基于網絡的機車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的實現

基于網絡的機車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的實現
Implementation of Data Acquisition System on Locomotive Based on Network
北京交通大學 電氣工程學院   李永平  王立德  王保華

摘要：基于網絡而開發(fā)的機車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以在機車的運行過程中通過網絡將各種狀態(tài)信息實時地記錄下來，同時進行在線故障診斷，通過GPRS無線傳輸機車運行狀態(tài)，為機務維修提供準確信息，提高機車運行的可靠性。
關鍵詞：狀態(tài)采集；機車信息；CAN總線；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、經濟效益好等諸多的優(yōu)點成為了安全可靠的現代化交通工具。機車作為鐵路運輸的關鍵組成部分，其運行狀態(tài)質量的好壞關系著整個鐵路運輸系統(tǒng)質量的好壞。目前，主型機車上大都安裝有顯示器、電子柜等關鍵設備。這些設備用于實時顯示機車參數的狀態(tài)，協助駕駛人員進行操作，從而保證了機車運行的高安全性，減少了事故發(fā)生率；但是，這些設備僅有實時的顯示和查詢作用，不能把機車每時每刻的關鍵參數都記錄下來，以便日后分析。因而，鐵路單位非常需要那種類似飛機上“黑匣子’的監(jiān)測記錄系統(tǒng)，這也是實現質量管理現代化的關鍵組成部分之一。國外高速列車早已實現了“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法確定機車所處的“狀態(tài)”。
基于此，我們研制了機車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，對機車狀態(tài)的各種參數進行采集，使機車在運行過程中的各種狀態(tài)信息被及時記錄下來，在運行結束后將記錄下來的數據進行轉存、分析和處理，形成知識庫，并采用先進的診斷方法。這樣，既采集了機車運行過程中的狀態(tài)參數，同時也建立了相關的知識庫，對于很好的把握機車的“健康狀態(tài)”提供很好的依據。

系統(tǒng)的主要功能與總體結構
本系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構
機車上的狀態(tài)信息是非常多的，考慮到系統(tǒng)本身的實用性、復雜性和經濟性，是否故障多發(fā)部位、故障造成的嚴重后果、提高機車質量的實際意義以及信號的地理分布等，把信號采集系統(tǒng)分為四個部分，把機車上各個具有獨立功能的智能模塊通過網絡連接線連接了起來。這樣既便于機車運行情況的集中監(jiān)測和管理，又分散了機車的控制與管理功能以及減少了機車上的布線數量，提高了機車運行的可靠性。
本系統(tǒng)以彩色顯屏為核心，給現場的司乘和技術人員提供一個簡便而且界面友好的機車運行過程中的電流電壓監(jiān)視，各種機車運行狀態(tài)的監(jiān)視，以及故障瀏覽、存儲和查詢，保證故障的及時解決。
采集模塊搜集機車上的主要狀態(tài)信息和故障信息通過網絡傳給司機室顯示屏，將機車運行過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(jiān)測儀模塊可對運行中的或停車狀態(tài)下的機車設備、車輛以及這些設備所構成的系統(tǒng)進行在線檢測，提供故障未發(fā)生時的預警以及故障發(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網絡傳送到彩色顯示屏。
邏輯控制模塊是以無觸點控制為基礎開發(fā)研制的，有著高可靠性，高集成化，多功能化等顯著優(yōu)點。經過長時間的運行表明邏輯控制模塊大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)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，而無須另外采集。
采用差分GPS對列車進行準確定位，利用數話同傳無線列調通信系統(tǒng)將機車信息采集系統(tǒng)產生的機車實時信息傳送到地面，通過鐵路分組數據交換網將信息傳送到機務部門，使得機務段和相關部門可實時掌握運行中的機車狀態(tài)。同時在機車進站后利用USB接口進行大量數據傳輸，通過地面專家系統(tǒng)進行分析和處理，診斷得出機車的健康度。
機車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)采集的信號包括機車低壓柜、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，所有這些數據的實時采集記錄，將會全面反映機車在運行過程中的實際工作狀態(tài)，對于評價機車質量意義重大。

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總線協議，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，同時含有把機車上110V的直路電源轉變成+5V、+12V的開關電源模塊，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率、接地次數、主斷路器通斷、預備燈不滅和輔助電機過載等信息，這些信號在數據采集模塊中都能被檢測出來，它通過通訊網絡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，開關量隔離后經IO口讀入，模擬量隔離后經A/D轉換，即可實現諸多參數的采集和判斷功能。
下面就一些關鍵硬件電路作說明。
（1） 開關量輸入通道
   在端子柜和電子柜中有110V和15V的開關量輸入通道。光電隔離的輸入電路如圖3所示。

圖3  開關量隔離通道
 D1為輸入反極性保護，D2為噪聲門檻，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(tǒng)的實際需求采用了雙電光耦進行補償，該方法的設計思路是利用兩個同類型號的光電耦合器，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(tǒng)硬件從選用隔離器件、屏蔽、電源、接地和軟件設計等幾個方面實行了抗干擾措施。
      1）模塊選用TLP-521光耦隔離開關量通道和計算機接口，消除共模干擾，在開關電源的周圍加接壓敏電阻和阻容濾波，可有效地濾去電源中的高頻干擾。
2）布線
在模塊中，信號傳輸線多，引線較長，不能忽視由導線而引入的干擾。特別是網絡電纜應該選擇屏蔽電纜或屏蔽雙絞線，同時應該遠離電源線或者是高電壓大電流器件。為防止振動對信號線的影響，對信號線進行很好的固定，同時使所有的信號線很好的絕緣，防止由接觸引入的干擾。
  
采集模塊的軟件實現
數據采集模塊的功能主要為監(jiān)測并記錄機車的重要信息參數，利用C語言來編寫。整個程序設計分為主程序、數據采集子程序、通信子程序、延時子程序、邏輯判斷子程序。數據采集子程序用于采集開關量，針對一些開關量需要一定的時間間隔，調用了延時子程序。邏輯判斷子程序是根據所采集的開關量，運用故障診斷方法進行邏輯判斷，最終確定故障信息。通信子程序接收來自網絡上其它節(jié)點的命令，傳送故障信息以及各個狀態(tài)信息，完成數據交換。

結語
機車信息采集系統(tǒng)在SS3B、SS4G、SS7E等機車上裝車后，系統(tǒng)正常工作，運行良好，全面無漏地檢測各種重要狀態(tài)信息，并通過網絡的大范圍數據共享，不斷充實專家系統(tǒng)中的數據庫信息，及時地發(fā)現各種意外故障，提高故障診斷的快速性和準確性，與同類其它方法相比，該系統(tǒng)具有更廣的拓展性。實踐表明，該套系統(tǒng)的使用，給地面檢修人員提供了很好的指導作用，對提高列車的安全性起到了較大的作用。