基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的實現(xiàn)
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)而開發(fā)的機(jī)車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以在機(jī)車的運(yùn)行過程中通過網(wǎng)絡(luò)將各種狀態(tài)信息實時地記錄下來，同時進(jìn)行在線故障診斷，通過GPRS無線傳輸機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)，為機(jī)務(wù)維修提供準(zhǔn)確信息，提高機(jī)車運(yùn)行的可靠性。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)采集；機(jī)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(yùn)輸以其安全性能好、能源消耗少、環(huán)境污染低、經(jīng)濟(jì)效益好等諸多的優(yōu)點成為了安全可靠的現(xiàn)代化交通工具。機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，其運(yùn)行狀態(tài)質(zhì)量的好壞關(guān)系著整個鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)質(zhì)量的好壞。目前，主型機(jī)車上大都安裝有顯示器、電子柜等關(guān)鍵設(shè)備。這些設(shè)備用于實時顯示機(jī)車參數(shù)的狀態(tài)，協(xié)助駕駛?cè)藛T進(jìn)行操作，從而保證了機(jī)車運(yùn)行的高安全性，減少了事故發(fā)生率；但是，這些設(shè)備僅有實時的顯示和查詢作用，不能把機(jī)車每時每刻的關(guān)鍵參數(shù)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(jī)上“黑匣子’的監(jiān)測記錄系統(tǒng)，這也是實現(xiàn)質(zhì)量管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵組成部分之一。國外高速列車早已實現(xiàn)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(xiàn)在無法確定機(jī)車所處的“狀態(tài)”。
基于此，我們研制了機(jī)車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，對機(jī)車狀態(tài)的各種參數(shù)進(jìn)行采集，使機(jī)車在運(yùn)行過程中的各種狀態(tài)信息被及時記錄下來，在運(yùn)行結(jié)束后將記錄下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)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(jī)車運(yùn)行過程中的狀態(tài)參數(shù)，同時也建立了相關(guān)的知識庫，對于很好的把握機(jī)車的“健康狀態(tài)”提供很好的依據(jù)。

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

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
機(jī)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(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)性，是否故障多發(fā)部位、故障造成的嚴(yán)重后果、提高機(jī)車質(zhì)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(jī)車上各個具有獨立功能的智能模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接線連接了起來。這樣既便于機(jī)車運(yùn)行情況的集中監(jiān)測和管理，又分散了機(jī)車的控制與管理功能以及減少了機(jī)車上的布線數(shù)量，提高了機(jī)車運(yùn)行的可靠性。
本系統(tǒng)以彩色顯屏為核心，給現(xiàn)場的司乘和技術(shù)人員提供一個簡便而且界面友好的機(jī)車運(yùn)行過程中的電流電壓監(jiān)視，各種機(jī)車運(yùn)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(jī)車上的主要狀態(tài)信息和故障信息通過網(wǎng)絡(luò)傳給司機(jī)室顯示屏，將機(jī)車運(yùn)行過程中的這些信息反映給司機(jī)。此模塊可以完全取代目前大多數(shù)國內(nèi)電力機(jī)車上的司機(jī)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(yùn)行中的或停車狀態(tài)下的機(jī)車設(shè)備、車輛以及這些設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測，提供故障未發(fā)生時的預(yù)警以及故障發(fā)生后故障所在部位的信息，提示采取應(yīng)急故障的建議和排除故障的方法，這些信息都可以通過網(wǎng)絡(luò)傳送到彩色顯示屏。
邏輯控制模塊是以無觸點控制為基礎(chǔ)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(jīng)過長時間的運(yùn)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(jìn)行準(zhǔn)確定位，利用數(shù)話同傳無線列調(diào)通信系統(tǒng)將機(jī)車信息采集系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)車實時信息傳送到地面，通過鐵路分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)將信息傳送到機(jī)務(wù)部門，使得機(jī)務(wù)段和相關(guān)部門可實時掌握運(yùn)行中的機(jī)車狀態(tài)。同時在機(jī)車進(jìn)站后利用USB接口進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸，通過地面專家系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，診斷得出機(jī)車的健康度。
機(jī)車狀態(tài)信息采集系統(tǒng)采集的信號包括機(jī)車低壓柜、端子柜、高壓柜以及大部分電器的參數(shù)，共有100余種狀態(tài)數(shù)據(jù)和80余種故障信息，所有這些數(shù)據(jù)的實時采集記錄，將會全面反映機(jī)車在運(yùn)行過程中的實際工作狀態(tài)，對于評價機(jī)車質(zhì)量意義重大。

