基于網(wǎng)絡(luò )的機車(chē)狀態(tài)信息采集系統的實(shí)現

基于網(wǎng)絡(luò )的機車(chē)狀態(tài)信息采集系統的實(shí)現
Implementation of Data Acquisition System on Locomotive Based on Network
北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院   李永平  王立德  王保華

摘要：基于網(wǎng)絡(luò )而開(kāi)發(fā)的機車(chē)狀態(tài)信息采集系統，可以在機車(chē)的運行過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將各種狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地記錄下來(lái)，同時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)故障診斷，通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸機車(chē)運行狀態(tài)，為機務(wù)維修提供準確信息，提高機車(chē)運行的可靠性。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)采集；機車(chē)信息；CAN總線(xiàn)；故障診斷
2005年6月8日收到修改稿。
前言
鐵路運輸以其安全性能好、能源消耗少、環(huán)境污染低、經(jīng)濟效益好等諸多的優(yōu)點(diǎn)成為了安全可靠的現代化交通工具。機車(chē)作為鐵路運輸的關(guān)鍵組成部分，其運行狀態(tài)質(zhì)量的好壞關(guān)系著(zhù)整個(gè)鐵路運輸系統質(zhì)量的好壞。目前，主型機車(chē)上大都安裝有顯示器、電子柜等關(guān)鍵設備。這些設備用于實(shí)時(shí)顯示機車(chē)參數的狀態(tài)，協(xié)助駕駛人員進(jìn)行操作，從而保證了機車(chē)運行的高安全性，減少了事故發(fā)生率；但是，這些設備僅有實(shí)時(shí)的顯示和查詢(xún)作用，不能把機車(chē)每時(shí)每刻的關(guān)鍵參數都記錄下來(lái)，以便日后分析。因而，鐵路單位非常需要那種類(lèi)似飛機上“黑匣子’的監測記錄系統，這也是實(shí)現質(zhì)量管理現代化的關(guān)鍵組成部分之一。國外高速列車(chē)早已實(shí)現了“狀態(tài)維修”，而我國鐵路還沿用“計劃維修”的體制，其主要原因是我國現在無(wú)法確定機車(chē)所處的“狀態(tài)”。
基于此，我們研制了機車(chē)狀態(tài)信息采集系統，對機車(chē)狀態(tài)的各種參數進(jìn)行采集，使機車(chē)在運行過(guò)程中的各種狀態(tài)信息被及時(shí)記錄下來(lái)，在運行結束后將記錄下來(lái)的數據進(jìn)行轉存、分析和處理，形成知識庫，并采用先進(jìn)的診斷方法。這樣，既采集了機車(chē)運行過(guò)程中的狀態(tài)參數，同時(shí)也建立了相關(guān)的知識庫，對于很好的把握機車(chē)的“健康狀態(tài)”提供很好的依據。

系統的主要功能與總體結構
本系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構
機車(chē)上的狀態(tài)信息是非常多的，考慮到系統本身的實(shí)用性、復雜性和經(jīng)濟性，是否故障多發(fā)部位、故障造成的嚴重后果、提高機車(chē)質(zhì)量的實(shí)際意義以及信號的地理分布等，把信號采集系統分為四個(gè)部分，把機車(chē)上各個(gè)具有獨立功能的智能模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接線(xiàn)連接了起來(lái)。這樣既便于機車(chē)運行情況的集中監測和管理，又分散了機車(chē)的控制與管理功能以及減少了機車(chē)上的布線(xiàn)數量，提高了機車(chē)運行的可靠性。
本系統以彩色顯屏為核心，給現場(chǎng)的司乘和技術(shù)人員提供一個(gè)簡(jiǎn)便而且界面友好的機車(chē)運行過(guò)程中的電流電壓監視，各種機車(chē)運行狀態(tài)的監視，以及故障瀏覽、存儲和查詢(xún)，保證故障的及時(shí)解決。
采集模塊搜集機車(chē)上的主要狀態(tài)信息和故障信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳給司機室顯示屏，將機車(chē)運行過(guò)程中的這些信息反映給司機。此模塊可以完全取代目前大多數國內電力機車(chē)上的司機臺上的狀態(tài)燈部分。并且，具有一定故障記錄和報警功能。
監測儀模塊可對運行中的或停車(chē)狀態(tài)下的機車(chē)設備、車(chē)輛以及這些設備所構成的系統進(jìn)行在線(xiàn)檢測，提供故障未發(fā)生時(shí)的預警以及故障發(fā)生后故障所在部位的信息，提示采取應急故障的建議和排除故障的方法，這些信息都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到彩色顯示屏。
邏輯控制模塊是以無(wú)觸點(diǎn)控制為基礎開(kāi)發(fā)研制的，有著(zhù)高可靠性，高集成化，多功能化等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的運行表明邏輯控制模塊大大提高了控制系統的穩定性和可靠性。它取代了原有的繼電器控制方式，原有的狀態(tài)信號可以直接獲得，而無(wú)須另外采集。
采用差分GPS對列車(chē)進(jìn)行準確定位，利用數話(huà)同傳無(wú)線(xiàn)列調通信系統將機車(chē)信息采集系統產(chǎn)生的機車(chē)實(shí)時(shí)信息傳送到地面，通過(guò)鐵路分組數據交換網(wǎng)將信息傳送到機務(wù)部門(mén)，使得機務(wù)段和相關(guān)部門(mén)可實(shí)時(shí)掌握運行中的機車(chē)狀態(tài)。同時(shí)在機車(chē)進(jìn)站后利用USB接口進(jìn)行大量數據傳輸，通過(guò)地面專(zhuān)家系統進(jìn)行分析和處理，診斷得出機車(chē)的健康度。
機車(chē)狀態(tài)信息采集系統采集的信號包括機車(chē)低壓柜、端子柜、高壓柜以及大部分電器的參數，共有100余種狀態(tài)數據和80余種故障信息，所有這些數據的實(shí)時(shí)采集記錄，將會(huì )全面反映機車(chē)在運行過(guò)程中的實(shí)際工作狀態(tài)，對于評價(jià)機車(chē)質(zhì)量意義重大。

