基于网络的机车状态信息采集系统的实现

基于网络的机车状态信息采集系统的实现
Implementation of Data Acquisition System on Locomotive Based on Network
北京交通大学 电气工程学院   李永平  王立德  王保华

摘要：基于网络而开发的机车状态信息采集系统，可以在机车的运行过程中通过网络将各种状态信息实时地记录下来，同时进行在线故障诊断，通过GPRS无线传输机车运行状态，为机务维修提供准确信息，提高机车运行的可靠性。
关键词：状态采集；机车信息；CAN总线；故障诊断
2005年6月8日收到修改稿。
前言
铁路运输以其安全性能好、能源消耗少、环境污染低、经济效益好等诸多的优点成为了安全可靠的现代化交通工具。机车作为铁路运输的关键组成部分，其运行状态质量的好坏关系着整个铁路运输系统质量的好坏。目前，主型机车上大都安装有显示器、电子柜等关键设备。这些设备用于实时显示机车参数的状态，协助驾驶人员进行操作，从而保证了机车运行的高安全性，减少了事故发生率；但是，这些设备仅有实时的显示和查询作用，不能把机车每时每刻的关键参数都记录下来，以便日后分析。因而，铁路单位非常需要那种类似飞机上“黑匣子’的监测记录系统，这也是实现质量管理现代化的关键组成部分之一。国外高速列车早已实现了“状态维修”，而我国铁路还沿用“计划维修”的体制，其主要原因是我国现在无法确定机车所处的“状态”。
基于此，我们研制了机车状态信息采集系统，对机车状态的各种参数进行采集，使机车在运行过程中的各种状态信息被及时记录下来，在运行结束后将记录下来的数据进行转存、分析和处理，形成知识库，并采用先进的诊断方法。这样，既采集了机车运行过程中的状态参数，同时也建立了相关的知识库，对于很好的把握机车的“健康状态”提供很好的依据。

系统的主要功能与总体结构
本系统的组成框图如图1所示。

图1 系统总体结构
机车上的状态信息是非常多的，考虑到系统本身的实用性、复杂性和经济性，是否故障多发部位、故障造成的严重后果、提高机车质量的实际意义以及信号的地理分布等，把信号采集系统分为四个部分，把机车上各个具有独立功能的智能模块通过网络连接线连接了起来。这样既便于机车运行情况的集中监测和管理，又分散了机车的控制与管理功能以及减少了机车上的布线数量，提高了机车运行的可靠性。
本系统以彩色显屏为核心，给现场的司乘和技术人员提供一个简便而且界面友好的机车运行过程中的电流电压监视，各种机车运行状态的监视，以及故障浏览、存储和查询，保证故障的及时解决。
采集模块搜集机车上的主要状态信息和故障信息通过网络传给司机室显示屏，将机车运行过程中的这些信息反映给司机。此模块可以完全取代目前大多数国内电力机车上的司机台上的状态灯部分。并且，具有一定故障记录和报警功能。
监测仪模块可对运行中的或停车状态下的机车设备、车辆以及这些设备所构成的系统进行在线检测，提供故障未发生时的预警以及故障发生后故障所在部位的信息，提示采取应急故障的建议和排除故障的方法，这些信息都可以通过网络传送到彩色显示屏。
逻辑控制模块是以无触点控制为基础开发研制的，有着高可靠性，高集成化，多功能化等显著优点。经过长时间的运行表明逻辑控制模块大大提高了控制系统的稳定性和可靠性。它取代了原有的继电器控制方式，原有的状态信号可以直接获得，而无须另外采集。
采用差分GPS对列车进行准确定位，利用数话同传无线列调通信系统将机车信息采集系统产生的机车实时信息传送到地面，通过铁路分组数据交换网将信息传送到机务部门，使得机务段和相关部门可实时掌握运行中的机车状态。同时在机车进站后利用USB接口进行大量数据传输，通过地面专家系统进行分析和处理，诊断得出机车的健康度。
机车状态信息采集系统采集的信号包括机车低压柜、端子柜、高压柜以及大部分电器的参数，共有100余种状态数据和80余种故障信息，所有这些数据的实时采集记录，将会全面反映机车在运行过程中的实际工作状态，对于评价机车质量意义重大。

