019年省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2019-355）。
作者简介： 郭志龙 （1989.07—），男，甘肃天水人，硕士研究生，工程师。研究方向：多智能体协作控制、设备故障检测与诊断。
关键词：牵引变流器;整流和逆变模块;多层分布式控制;温度传感器;预警;封锁牵引
中图分类号：U266
一、课题背景
前期，针对高速动车组在夏季高温天气条件下运行时，在高速运行时因牵引变流器内部整流、逆变模块单元均维持在较大功率工作载荷，各变流器模块均产生大量热量。模块产生的热量需及时散出，以防止模块烧损。而各模块均安装在变流器箱体局部密闭空间内，由于牵引变流器自身散热单元翅片、冷却器翅片、轴流风机和风机滤网等散热效率的限制，以及变流器模块自身故障，会导致牵引变流器整流、逆变模块温度异常升高。同时，牵引变流器长时间满功率运行时，安装在局部密闭箱体中的变流器整流、逆变模块会因散热不良而烧损，严重影响模块工作寿命，故障报出量急剧升高。对于载客运行时存在极大的安全隐患[1]。
因牵引变流器整机采用主辅一体模块化设计方式，整机工作时，目前采用的主流散热方式是，通过安装在箱体上的抽气式轴流风机从外部大气中抽入温度较低的纯净空气进行强制式风冷散热。这种散热方式的劣势：一是散热效果受外部空气温度变化影响较大，在夏季35℃以上高温天气，抽入的空气温度甚至高于模块表面温度，无法达到快速冷却散热的效果。二是风冷方式从外部抽入新鲜空气时，空气中含有的杂质如柳絮、沙尘等极容易堵塞风机滤网及风道，导致抽入空气气流不畅，易形成局部空间内温度积聚，热量无法及时散出。
二、牵引变流器工作性能参数
CRH2A型高速動车组的牵引变流器采用主辅一体模块化设计，各模块紧密内置在密闭箱体中。箱体采用轻便型铝合金框架，整体用四角吊耳悬挂于车体底部横梁。采用轴流风机进行强制风冷式散热，散热效率受空气气流流速和空气温度的影响较大。变流器内部箱体主要由牵引控制装置（DCU），U相、V相脉冲整流器功率模块，U相、V相、W相逆变器功率模块，接地电流检测单元（GCT），真空交流接触器，中间直流电路，三相电平逆变器及冷却风机等模块化单元组成[2-4]。每节车厢设置一台牵引变流器，每台牵引变流器驱动四台并联电机动作，其主要组成部件的工作参数如下表1所示。
牵引变流器DCU通过温度信息处理模块DIF板卡上的DNS8插口采集整流、逆变模块上的温度传感器信息。通过对各路传感器信息取“与”“或”逻辑运算，当采集到某一路传感器温度异常信息后，触发固态温度检测继电器CTH动作。通过CTH的辅助触点断开主真空断路器单元，进而通过DCU封锁列车牵引，变流器停止工作。后续隔离该牵引变流器维持运行，直至模块表面温度恢复正常后封锁解除，变流器工作正常。
该温度信息处理模块的缺点：各模块上的温度传感器信号在进入温度信息处理模块DIF板卡前，在板卡上的DNS8插口处已汇接为一路信号，导致DIF板卡无法辨识信号来源。当其中一路温度信号异常时，均笼统的判断为模块温度异常故障进行上报。因此，上报给DCU机箱的故障信息只记录模块温度高故障，未区分具体模块位置，导致故障点无法精确锁定。后续进行故障处理及日常运用维护时，还需要加装其余检测设备才有可能锁定故障，不便于后续故障判断及处置。
三、改进的方案及实施策略
针对既有动车组的运行工况及变流器的特殊工作性能，为提高动车组在线运行时各变流器模块的安全监控性能，为后续故障检测及维护提供数据支撑，评估变流器模块的工作可靠性及使用寿命。设计一种分层分布式变流器温度智能测控以及报警系统，实现对模块温度实时在线监控、采集及显示，当超过预设阈值时报警。
采用一种与既有动车组牵引变流器温度检测模块DIF板卡成分层分布式控制策略的模块温度实时监控方法，实现对各模块温度实时监控、显示、超温预警、上报故障信息及封锁牵引等功能。系统由三层子系统组成：下位机温度信息采集层、中间温度信息处理层和上位机温度信息显示层。
下位机层主要由各温度传感器及采集接头组成，温度传感器采用了方便接入、测量精度高、经济成本低的数字温度传感器DS18B20，可实现多点同步温度采集。在传输温度信息时，引入CRC校验码，提高采集数据的精度。DS18B20温度传感器由三个引脚VDD 、DQ和GND组成，连接时将VDD和GND连接至板卡+5V和GND，DQ引脚连接至任一个数字I/O引脚。其通过1-Wire数据传输总线进行信息交换，可测量-55℃至+125℃范围温度，测量温度范围满足本系统温度检测要求[5-7]。传感器的线路接头共扩展为6路，分别采集U相、V相脉冲整流器功率模块，U相、V相、W相逆变器功率模块，DCU装置以及接地电流检测单元（GCT）表面温度信息。采集后通过DNS8插口引出的接头上传给中间温度信息处理层。其功能框图如下图1所示。
中间层采用分布式控制策略，不改变原有DIF板卡温度采集模式，通过ATmega128单片机自身扩展的8位I/O口从原DNS8插口处接入各模块上的DS18B20温度采传感器，通过识别不同的传感器地址码及及温度数值信息，采集8路传感器的温度值。分别用DIF板卡控制固态温度检测继电器CTH动作、封锁列车牵引及为人机界面上报故障信息;用ATmega128单片机作为中央处理器进行温度信息采集、实时显示、RS复位及超温时报警。ATmega128单片机上配置了12Hz晶体振荡电路、DC5V低压直流电源、A/D转换模块、RS复位开关按钮及接地保护装置，其中央处理模块结构图如下图2所示。电源模块与DIF板卡共用，通过RS复位初始化检测状态，解除列车牵引封锁，通过A/D转换模块对温度信号进行采集和码制转换，将温度数据转换成实时显示的数字信号。ATmega128单片机配合由DIF板采集到的信息，进行模块超温故障的精确判断及温度的实时在线监控，两路控制主辅一体，互为补充，以提高其故障检测的冗余能力。 单片机中央处理模块温度报警逻辑设置如下：
