火车传感器之供电
2022-11-25
许多人认为火车单纯是在铁轨上行驶的公共汽车！毕竟旅客列车自 1825 年问世以来，机车牵引车厢的基本概念从那时起就没有太大的改变。
然而，任何参加最近在柏林举行的国际轨道交通技术展览会 Innotrans 2022 的人都会注意到，火车正变得越来越高科技。一位参展商甚至吹嘘他们的高速列车装有 7000 多个传感器，远远超过任何公共汽车通常需要的数量。
传感器大规模发展的原因之一是为了持续改善现代铁路基础设施的性能、安全性、可靠性以及舒适性。但要如何才能为现有的机车车辆提高乘客安全，尤其是当机车车辆的使用寿命长达数十年而且已运行了数年之久？解决的办法是在现有的机械系统上再加一层控制和通信来改良传感器和监控系统。
现代火车与 IT 服务器安装的共同点已不只是表面上看到的那么简单。车载以太网列车骨干网支持IP 网络的 CCTV 和 PA 系统、为乘客信息系统传输实时信息、有 Wi-Fi 接入点和座位预订显示，并连接分布式处理器和网关单元以进行控制，同时透过中央列车控制和管理系统（TCMS）进行监控和诊断。
图1. 火车以太网络
那么需要哪种传感器且为什么需要这么多传感器呢？一般的高速列车可能有多达 16 个不同的子系统来进行控制、监测和诊断，这些都需要传感器来测量实时参数，而主系统分别为：
铁路 HVAC 系统可能需要的传感器包括温度（内外部、冷却剂和蒸发器核心温度）、相对湿度、压力（差压、绝对压力和真空）、质量流量、阳光（以调节加热或冷却速率）、过滤空气阻力和空气质量（二氧化碳 (CO2)、挥发性有机化合物 (VOC) 和空气颗粒）。
电机转向架需要传感器的部分包括电机、轴承、制动器和齿轮箱温度、冲击和振动、制动缸的气压或液压、牵引控制、非接触式磁轮滑动、齿轮和速度传感器以及无极轨道检测器（ 以指示架空电力线切换位置）。
车门所需的传感器包括开关门的速度和位置指示器、力传感器（检测障碍物）、执行器和连杆角度传感器、电容式或防破坏按钮以打开或关闭车门，以及监控和诊断系统以检测车门机械装置的磨损程度。每个车门控制器还会向 TCMS 系统报告，以通知司机在开走之前确认所有车门皆已正确关闭。
这里需要的传感器包括调节显示屏亮度的环境光、调节扬声器音量的环境噪声以及人机界面 (HMI) 交互式显示屏的 GPS 位置跟踪或触摸屏传感器。闭路电视或热像仪也可以集成到 PIS 视听系统中以确定座位占用情况或检测火灾。
图 2. 火车子系统
图 3. 非容错传感器系统
虽然只讨论了 16 个子系统中的其中四个，但很容易看出为什么在前面的介绍中提到高速列车需要 7000 多个传感器。
大多数传感器由 24 VDC 供电，因为这是一般的行业标准，但有些传感器可能需要主列车电源供电，通常为 110 VDC。虽然连接到本地控制器的传感器可以由一个电源供电，但通常最好将电源轨分开并隔离让系统有能力容错，因为这样的话即使任何一个传感器损坏或电缆短路也不会导致整个系统瘫痪。
让我们以低功率和数据菊花链连接方案为例。如果一个传感器发生故障，它可能会拉低 24 VDC 电源，从而让控制器单元和其他传感器跟着失灵。即使开路故障，也可能导致菊花链断开，断开后无法与后面的传感器进行数据通信。
图 4. 具有传感器电源故障容错的改良后传感器系统
在改良传感器和数据通信的方案中，系统的每个组件均由单独的隔离式 DC/DC 转换器供电，连续短路将受到保护，即使其中一个传感器发生故障也不会影响其他组件或使 110V 直流电源过载。这里的数据通信是通过多点总线网络进行的，即便故障的传感器没有拉低数据总线，该网络也会继续运行。此外，如果真的危及到了数据总线，控制器也能够检测故障并向 TCMS 发出警报。
如果所有电源线和数据线都需要有单一容错的能力，可以使用以下拓扑（图 5）：
图 5. 具有电源线或数据线容错功能的理想传感器系统
控制器的电源是冗余的，因此如果一个 DC/DC 转换器发生故障，另一个仍然可以提供所需的电流。标准 DC/DC 转换器没有这种功能，因此需要特殊版本。RECOM 即插即用的电源解决方案则相对更好，因为它们在输出端提供真正的电流共享，因此电源可以并联以作为 N+1 冗余电源或用来增加电流。
在低压侧，每个传感器都有自己的隔离式 DC/DC 电源和数据接口。这样的配置有一定的优势：如果任何一个传感器发生故障，它不仅不会拉低电源和数据总线，而且如果传感器发生故障短路到更高的电压（比如 110V DC 主电源），这个外部电压也不会反馈并损坏控制器的内部电源或透过数据总线连接伤害到 TCMS。
