基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)車(chē)狀態(tài)信息采集系統(tǒng)的實(shí)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(kāi)發(fā)的機(jī)車(chē)狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，可以在機(jī)車(chē)的運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各種狀態(tài)信息實(shí)時(shí)地記錄下來(lái)，同時(shí)進(jìn)行在線故障診斷，通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸機(jī)車(chē)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(chē)運(yùn)行的可靠性。
關(guān)鍵詞：狀態(tài)采集；機(jī)車(chē)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(diǎn)成為了安全可靠的現(xiàn)代化交通工具。機(jī)車(chē)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(gè)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)質(zhì)量的好壞。目前，主型機(jī)車(chē)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(shí)時(shí)顯示機(jī)車(chē)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(chē)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(shí)時(shí)的顯示和查詢(xún)作用，不能把機(jī)車(chē)每時(shí)每刻的關(guān)鍵參數(shù)都記錄下來(lái)，以便日后分析。因而，鐵路單位非常需要那種類(lèi)似飛機(jī)上“黑匣子’的監(jiān)測(cè)記錄系統(tǒng)，這也是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵組成部分之一。國(guó)外高速列車(chē)早已實(shí)現(xiàn)了“狀態(tài)維修”，而我國(guó)鐵路還沿用“計(jì)劃維修”的體制，其主要原因是我國(guó)現(xiàn)在無(wú)法確定機(jī)車(chē)所處的“狀態(tài)”。
基于此，我們研制了機(jī)車(chē)狀態(tài)信息采集系統(tǒng)，對(duì)機(jī)車(chē)狀態(tài)的各種參數(shù)進(jìn)行采集，使機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的各種狀態(tài)信息被及時(shí)記錄下來(lái)，在運(yùn)行結(jié)束后將記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)存、分析和處理，形成知識(shí)庫(kù)，并采用先進(jìn)的診斷方法。這樣，既采集了機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)也建立了相關(guān)的知識(shí)庫(kù)，對(duì)于很好的把握機(jī)車(chē)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(chē)上的狀態(tài)信息是非常多的，考慮到系統(tǒng)本身的實(shí)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(chē)質(zhì)量的實(shí)際意義以及信號(hào)的地理分布等，把信號(hào)采集系統(tǒng)分為四個(gè)部分，把機(jī)車(chē)上各個(gè)具有獨(dú)立功能的智能模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接線連接了起來(lái)。這樣既便于機(jī)車(chē)運(yùn)行情況的集中監(jiān)測(cè)和管理，又分散了機(jī)車(chē)的控制與管理功能以及減少了機(jī)車(chē)上的布線數(shù)量，提高了機(jī)車(chē)運(yùn)行的可靠性。
本系統(tǒng)以彩色顯屏為核心，給現(xiàn)場(chǎng)的司乘和技術(shù)人員提供一個(gè)簡(jiǎn)便而且界面友好的機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的電流電壓監(jiān)視，各種機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視，以及故障瀏覽、存儲(chǔ)和查詢(xún)，保證故障的及時(shí)解決。
采集模塊搜集機(jī)車(chē)上的主要狀態(tài)信息和故障信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給司機(jī)室顯示屏，將機(jī)車(chē)運(yùn)行過(guò)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(guó)內(nèi)電力機(jī)車(chē)上的司機(jī)臺(tái)上的狀態(tài)燈部分。并且，具有一定故障記錄和報(bào)警功能。
監(jiān)測(cè)儀模塊可對(duì)運(yùn)行中的或停車(chē)狀態(tài)下的機(jī)車(chē)設(shè)備、車(chē)輛以及這些設(shè)備所構(gòu)成的系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測(cè)，提供故障未發(fā)生時(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到彩色顯示屏。
邏輯控制模塊是以無(wú)觸點(diǎn)控制為基礎(chǔ)開(kāi)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(diǎn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(hào)可以直接獲得，而無(wú)須另外采集。
采用差分GPS對(duì)列車(chē)進(jìn)行準(zhǔn)確定位，利用數(shù)話同傳無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)將機(jī)車(chē)信息采集系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)車(chē)實(shí)時(shí)信息傳送到地面，通過(guò)鐵路分組數(shù)據(jù)交換網(wǎng)將信息傳送到機(jī)務(wù)部門(mén)，使得機(jī)務(wù)段和相關(guān)部門(mén)可實(shí)時(shí)掌握運(yùn)行中的機(jī)車(chē)狀態(tài)。同時(shí)在機(jī)車(chē)進(jìn)站后利用USB接口進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)地面專(zhuān)家系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，診斷得出機(jī)車(chē)的健康度。
機(jī)車(chē)狀態(tài)信息采集系統(tǒng)采集的信號(hào)包括機(jī)車(chē)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(shí)時(shí)采集記錄，將會(huì)全面反映機(jī)車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)于評(píng)價(jià)機(jī)車(chē)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(duì)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(chǔ)芯片，同時(shí)含有把機(jī)車(chē)上110V的直路電源轉(zhuǎn)變成+5V、+12V的開(kāi)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(cè)現(xiàn)有信號(hào)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(guò)載等信息，這些信號(hào)在數(shù)據(jù)采集模塊中都能被檢測(cè)出來(lái)，它通過(guò)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(chē)為例：如果檢測(cè)出572為0電位而402為高電位，那么判斷得出輔助電機(jī)過(guò)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(shí)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(hào)，我們?cè)黾恿藬?shù)據(jù)采集模塊，開(kāi)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(shí)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(shuō)明。
（1） 開(kāi)關(guān)量輸入通道
   在端子柜和電子柜中有110V和15V的開(kāi)關(guān)量輸入通道。光電隔離的輸入電路如圖3所示。