1.设置温度阈值（-10℃至70℃），温度在该阈值内变化为正常温度，超出该范围则报警;
2.计算温度斜率曲线，温度变化率Q
"Q=C/T≤15℃/s"
（"T" 按照30s平滑计算）范围内时，认为是正常温度变化曲线，当超出该变化范围则报警。
?T≥（T_1-T_2）/30
3.逻辑运算中的计数器记录温度超过阈值时间"T" ，当"T≥10s" 时，进行超温报警。
对以上三个逻辑量取“或”值，当任意一条件满足时，控制输出高电平，蜂鸣器鸣响。进行RS按键复位后，重新输出低电平。
上位机层配置LCD12864 液晶显示模块及蜂鸣器。液晶显示模块采用循环显示数据的方式，实时显示温度、位置及记录时间，温度异常时LCD屏锁定模块所表示的温度数据并高亮显示。当超温时蜂鸣器鸣响，进行超温报警。蜂鸣器鸣响后，操作RS复位按钮或重新上电可以进行复位，温度数据进行实时保存。该分层分布式控制策略实现流程图如下图3所示[8-9]。
四、现车跟踪验证及实验数据分析
实施该温度实时监控方案，动车组上线运营时进行在线监控，后续通过对历史温度数据的分析，通过软降筛选，拟合出具有一定特征的曲线，以测试该方案的有效性。
挑选夏季高温天气时段，统计2020年6月19日至2020年9月2日近三个月的模块温度记录数据如表2所示。去除模块供断电及异常显示信息，对各个模块温升变化曲线分析可知，其满负荷运行时整流器功率模块最高温度为53℃、逆变器功率模块最高温度为52℃、牵引控制装置（DCU）最高温度为31℃、接地电流检测单元（GCT）最高温度为51℃。各模块温度变化均可实时显示，未发生温度监测失效及其他次生故障。实验测试表明：该监控方案能够实现对温度的实时在线监控，该分层分布式控制系统结构简易、抗干扰能力强、可兼容性高，可方便可靠的适用于动车组现有温度检测系统，起到冗余监测的作用。
五、总结
该方案可以极大提高模块安全隐患故障的排查能力，及时锁定异常模块，缩短故障诊断及维护作业时间。不变更原有温度信号采集装置，选用了与既有设备相同的接口扩展方式，实现与既有设备兼容，分路采集温度信号;采用与牵引变流器机箱内部环境相匹配的一体化设计，系统采用DC5V低压直流电源，与DIF板卡共地，无需额外配置电源模块;该系统可升级為一种检测工装装置，采用印刷电路板结构进行封装，工装外壳采用绝缘材料，外表面预留测试孔及扩展孔插针，具有焊接牢靠、方便携带、易于测量、内阻小不影响温度值换算等优点;通过对采集板卡温度采集范围的设置，可监控-10℃至70℃范围内的温度变化，检测范围大、精度高;解决了DCU装置无法精确记录各个模块温度高故障信息的缺陷，可通过分析故障数据锁定至某一模块，极大的方便了检修维护作业，提高了模块温度异常时故障处置效率。
基金项目：2019年省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2019-355）。 作者简介： 郭志龙 （1989.07—），男，甘肃天水人，硕士研究生，工程师。研究方向：多智能体协作控制、设备故障检测与诊断。
六、参考文献
[1]基于CH376的高铁电缆温度检测系统设计.Journal of Southwest China Normal University（Natural Science Edition）.2017年06期ISSN：1000-5471.中文核心期刊.
[2]CRH2型动车组牵引变流器装置的设计与应用[D]. 潘庆建.上海交通大学.2018.
[3]复兴号动车组牵引系统参数分析[J].罗昭强，尚大为，韩东宁.大连交通大学学报.2019（02）.
[4]Magnetic equivalentcircuit modeling of induction motors.Sudhoff S D，Kuhn BT，Corzine k A，et al.IEEE Trans on Energy Conversion.2007.
[5]基于DS18B20的智能温度控制系统[J].孟萧振，宁秋月，姜宁，裴若男，谢印庆.电子世界.2021（03）.
[6]基于DS18B20的节能型可遥控智能温控系统[J].张钊源，李文永.电子世界.2019（07）.
[7]高速动车组轴温传感器可靠性研究综述邓艳俊，王明轩，陈春俊，杨岗，周林春，2020，（20）.
[8]高速动车组轴温传感器可靠性研究综述[J].邓艳俊，王明轩，陈春俊，杨岗，周林春.电子世界.2020（20）.
[9]铁路车辆轴温自动跟踪技术及系统运用[J].李晋武.黑龙江科技信息.2016（18）.
基金项目：2019年省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：2019-355）。
作者简介： 郭志龙 （1989.07—），男，甘肃天水人，硕士研究生，工程师。研究方向：多智能体协作控制、设备故障检测与诊断。