RECOM 生产一系列一体式 DC/DC 电源，包含了铁路级 EMC 滤波器、反极性保护并提供并联功能， 输出功率40W 至 1000W（这意味着电源共享平均输出电流，V/I 特性保持不变）。输入电压范围有 4:1 24V、36V、110V 或超宽 14.4–170V DC，涵盖了所有标准输入电压。此外，电源全功率输出时仅采自然对流冷却也能符合 OT4 + ST1 和 ST2 温度等级。
图 6. RECOM 的 RMD 和 RMSD 系列为符合 EN 50155即插即用铁路级 DC/DC 转换器
RECOM 为隔离传感器接口提供板级 DC/DC 转换器，8 瓦版本采用 DIP24 封装（32 x 20.3 x 11.2 毫米）、20 或 30 瓦版本为 1” x 1” 封装，以上部件皆通过 EN 50155 认证。
图 7. RECOM 的 RP08、RP12、RPA20 和 RPA30 PCB 安装铁路级 DC/DC 转换器
针对有更高要求的铁路应用比如传感器和执行器的组合，RECOM 还提供一系列更高功率的板级隔离式 DC/DC 转换器，功率高达 200W，4:1 或超宽 10:1 输入电压范围，并具有连续输出短路电路保护和 EN 50155 认证。
图 8. RECOM 前端到后端铁路电源解决方案
到目前为止只有 RECOM 提供如此广泛的铁路级 DC/DC 转换器，协助传感器快速地应用或改装到现有的机车车辆。除了通过EN50155 铁路标准的预认证外，部件还符合所有主要的铁路技术标准，例如 EN50121-3-2 EMC、EN50124-1 安全绝缘、EN50125-1 环境条件以及 EN45545-2 消防安全等国际标准。
传感器大规模发展的原因之一是为了持续改善现代铁路基础设施的性能、安全性、可靠性以及舒适性。但要如何才能为现有的机车车辆提高乘客安全，尤其是当机车车辆的使用寿命长达数十年而且已运行了数年之久？解决的办法是在现有的机械系统上再加一层控制和通信来改良传感器和监控系统。
现代火车与 IT 服务器安装的共同点已不只是表面上看到的那么简单。车载以太网列车骨干网支持IP 网络的 CCTV 和 PA 系统、为乘客信息系统传输实时信息、有 Wi-Fi 接入点和座位预订显示，并连接分布式处理器和网关单元以进行控制，同时透过中央列车控制和管理系统（TCMS）进行监控和诊断。
图1. 火车以太网络
那么需要哪种传感器且为什么需要这么多传感器呢？一般的高速列车可能有多达 16 个不同的子系统来进行控制、监测和诊断，这些都需要传感器来测量实时参数，而主系统分别为：
1. HVAC
安装在车顶的暖通空调 (HVAC) 可维持乘客环境，使环境冬暖夏凉。此外，它们还循环和过滤车厢内的空气，这在 Covid 感染期间是一项非常重要的功能。每分钟大约有 10–30% 的空气被更新，因此风扇噪音保持在较低的水平也很重要。另外循环系统的设计可以过滤掉空气中的所有气溶胶并确保不让脚部空间、车厢角落或天花板区域成为死角。铁路 HVAC 系统可能需要的传感器包括温度（内外部、冷却剂和蒸发器核心温度）、相对湿度、压力（差压、绝对压力和真空）、质量流量、阳光（以调节加热或冷却速率）、过滤空气阻力和空气质量（二氧化碳 (CO2)、挥发性有机化合物 (VOC) 和空气颗粒）。
2. 转向架总成
转向架总成是由车轮、轴承、主悬架和制动器组成；如果是电动火车，还包括牵引电机、联轴器和变速箱机构。这里是机车车辆最严苛的环境因此需要特别坚固可靠的传感器。电机转向架需要传感器的部分包括电机、轴承、制动器和齿轮箱温度、冲击和振动、制动缸的气压或液压、牵引控制、非接触式磁轮滑动、齿轮和速度传感器以及无极轨道检测器（ 以指示架空电力线切换位置）。
3. 车门
为了避免列车在行驶过程中因故障或两列高速列车擦肩而过产生的压力波而打开车门，对车门有非常严格的安全要求，因此车门传感和控制是一个复杂的系统。自动进出门往往是电动的，而较少使用的车厢门或厕所门通常是机械操作或气动的，因为真空抽水马桶已经有可用的气动装置（马桶还需要许多传感器，例如水和废物箱水平、空气和真空压力、占用和乘客警报探测器等）。车门所需的传感器包括开关门的速度和位置指示器、力传感器（检测障碍物）、执行器和连杆角度传感器、电容式或防破坏按钮以打开或关闭车门，以及监控和诊断系统以检测车门机械装置的磨损程度。每个车门控制器还会向 TCMS 系统报告，以通知司机在开走之前确认所有车门皆已正确关闭。
4. PIS