圖3  開(kāi)關(guān)量隔離通道
 D1為輸入反極性保護(hù)，D2為噪聲門(mén)檻，確保在75V以上才能導(dǎo)通，對(duì)于110和15V兩種電壓等級(jí)，可以適當(dāng)?shù)倪x擇R1、R2、R3的值，使光耦可靠導(dǎo)通，實(shí)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(shí)際需求采用了雙電光耦進(jìn)行補(bǔ)償，該方法的設(shè)計(jì)思路是利用兩個(gè)同類(lèi)型號(hào)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(jì)
        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(jì)等幾個(gè)方面實(shí)行了抗干擾措施。
      1）模塊選用TLP-521光耦隔離開(kāi)關(guān)量通道和計(jì)算機(jī)接口，消除共模干擾，在開(kāi)關(guān)電源的周?chē)咏訅好綦娮韬妥枞轂V波，可有效地濾去電源中的高頻干擾。
2）布線
在模塊中，信號(hào)傳輸線多，引線較長(zhǎng)，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(shí)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(dòng)對(duì)信號(hào)線的影響，對(duì)信號(hào)線進(jìn)行很好的固定，同時(shí)使所有的信號(hào)線很好的絕緣，防止由接觸引入的干擾。
  
采集模塊的軟件實(shí)現(xiàn)
數(shù)據(jù)采集模塊的功能主要為監(jiān)測(cè)并記錄機(jī)車(chē)的重要信息參數(shù)，利用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。整個(gè)程序設(shè)計(jì)分為主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、通信子程序、延時(shí)子程序、邏輯判斷子程序。數(shù)據(jù)采集子程序用于采集開(kāi)關(guān)量，針對(duì)一些開(kāi)關(guān)量需要一定的時(shí)間間隔，調(diào)用了延時(shí)子程序。邏輯判斷子程序是根據(jù)所采集的開(kāi)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(lái)自網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)的命令，傳送故障信息以及各個(gè)狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)交換。

結(jié)語(yǔ)
機(jī)車(chē)信息采集系統(tǒng)在SS3B、SS4G、SS7E等機(jī)車(chē)上裝車(chē)后，系統(tǒng)正常工作，運(yùn)行良好，全面無(wú)漏地檢測(cè)各種重要狀態(tài)信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的大范圍數(shù)據(jù)共享，不斷充實(shí)專(zhuān)家系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)信息，及時(shí)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(lèi)其它方法相比，該系統(tǒng)具有更廣的拓展性。實(shí)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(duì)提高列車(chē)的安全性起到了較大的作用。