機(jī)車運(yùn)行信息檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

內(nèi)燃機(jī)車各部件運(yùn)行數(shù)據(jù)，尤其是機(jī)車運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，是分析和考核機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)。目前國(guó)內(nèi)新出廠的機(jī)車都已配備了一定功能的機(jī)車車輛信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但早期生產(chǎn)的機(jī)車沒有此設(shè)備，另外不同管理模式對(duì)車輛信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也不完全相同。DF4B／4C機(jī)車原有的機(jī)車安全信息綜合檢測(cè)裝置(簡(jiǎn)稱TAX箱)記錄了部分車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，但對(duì)車輛維護(hù)數(shù)據(jù)記錄的很少，即機(jī)車在牽引運(yùn)用狀態(tài)下，機(jī)車各工況數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)記錄缺乏，不利于綜合利用各項(xiàng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)機(jī)車在運(yùn)用過程中反映出的各種狀況進(jìn)行綜合分析。因此，我們開發(fā)了DF4B／4C機(jī)車車輛運(yùn)行信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與機(jī)車上原有的TAX記錄儀一起，實(shí)時(shí)記錄車輛牽引運(yùn)用時(shí)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(duì)機(jī)車運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，掌握設(shè)備、部件的技術(shù)狀態(tài)，為機(jī)車的預(yù)防性維修、檢修提供真實(shí)的依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)思想

目前已經(jīng)裝車的一些機(jī)車運(yùn)行信息檢測(cè)裝置大多采用單片機(jī)設(shè)計(jì)，功能固定，性能簡(jiǎn)單，不具靈活性與擴(kuò)展性，無法在機(jī)車運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場(chǎng)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)。由多個(gè)單片機(jī)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(jià)比不斷提高，采用通用工業(yè)級(jí)嵌入式控制器做機(jī)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(jī)車運(yùn)行信息實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)(裝置)主要應(yīng)用于車頭，設(shè)計(jì)思想是：使用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)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(jí)I／O通道，使裝置完全模塊化。搭積木式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)組織靈活、開發(fā)快捷、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)。軟件可以在車上調(diào)試按需擴(kuò)充，可以在機(jī)車運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(jì)

2.1 系統(tǒng)功能需求

原DF4B機(jī)車上的TAX監(jiān)控裝置記錄了部分機(jī)車運(yùn)行參數(shù)，例如時(shí)間標(biāo)、車速、信號(hào)機(jī)號(hào)、公時(shí)標(biāo)、總量、計(jì)長(zhǎng)、量數(shù)、本機(jī)補(bǔ)機(jī)、貨客車、車次、區(qū)段號(hào)、車站號(hào)、司機(jī)號(hào)、副司機(jī)號(hào)、機(jī)車號(hào)、機(jī)車型等信息。本項(xiàng)目在DF4B機(jī)車操作臺(tái)上安裝機(jī)車運(yùn)行信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置，記錄機(jī)車的各種實(shí)時(shí)運(yùn)行工況參數(shù)。除保留原車上TAX監(jiān)控裝置提供的各項(xiàng)機(jī)車運(yùn)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(lì)磁、固定發(fā)電、本車卸載、水溫、油溫、燃?jí)?、滑壓、輔助電壓、充放電流、6個(gè)電機(jī)分流、主電壓、主電流等采集參數(shù)。在列車運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄機(jī)車動(dòng)態(tài)運(yùn)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(jì)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(jì)

2.3.1 嵌入式核心控制器

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jí)語言開發(fā)環(huán)境和工具，具有較強(qiáng)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(chǔ)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(jī)使用W-8331模塊，內(nèi)置Intel Strong ARM 32位CPU，時(shí)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(kuò)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(yùn)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(shí)時(shí)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(jī)Windows平臺(tái)上的應(yīng)用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在Windows CE平臺(tái)上繼續(xù)使用，通過WinCon-8000提供的WinConSDK，在普通微機(jī)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(qiáng)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(kuò)展I／O模塊，支持計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器／頻率計(jì)。選用WinCon-8000作主控制器，為在車上進(jìn)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(jī)上分析，也可以在機(jī)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(shí)維護(hù)與調(diào)試。

2.3.2 模擬量輸入通道

本系統(tǒng)中需要測(cè)量的模擬量有：1～6電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速等14個(gè)模擬量。