采集模塊的硬件結(jié)構(gòu)與組成
以下僅對數(shù)據(jù)采集模塊作詳細(xì)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(nèi)部集成16路A/D轉(zhuǎn)換和CAN總線協(xié)議，還帶有SPI 、SCI等接口，功能十分強(qiáng)大，非常適合數(shù)據(jù)采集。配以高達(dá)132M的海量數(shù)據(jù)Flash存儲芯片，同時含有把機(jī)車上110V的直路電源轉(zhuǎn)變成+5V、+12V的開關(guān)電源模塊，并利用了IO口擴(kuò)展了LED指示燈和一些按鍵。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊框圖
這部分除了檢測現(xiàn)有信號外，還增加了受電弓離線率、接地次數(shù)、主斷路器通斷、預(yù)備燈不滅和輔助電機(jī)過載等信息，這些信號在數(shù)據(jù)采集模塊中都能被檢測出來，它通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳送到司機(jī)室的彩屏上，顯示故障信息，并給予相應(yīng)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(jī)過載，顯示屏提示：降弓后將Ⅱ端機(jī)械室輔保箱2PX插件與備用插件互換，同時顯示屏提示相應(yīng)的操作：將4#低壓柜側(cè)2PXK置故障位。因此要獲得這些信號，我們增加了數(shù)據(jù)采集模塊，開關(guān)量隔離后經(jīng)IO口讀入，模擬量隔離后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，即可實現(xiàn)諸多參數(shù)的采集和判斷功能。
下面就一些關(guān)鍵硬件電路作說明。
（1） 開關(guān)量輸入通道
   在端子柜和電子柜中有110V和15V的開關(guān)量輸入通道。光電隔離的輸入電路如圖3所示。

圖3  開關(guān)量隔離通道
 D1為輸入反極性保護(hù)，D2為噪聲門檻，確保在75V以上才能導(dǎo)通，對于110和15V兩種電壓等級，可以適當(dāng)?shù)倪x擇R1、R2、R3的值，使光耦可靠導(dǎo)通，實現(xiàn)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(jìn)行補(bǔ)償，該方法的設(shè)計思路是利用兩個同類型號的光電耦合器，組成差分負(fù)反饋以補(bǔ)償電流傳輸?shù)姆蔷€性，如圖4所示。

圖4  模擬量隔離電路
 R2， R4選取適當(dāng)?shù)膮?shù)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(shè)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(shè)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(guān)量通道和計算機(jī)接口，消除共模干擾，在開關(guān)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(dǎo)線而引入的干擾。特別是網(wǎng)絡(luò)電纜應(yīng)該選擇屏蔽電纜或屏蔽雙絞線，同時應(yīng)該遠(yuǎn)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(jìn)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(xiàn)
數(shù)據(jù)采集模塊的功能主要為監(jiān)測并記錄機(jī)車的重要信息參數(shù)，利用C語言來編寫。整個程序設(shè)計分為主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、通信子程序、延時子程序、邏輯判斷子程序。數(shù)據(jù)采集子程序用于采集開關(guān)量，針對一些開關(guān)量需要一定的時間間隔，調(diào)用了延時子程序。邏輯判斷子程序是根據(jù)所采集的開關(guān)量，運(yùn)用故障診斷方法進(jìn)行邏輯判斷，最終確定故障信息。通信子程序接收來自網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)交換。

結(jié)語
機(jī)車信息采集系統(tǒng)在SS3B、SS4G、SS7E等機(jī)車上裝車后，系統(tǒng)正常工作，運(yùn)行良好，全面無漏地檢測各種重要狀態(tài)信息，并通過網(wǎng)絡(luò)的大范圍數(shù)據(jù)共享，不斷充實專家系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫信息，及時地發(fā)現(xiàn)各種意外故障，提高故障診斷的快速性和準(zhǔn)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(dǎo)作用，對提高列車的安全性起到了較大的作用。