采集模块的硬件结构与组成
以下仅对数据采集模块作详细的分析。
采集模块硬件框图如图2所示：它以TI公司高性能的DSP TMS320LF2407为核心，内部集成16路A/D转换和CAN总线协议，还带有SPI 、SCI等接口，功能十分强大，非常适合数据采集。配以高达132M的海量数据Flash存储芯片，同时含有把机车上110V的直路电源转变成+5V、+12V的开关电源模块，并利用了IO口扩展了LED指示灯和一些按键。

图2 数据采集模块框图
这部分除了检测现有信号外，还增加了受电弓离线率、接地次数、主断路器通断、预备灯不灭和辅助电机过载等信息，这些信号在数据采集模块中都能被检测出来，它通过通讯网络传送到司机室的彩屏上，显示故障信息，并给予相应的提示，以SS3B车为例：如果检测出572为0电位而402为高电位，那么判断得出辅助电机过载，显示屏提示：降弓后将Ⅱ端机械室辅保箱2PX插件与备用插件互换，同时显示屏提示相应的操作：将4#低压柜侧2PXK置故障位。因此要获得这些信号，我们增加了数据采集模块，开关量隔离后经IO口读入，模拟量隔离后经A/D转换，即可实现诸多参数的采集和判断功能。
下面就一些关键硬件电路作说明。
（1） 开关量输入通道
   在端子柜和电子柜中有110V和15V的开关量输入通道。光电隔离的输入电路如图3所示。

图3  开关量隔离通道
 D1为输入反极性保护，D2为噪声门槛，确保在75V以上才能导通，对于110和15V两种电压等级，可以适当的选择R1、R2、R3的值，使光耦可靠导通，实现电平匹配与电气隔离。
（2） 模拟量隔离电路
     模拟量的隔离考虑到系统的实际需求采用了双电光耦进行补偿，该方法的设计思路是利用两个同类型号的光电耦合器，组成差分负反馈以补偿电流传输的非线性，如图4所示。

图4  模拟量隔离电路
 R2， R4选取适当的参数后，它使输出电压跟随输入电压线性变化，该电路还有抗温度干扰的能力，具有较低的输出阻抗，较高输出能力。
（3） 模块的抗干扰设计
        为了减少干扰的影响，系统硬件从选用隔离器件、屏蔽、电源、接地和软件设计等几个方面实行了抗干扰措施。
      1）模块选用TLP-521光耦隔离开关量通道和计算机接口，消除共模干扰，在开关电源的周围加接压敏电阻和阻容滤波，可有效地滤去电源中的高频干扰。
2）布线
在模块中，信号传输线多，引线较长，不能忽视由导线而引入的干扰。特别是网络电缆应该选择屏蔽电缆或屏蔽双绞线，同时应该远离电源线或者是高电压大电流器件。为防止振动对信号线的影响，对信号线进行很好的固定，同时使所有的信号线很好的绝缘，防止由接触引入的干扰。
  
采集模块的软件实现
数据采集模块的功能主要为监测并记录机车的重要信息参数，利用C语言来编写。整个程序设计分为主程序、数据采集子程序、通信子程序、延时子程序、逻辑判断子程序。数据采集子程序用于采集开关量，针对一些开关量需要一定的时间间隔，调用了延时子程序。逻辑判断子程序是根据所采集的开关量，运用故障诊断方法进行逻辑判断，最终确定故障信息。通信子程序接收来自网络上其它节点的命令，传送故障信息以及各个状态信息，完成数据交换。

结语
机车信息采集系统在SS3B、SS4G、SS7E等机车上装车后，系统正常工作，运行良好，全面无漏地检测各种重要状态信息，并通过网络的大范围数据共享，不断充实专家系统中的数据库信息，及时地发现各种意外故障，提高故障诊断的快速性和准确性，与同类其它方法相比，该系统具有更广的拓展性。实践表明，该套系统的使用，给地面检修人员提供了很好的指导作用，对提高列车的安全性起到了较大的作用。