機(jī)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(jià)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(jī)連接，在應(yīng)用程序中直接通過WinconSDK動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù)操作I-7018工作。本機(jī)使用了2塊i-7018模塊實(shí)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(lì)磁等8個(gè)開關(guān)量。使用了一塊I-8042的8個(gè)通道。

2.3.4 速度采集通道

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

2.3.5 面板I／O模塊

本控制器包括4個(gè)按鍵開關(guān)，分別用來控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)備份、轉(zhuǎn)存、復(fù)位、本地輸出等操作，設(shè)置了8個(gè)代表設(shè)備工作狀態(tài)及報(bào)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(duì)其輸出進(jìn)行二級(jí)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(dòng)24 V的面板指示燈。

2.3.6 485-232轉(zhuǎn)換器

本采集儀與機(jī)車上原有的TAX箱配合工作，為及時(shí)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(jī)箱設(shè)計(jì)

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

本檢測(cè)裝置使用31 cm×24.5 cm×19.5 cm工業(yè)機(jī)箱，機(jī)箱外置全部鍵盤、顯示器、鼠標(biāo)等插座。面板上置8個(gè)指示燈指示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，面板上置4個(gè)按鈕開關(guān)控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄操作等。通過4個(gè)航空插座連接現(xiàn)場(chǎng)全部數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。為避免影響機(jī)車原信號(hào)系統(tǒng)，信號(hào)采集采用高阻抗輸入電路，采取了一系列信號(hào)的隔離、放大、變換及傳輸措施。例如在一些高速、干擾強(qiáng)烈的信號(hào)通道增設(shè)隔離變壓器將信號(hào)源與電氣回路隔離，通過設(shè)計(jì)濾波電路抑制電源干擾，大大減少了裝置死機(jī)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(jì)思想，采用模塊化設(shè)計(jì)。將各個(gè)采集通道分別隔離，信號(hào)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(dú)立性。便于系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)，適應(yīng)各種型號(hào)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(hào)，經(jīng)信號(hào)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(yùn)用W-8331提供的看門狗設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)軟件的可靠性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件由機(jī)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(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件

機(jī)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(jī)上利用微軟的VisualC#開發(fā)環(huán)境直接開發(fā)機(jī)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(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)采集軟件驅(qū)動(dòng)各I／O通道每1 s采集一次各信息點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)接收一條TAX箱的數(shù)據(jù)，組成一幀長(zhǎng)度為120 B的記錄。以TAX箱輸出的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)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(shí)，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(shí)，每1 s記錄一幀數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)空間為120 B，當(dāng)存儲(chǔ)器快滿時(shí)，依照先進(jìn)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(shí)時(shí)顯示與判斷報(bào)警。裝置工作時(shí)，如果帶有顯示器，該顯示器始終顯示一個(gè)主控界面和主要信號(hào)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。當(dāng)采集的信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)，采用聲、圖、指示燈報(bào)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(shí)刻的參數(shù)，便于機(jī)組人員在車輛運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)了解機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，供現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)分析及處理決策。本裝置可以不帶顯示器和鼠標(biāo)，此時(shí)靠裝置上的4個(gè)按鈕開關(guān)操作轉(zhuǎn)錄控制，通過指示燈及聲音報(bào)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(jì)算機(jī)，地面計(jì)算機(jī)運(yùn)行地面數(shù)據(jù)分析軟件，讀取U盤的原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式校驗(yàn)，挑出不全的記錄，按司機(jī)號(hào)或時(shí)間分段，進(jìn)行機(jī)車運(yùn)行工況參數(shù)曲線繪制。該軟件采用Delphi開發(fā)，繪制帶有時(shí)間標(biāo)的機(jī)車各參數(shù)運(yùn)行曲線?？砂磿r(shí)間、公里標(biāo)等對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索、查詢。運(yùn)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(shí)再現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)車的各種工況信息，讓地面分析人員形象直觀地判斷機(jī)車運(yùn)行狀況，為機(jī)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(shí)，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(qiáng)大的工業(yè)級(jí)微控制器組成系統(tǒng)，盡管成本高，對(duì)機(jī)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(hù)數(shù)據(jù)的采集，在DF4B機(jī)車上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)考核，運(yùn)行試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)良好，達(dá)到了預(yù)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。