乘客信息系统 (PIS) 能帮助乘客在火车到达下一站之前做好下车准备，通知他们火车行程的进度或任何的延误信息。有些系统包括当地天气预报，而很多系统会提供新闻、娱乐或广告。在较旧的火车上可能是由司机或警卫透过公共广播 (PA) 完成的，但许多现代城际和区间车的 PIS 采用的是舱壁或天花板安装的 TFT 或 LED 点阵显示器。数据通过 100Mbps 以太网或 RS485 串行总线传输和更新到显示器，总线也链接到座位预订显示器。这里需要的传感器包括调节显示屏亮度的环境光、调节扬声器音量的环境噪声以及人机界面 (HMI) 交互式显示屏的 GPS 位置跟踪或触摸屏传感器。闭路电视或热像仪也可以集成到 PIS 视听系统中以确定座位占用情况或检测火灾。
图 2. 火车子系统
图 3. 非容错传感器系统
虽然只讨论了 16 个子系统中的其中四个，但很容易看出为什么在前面的介绍中提到高速列车需要 7000 多个传感器。
大多数传感器由 24 VDC 供电，因为这是一般的行业标准，但有些传感器可能需要主列车电源供电，通常为 110 VDC。虽然连接到本地控制器的传感器可以由一个电源供电，但通常最好将电源轨分开并隔离让系统有能力容错，因为这样的话即使任何一个传感器损坏或电缆短路也不会导致整个系统瘫痪。
让我们以低功率和数据菊花链连接方案为例。如果一个传感器发生故障，它可能会拉低 24 VDC 电源，从而让控制器单元和其他传感器跟着失灵。即使开路故障，也可能导致菊花链断开，断开后无法与后面的传感器进行数据通信。
图 4. 具有传感器电源故障容错的改良后传感器系统
在改良传感器和数据通信的方案中，系统的每个组件均由单独的隔离式 DC/DC 转换器供电，连续短路将受到保护，即使其中一个传感器发生故障也不会影响其他组件或使 110V 直流电源过载。这里的数据通信是通过多点总线网络进行的，即便故障的传感器没有拉低数据总线，该网络也会继续运行。此外，如果真的危及到了数据总线，控制器也能够检测故障并向 TCMS 发出警报。
如果所有电源线和数据线都需要有单一容错的能力，可以使用以下拓扑（图 5）：
图 5. 具有电源线或数据线容错功能的理想传感器系统
控制器的电源是冗余的，因此如果一个 DC/DC 转换器发生故障，另一个仍然可以提供所需的电流。标准 DC/DC 转换器没有这种功能，因此需要特殊版本。RECOM 即插即用的电源解决方案则相对更好，因为它们在输出端提供真正的电流共享，因此电源可以并联以作为 N+1 冗余电源或用来增加电流。
在低压侧，每个传感器都有自己的隔离式 DC/DC 电源和数据接口。这样的配置有一定的优势：如果任何一个传感器发生故障，它不仅不会拉低电源和数据总线，而且如果传感器发生故障短路到更高的电压（比如 110V DC 主电源），这个外部电压也不会反馈并损坏控制器的内部电源或透过数据总线连接伤害到 TCMS。
RECOM 生产一系列一体式 DC/DC 电源，包含了铁路级 EMC 滤波器、反极性保护并提供并联功能， 输出功率40W 至 1000W（这意味着电源共享平均输出电流，V/I 特性保持不变）。输入电压范围有 4:1 24V、36V、110V 或超宽 14.4–170V DC，涵盖了所有标准输入电压。此外，电源全功率输出时仅采自然对流冷却也能符合 OT4 + ST1 和 ST2 温度等级。
图 6. RECOM 的 RMD 和 RMSD 系列为符合 EN 50155即插即用铁路级 DC/DC 转换器
RECOM 为隔离传感器接口提供板级 DC/DC 转换器，8 瓦版本采用 DIP24 封装（32 x 20.3 x 11.2 毫米）、20 或 30 瓦版本为 1” x 1” 封装，以上部件皆通过 EN 50155 认证。
图 7. RECOM 的 RP08、RP12、RPA20 和 RPA30 PCB 安装铁路级 DC/DC 转换器
针对有更高要求的铁路应用比如传感器和执行器的组合，RECOM 还提供一系列更高功率的板级隔离式 DC/DC 转换器，功率高达 200W，4:1 或超宽 10:1 输入电压范围，并具有连续输出短路电路保护和 EN 50155 认证。
图 8. RECOM 前端到后端铁路电源解决方案
到目前为止只有 RECOM 提供如此广泛的铁路级 DC/DC 转换器，协助传感器快速地应用或改装到现有的机车车辆。除了通过EN50155 铁路标准的预认证外，部件还符合所有主要的铁路技术标准，例如 EN50121-3-2 EMC、EN50124-1 安全绝缘、EN50125-1 环境条件以及 EN45545-2 消防安全等国际标准。
应用