采集模塊的硬件結構與組成
以下僅對數據采集模塊作詳細的分析。
采集模塊硬件框圖如圖2所示：它以TI公司高性能的DSP TMS320LF2407為核心，內部集成16路A/D轉換和CAN總線(xiàn)協(xié)議，還帶有SPI 、SCI等接口，功能十分強大，非常適合數據采集。配以高達132M的海量數據Flash存儲芯片，同時(shí)含有把機車(chē)上110V的直路電源轉變成+5V、+12V的開(kāi)關(guān)電源模塊，并利用了IO口擴展了LED指示燈和一些按鍵。

圖2 數據采集模塊框圖
這部分除了檢測現有信號外，還增加了受電弓離線(xiàn)率、接地次數、主斷路器通斷、預備燈不滅和輔助電機過(guò)載等信息，這些信號在數據采集模塊中都能被檢測出來(lái)，它通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò )傳送到司機室的彩屏上，顯示故障信息，并給予相應的提示，以SS3B車(chē)為例：如果檢測出572為0電位而402為高電位，那么判斷得出輔助電機過(guò)載，顯示屏提示：降弓后將Ⅱ端機械室輔保箱2PX插件與備用插件互換，同時(shí)顯示屏提示相應的操作：將4#低壓柜側2PXK置故障位。因此要獲得這些信號，我們增加了數據采集模塊，開(kāi)關(guān)量隔離后經(jīng)IO口讀入，模擬量隔離后經(jīng)A/D轉換，即可實(shí)現諸多參數的采集和判斷功能。
下面就一些關(guān)鍵硬件電路作說(shuō)明。
（1） 開(kāi)關(guān)量輸入通道
   在端子柜和電子柜中有110V和15V的開(kāi)關(guān)量輸入通道。光電隔離的輸入電路如圖3所示。

圖3  開(kāi)關(guān)量隔離通道
 D1為輸入反極性保護，D2為噪聲門(mén)檻，確保在75V以上才能導通，對于110和15V兩種電壓等級，可以適當的選擇R1、R2、R3的值，使光耦可靠導通，實(shí)現電平匹配與電氣隔離。
（2） 模擬量隔離電路
     模擬量的隔離考慮到系統的實(shí)際需求采用了雙電光耦進(jìn)行補償，該方法的設計思路是利用兩個(gè)同類(lèi)型號的光電耦合器，組成差分負反饋以補償電流傳輸的非線(xiàn)性，如圖4所示。

圖4  模擬量隔離電路
 R2， R4選取適當的參數后，它使輸出電壓跟隨輸入電壓線(xiàn)性變化，該電路還有抗溫度干擾的能力，具有較低的輸出阻抗，較高輸出能力。
（3） 模塊的抗干擾設計
        為了減少干擾的影響，系統硬件從選用隔離器件、屏蔽、電源、接地和軟件設計等幾個(gè)方面實(shí)行了抗干擾措施。
      1）模塊選用TLP-521光耦隔離開(kāi)關(guān)量通道和計算機接口，消除共模干擾，在開(kāi)關(guān)電源的周?chē)咏訅好綦娮韬妥枞轂V波，可有效地濾去電源中的高頻干擾。
2）布線(xiàn)
在模塊中，信號傳輸線(xiàn)多，引線(xiàn)較長(cháng)，不能忽視由導線(xiàn)而引入的干擾。特別是網(wǎng)絡(luò )電纜應該選擇屏蔽電纜或屏蔽雙絞線(xiàn)，同時(shí)應該遠離電源線(xiàn)或者是高電壓大電流器件。為防止振動(dòng)對信號線(xiàn)的影響，對信號線(xiàn)進(jìn)行很好的固定，同時(shí)使所有的信號線(xiàn)很好的絕緣，防止由接觸引入的干擾。
  
采集模塊的軟件實(shí)現
數據采集模塊的功能主要為監測并記錄機車(chē)的重要信息參數，利用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。整個(gè)程序設計分為主程序、數據采集子程序、通信子程序、延時(shí)子程序、邏輯判斷子程序。數據采集子程序用于采集開(kāi)關(guān)量，針對一些開(kāi)關(guān)量需要一定的時(shí)間間隔，調用了延時(shí)子程序。邏輯判斷子程序是根據所采集的開(kāi)關(guān)量，運用故障診斷方法進(jìn)行邏輯判斷，最終確定故障信息。通信子程序接收來(lái)自網(wǎng)絡(luò )上其它節點(diǎn)的命令，傳送故障信息以及各個(gè)狀態(tài)信息，完成數據交換。

結語(yǔ)
機車(chē)信息采集系統在SS3B、SS4G、SS7E等機車(chē)上裝車(chē)后，系統正常工作，運行良好，全面無(wú)漏地檢測各種重要狀態(tài)信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )的大范圍數據共享，不斷充實(shí)專(zhuān)家系統中的數據庫信息，及時(shí)地發(fā)現各種意外故障，提高故障診斷的快速性和準確性，與同類(lèi)其它方法相比，該系統具有更廣的拓展性。實(shí)踐表明，該套系統的使用，給地面檢修人員提供了很好的指導作用，對提高列車(chē)的安全性起到了較大的作用。