機車運行信息檢測系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)

內(nèi)燃機車各部件運行數(shù)據(jù)，尤其是機車運行中的動態(tài)參數(shù)，是分析和考核機車運行狀態(tài)的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)新出廠的機車都已配備了一定功能的機車車輛信息監(jiān)測系統(tǒng)，但早期生產(chǎn)的機車沒有此設(shè)備，另外不同管理模式對車輛信息監(jiān)測系統(tǒng)的需求也不完全相同。DF4B／4C機車原有的機車安全信息綜合檢測裝置(簡稱TAX箱)記錄了部分車輛運行數(shù)據(jù)，但對車輛維護數(shù)據(jù)記錄的很少，即機車在牽引運用狀態(tài)下，機車各工況數(shù)據(jù)的動態(tài)記錄缺乏，不利于綜合利用各項監(jiān)控數(shù)據(jù)對機車在運用過程中反映出的各種狀況進行綜合分析。因此，我們開發(fā)了DF4B／4C機車車輛運行信息實時監(jiān)測系統(tǒng)，與機車上原有的TAX記錄儀一起，實時記錄車輛牽引運用時的油、電、水等系統(tǒng)的工況數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析軟件對機車運行數(shù)據(jù)進行分析判斷，掌握設(shè)備、部件的技術(shù)狀態(tài)，為機車的預(yù)防性維修、檢修提供真實的依據(jù)。

1 設(shè)計思想

目前已經(jīng)裝車的一些機車運行信息檢測裝置大多采用單片機設(shè)計，功能固定，性能簡單，不具靈活性與擴展性，無法在機車運行時現(xiàn)場分析運行數(shù)據(jù)。由多個單片機組成的系統(tǒng)沒有形成模塊化，給裝置本身的故障維修造成困難。

隨著以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)性價比不斷提高，采用通用工業(yè)級嵌入式控制器做機車應(yīng)用，可大大提高系統(tǒng)開發(fā)周期，提高系統(tǒng)可靠性及工作效率。

本機車運行信息實時檢測系統(tǒng)(裝置)主要應(yīng)用于車頭，設(shè)計思想是：使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級嵌入式控制器硬件，使用標(biāo)準(zhǔn)嵌入式操作系統(tǒng)，使用常規(guī)的外部設(shè)備，例如標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、通用顯示器、U盤、CF卡等。使用通用的可視化開發(fā)工具，利用網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)環(huán)境，采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級I／O通道，使裝置完全模塊化。搭積木式的系統(tǒng)設(shè)計組織靈活、開發(fā)快捷、功能強大、可擴展性強。軟件可以在車上調(diào)試按需擴充，可以在機車運行現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)分析，模塊化的結(jié)構(gòu)使裝置本身的維修非常方便。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)功能需求

原DF4B機車上的TAX監(jiān)控裝置記錄了部分機車運行參數(shù)，例如時間標(biāo)、車速、信號機號、公時標(biāo)、總量、計長、量數(shù)、本機補機、貨客車、車次、區(qū)段號、車站號、司機號、副司機號、機車號、機車型等信息。本項目在DF4B機車操作臺上安裝機車運行信息實時監(jiān)測裝置，記錄機車的各種實時運行工況參數(shù)。除保留原車上TAX監(jiān)控裝置提供的各項機車運行參數(shù)外，根據(jù)維修的需要，增加差示壓力、空轉(zhuǎn)、接地、總過流、故障勵磁、固定發(fā)電、本車卸載、水溫、油溫、燃壓、滑壓、輔助電壓、充放電流、6個電機分流、主電壓、主電流等采集參數(shù)。在列車運行過程中實時檢測和記錄機車動態(tài)運行數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，設(shè)計的系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)備設(shè)計

2.3.1 嵌入式核心控制器

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計思想，要求核心控制器必須是可以替代常規(guī)PC和PLC，支持標(biāo)準(zhǔn)顯示，提供完整的高級語言開發(fā)環(huán)境和工具，具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和速度，具有網(wǎng)絡(luò)接口和USB接口，允許連接CF卡等存儲設(shè)備。比較了幾種嵌入式控制器后，我們選用泓格公司的WinCon-8000嵌入式工業(yè)控制器系統(tǒng)，該控制器主機使用W-8331模塊，內(nèi)置Intel Strong ARM 32位CPU，時鐘2.06 MHz，內(nèi)存64 MB SDRAM，32 MB FLASH Memory，采用CF卡做電子盤，選用3擴展槽底板。

WinCon-8000是兼有常規(guī)PC和PLC功能的嵌入式控制器，運行Windows CE.NET操作系統(tǒng)。Windows CE.NET是廣泛應(yīng)用于智能設(shè)備的實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)。它可以根據(jù)特定的應(yīng)用做輕量化的定制，支持多種CPU架構(gòu)。支持Visual Basic.NET，Visual C#，Embedded Visual C++等開發(fā)工具。Windows CE繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形界面，在微機Windows平臺上的應(yīng)用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續(xù)使用，通過WinCon-8000提供的WinConSDK，在普通微機上利用微軟的Visual Studio．NET和Embedded Visual C++開發(fā)環(huán)境直接開發(fā)應(yīng)用程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執(zhí)行。開發(fā)環(huán)境現(xiàn)成、方便，為開發(fā)功能強大的圖形應(yīng)用程序提供了基礎(chǔ)。

WinCon-8000具有VGA接口，允許用戶用LCD監(jiān)視器去替代HMI顯示，支持Ethernet、USB、鍵盤、鼠標(biāo)和CF卡。設(shè)有RS 232、485串口，支持多種I／O模塊，如I-7000，I-8000，I-87K的擴展I／O模塊，支持計時計數(shù)器／頻率計。選用WinCon-8000作主控制器，為在車上進行數(shù)據(jù)分析提供了方便。使記錄的數(shù)據(jù)既可以傳送到地面微機上分析，也可以在機車上插上顯示器和鍵盤后直接監(jiān)視和處理，便于在車上即時維護與調(diào)試。

2.3.2 模擬量輸入通道

本系統(tǒng)中需要測量的模擬量有：1～6電機分電流、主發(fā)電壓、主發(fā)電流、水溫、油溫、滑油壓力、燃油壓力、輔助發(fā)電、蓄電池充放電流、柴油機轉(zhuǎn)速等14個模擬量。

機車上使用的模擬量輸入模塊應(yīng)該是以抗惡劣環(huán)境、高可靠性為主，價格是次要因素。因此，我們選擇泓格的I-7000系列I-7018模塊作為模擬量輸入通道。I-7018是8路模擬量輸入模塊，采用RS 485協(xié)議與WinCon-8000的主機連接，在應(yīng)用程序中直接通過WinconSDK動態(tài)連接庫函數(shù)操作I-7018工作。本機使用了2塊i-7018模塊實現(xiàn)14路模擬量輸入。

2.3.3 開關(guān)量通道

前面已經(jīng)選擇泓格的I-7000系列模塊作模擬量輸入通道，為了系列化，采用I-8042(16通道隔離數(shù)字量I／O)模塊作為開關(guān)量輸入通道。

本裝置中需要采集的開關(guān)量有差示壓力、水溫、固定發(fā)電、空轉(zhuǎn)、主回路接地、主回路過流、本車卸載、故障勵磁等8個開關(guān)量。使用了一塊I-8042的8個通道。

2.3.4 速度采集通道

為采集機車柴油機轉(zhuǎn)速，需要速度采集通道。選用泓格I-8080(4通道計數(shù)頻率器)模塊一塊，采集機車柴油機轉(zhuǎn)子輸出的脈沖，根據(jù)頻率計算出轉(zhuǎn)速。

2.3.5 面板I／O模塊

本控制器包括4個按鍵開關(guān)，分別用來控制設(shè)備實現(xiàn)備份、轉(zhuǎn)存、復(fù)位、本地輸出等操作，設(shè)置了8個代表設(shè)備工作狀態(tài)及報警信息的指示燈。盡管I-8042有多余的I／O通道可供使用，由于自身輸出能力的限制，需要對其輸出進行二級繼電放大。我們選用I-7050(7通道開關(guān)量輸入／8通道開關(guān)量輸出模塊)作面板I／O模塊，可以直接驅(qū)動24 V的面板指示燈。

2.3.6 485-232轉(zhuǎn)換器

本采集儀與機車上原有的TAX箱配合工作，為及時接收TAX箱數(shù)據(jù)，避免與I-7018，I-7050共用總線，使用I-7520模塊將TAX箱輸出RS 485數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RS 232協(xié)議通過WinCon-8000底板上的RS 232口接收。

2.4 電源與機箱設(shè)計

系統(tǒng)其他模塊包括電源轉(zhuǎn)換模塊(ph75s 110-24)1個，轉(zhuǎn)速開關(guān)量調(diào)理板1塊，信號調(diào)理板1塊，機箱1個，航空插座4個，按鍵開關(guān)4個，指示燈8個。

本檢測裝置使用31 cm×24.5 cm×19.5 cm工業(yè)機箱，機箱外置全部鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)等插座。面板上置8個指示燈指示設(shè)備運行狀態(tài)轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，面板上置4個按鈕開關(guān)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄操作等。通過4個航空插座連接現(xiàn)場全部數(shù)據(jù)采集點。為避免影響機車原信號系統(tǒng)，信號采集采用高阻抗輸入電路，采取了一系列信號的隔離、放大、變換及傳輸措施。例如在一些高速、干擾強烈的信號通道增設(shè)隔離變壓器將信號源與電氣回路隔離，通過設(shè)計濾波電路抑制電源干擾，大大減少了裝置死機的可能，提高了裝置的可靠性。

本系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的總線+數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計思想，采用模塊化設(shè)計。將各個采集通道分別隔離，信號相近的通道組成模塊，模塊之間、模塊與主控單元之間通過通信總線方式連接，保證了各通道、各模塊和主控單元的獨立性。便于系統(tǒng)的擴展、升級，適應(yīng)各種型號的傳感器信息的接入以及方便故障檢修處理。前端從儀表端子接線排取信號，經(jīng)信號調(diào)理后分別交由相互隔離的通道模塊傳送給主控制器，運用W-8331提供的看門狗設(shè)計提高系統(tǒng)軟件的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件由機內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件、車上數(shù)據(jù)分析軟件和地面數(shù)據(jù)分析軟件三部分組成。

3.1 機內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件

機內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件與車上數(shù)據(jù)分析軟件使用Visual C#編程，利用WinConSDK函數(shù)庫來控制、操作WinCon-8000的全部硬件，包括I-8000／I-87K／I-7000系列I／O模塊。在普通微機上利用微軟的VisualC#開發(fā)環(huán)境直接開發(fā)機內(nèi)數(shù)據(jù)采集程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執(zhí)行。

機內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件驅(qū)動各I／O通道每1 s采集一次各信息點的數(shù)據(jù)，同時接收一條TAX箱的數(shù)據(jù)，組成一幀長度為120 B的記錄。以TAX箱輸出的時間為標(biāo)準(zhǔn)的時間，根據(jù)精度需要每1～10 s記錄一幀數(shù)據(jù)。若兩次采集的數(shù)據(jù)變化不大時，每10 s種記錄一幀數(shù)據(jù)；若兩次采集的數(shù)據(jù)變化較大時，每1 s記錄一幀數(shù)據(jù)。存儲一幀數(shù)據(jù)所需的存儲空間為120 B，當(dāng)存儲器快滿時，依照先進先出的數(shù)據(jù)備份策略淘汰最先記錄的數(shù)據(jù)，保證始終記錄著最近幾天的數(shù)據(jù)。

3.2 車上數(shù)據(jù)分析軟件

受W-8331模塊資源的限制，車上數(shù)據(jù)分析軟件主要是將采集的數(shù)據(jù)實時顯示與判斷報警。裝置工作時，如果帶有顯示器，該顯示器始終顯示一個主控界面和主要信號點的實時數(shù)據(jù)。當(dāng)采集的信號大于設(shè)定值時，采用聲、圖、指示燈報警。車上數(shù)據(jù)分析軟件可以在鼠標(biāo)的操作下回溯顯示之前的任意時刻的參數(shù)，便于機組人員在車輛運行現(xiàn)場了解機車運行狀態(tài)，供現(xiàn)場維護分析及處理決策。本裝置可以不帶顯示器和鼠標(biāo)，此時靠裝置上的4個按鈕開關(guān)操作轉(zhuǎn)錄控制，通過指示燈及聲音報警。

3.3 地面數(shù)據(jù)分析軟件

通過U盤轉(zhuǎn)錄將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給地面計算機，地面計算機運行地面數(shù)據(jù)分析軟件，讀取U盤的原始數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)格式校驗，挑出不全的記錄，按司機號或時間分段，進行機車運行工況參數(shù)曲線繪制。該軟件采用Delphi開發(fā)，繪制帶有時間標(biāo)的機車各參數(shù)運行曲線?？砂磿r間、公里標(biāo)等對記錄的數(shù)據(jù)進行檢索、查詢。運行曲線提供橫向及縱向數(shù)據(jù)比較在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)回放分析模式，使記錄數(shù)據(jù)可視化，真實再現(xiàn)運行狀態(tài)下機車的各種工況信息，讓地面分析人員形象直觀地判斷機車運行狀況，為機車的檢修提供科學(xué)的依據(jù)。

本采集儀記錄的數(shù)據(jù)還可以通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換程 序轉(zhuǎn)換成其他地面處理軟件需要的數(shù)據(jù)格式，為用戶采用其他商品化的地面數(shù)據(jù)處理軟件提供方便。同時，地面數(shù)據(jù)分析軟件向維修信息庫提供數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

采用通用的功能強大的工業(yè)級微控制器組成系統(tǒng)，盡管成本高，對機車這樣的關(guān)鍵性設(shè)備來說，依然是可以接受的方案。本裝置由哈密新通公司組織研制，主要用于車頭維護數(shù)據(jù)的采集，在DF4B機車上進行運行試驗考核，運行試驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，各項功能實現(xiàn)良好，達到了預(yù)計的設(shè)計目標(biāo)。