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內燃機車(chē)各部件運行數據，尤其是機車(chē)運行中的動(dòng)態(tài)參數，是分析和考核機車(chē)運行狀態(tài)的基礎。目前國內新出廠(chǎng)的機車(chē)都已配備了一定功能的機車(chē)車(chē)輛信 息監測系統，但早期生產(chǎn)的機車(chē)沒(méi)有此設備，另外不同管理模式對車(chē)輛信息監測系統的需求也不完全相同。DF4B／4C機車(chē)原有的機車(chē)安全信息綜合檢測裝置 (簡(jiǎn)稱(chēng)TAX 箱)記錄了部分車(chē)輛運行數據，但對車(chē)輛維護數據記錄的很少，即機車(chē)在牽引運用狀態(tài)下，機車(chē)各工況數據的動(dòng)態(tài)記錄缺乏，不利于綜合利用各項監控數據對機車(chē)在 運用過(guò)程中反映出的各種狀況進(jìn)行綜合分析。因此，我們開(kāi)發(fā)了DF4B／4C機車(chē)車(chē)輛運行信息實(shí)時(shí)監測系統，與機車(chē)上原有的TAX記錄儀一起，實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛 牽引運用時(shí)的油、電、水等系統的工況數據。通過(guò)數據分析軟件對機車(chē)運行數據進(jìn)行分析判斷，掌握設備、部件的技術(shù)狀態(tài)，為機車(chē)的預防性維修、檢修提供真實(shí)的 依據。 1 設計思想 目前已經(jīng)裝車(chē)的一些機車(chē)運行信息檢測裝置大多采用單片機設計，功能固定，性能簡(jiǎn)單，不具靈活性與擴展性，無(wú)法在機車(chē)運行時(shí)現場(chǎng)分析運行數據。由多個(gè)單片機組成的系統沒(méi)有形成模塊化，給裝置本身的故障維修造成困難。 隨著(zhù)以應用為中心的嵌入式系統性?xún)r(jià)比不斷提高，采用通用工業(yè)級嵌入式控制器做機車(chē)應用，可大大提高系統開(kāi)發(fā)周期，提高系統可靠性及工作效率。 本機車(chē)運行信息實(shí)時(shí)檢測系統(裝置)主要應用于車(chē)頭，設計思想是：使用標準的工業(yè)級嵌入式控制器硬件，使用標準嵌入式操作系統，使用常規的外部 設備，例如標準鍵盤(pán)、通用顯示器、U盤(pán)、CF卡等。使用通用的可視化開(kāi)發(fā)工具，利用網(wǎng)絡(luò )化開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用標準的工業(yè)級I／O通道，使裝置完全模塊化。搭積 木式的系統設計組織靈活、開(kāi)發(fā)快捷、功能強大、可擴展性強。軟件可以在車(chē)上調試按需擴充，可以在機車(chē)運行現場(chǎng)進(jìn)行數據分析，模塊化的結構使裝置本身的維修 非常方便。 2 系統硬件設計 2.1 系統功能需求 原 DF4B機車(chē)上的TAX監控裝置記錄了部分機車(chē)運行參數，例如時(shí)間標、車(chē)速、信號機號、公時(shí)標、總量、計長(cháng)、量數、本機補機、貨客車(chē)、車(chē)次、區段號、車(chē)站 號、司機號、副司機號、機車(chē)號、機車(chē)型等信息。本項目在DF4B機車(chē)操作臺上安裝機車(chē)運行信息實(shí)時(shí)監測裝置，記錄機車(chē)的各種實(shí)時(shí)運行工況參數。除保留原車(chē) 上TAX監控裝置提供的各項機車(chē)運行參數外，根據維修的需要，增加差示壓力、空轉、接地、總過(guò)流、故障勵磁、固定發(fā)電、本車(chē)卸載、水溫、油溫、燃壓、滑 壓、輔助電壓、充放電流、6個(gè)電機分流、主電壓、主電流等采集參數。在列車(chē)運行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測和記錄機車(chē)動(dòng)態(tài)運行數據。 2.2 系統硬件總體結構 根據系統功能需求，設計的系統硬件總體結構如圖1所示。
2.3 系統硬件設備設計 2.3.1 嵌入式核心控制器 根據系統設計思想，要求核心控制器必須是可以替代常規PC和PLC，支持標準顯示，提供完整的高級語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境和工具，具有較強的數據處理能力和速度，具有網(wǎng)絡(luò )接口和USB接口，允許連接CF卡等存儲設備。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，該控制器主機使用W-8331模塊，內置Intel Strong ARM 32位CPU，時(shí)鐘2.06 MHz，內存64 MB SDRAM，32 MB FLASH Memory，采用CF卡做電子盤(pán)，選用3擴展槽底板。 WinCon-8000是兼有常規PC和PLC功能的嵌入式控制器，運行Windows CE.NET操作系統。Windows CE.NET是廣泛應用于智能設備的實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統。它可以根據特定的應用做輕量化的定制，支持多種CPU架構。支持Visual Basic.NET，Visual C#，Embedded Visual C++等開(kāi)發(fā)工具。Windows CE繼承了傳統的Windows圖形界面，在微機Windows平臺上的應用軟件只需簡(jiǎn)單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續使用，通過(guò)WinCon-8000提供的WinConSDK，在普通微機上利用微軟的Visual Studio．NET和Embedded Visual C++開(kāi)發(fā)環(huán)境直接開(kāi)發(fā)應用程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執行。開(kāi)發(fā)環(huán)境現成、方便，為開(kāi)發(fā)功能強大的圖形應用程序提供了基礎。 WinCon- 8000具有VGA接口，允許用戶(hù)用LCD監視器去替代HMI顯示，支持Ethernet、USB、鍵盤(pán)、鼠標和CF卡。設有RS 232、485串口，支持多種I／O模塊，如I-7000，I-8000，I-87K的擴展I／O模塊，支持計時(shí)計數器／頻率計。選用WinCon- 8000作主控制器，為在車(chē)上進(jìn)行數據分析提供了方便。使記錄的數據既可以傳送到地面微機上分析，也可以在機車(chē)上插上顯示器和鍵盤(pán)后直接監視和處理，便于 在車(chē)上即時(shí)維護與調試。 2.3.2 模擬量輸入通道 本系統中需要測量的模擬量有：1～6電機分電流、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、柴油機轉速等14個(gè)模擬量。 機車(chē)上使用的模擬量輸入模塊應該是以抗惡劣環(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的主機連接，在應用程序中直接通過(guò)WinconSDK動(dòng)態(tài)連接庫函數操作I-7018工作。本機使用了2塊i- 7018模塊實(shí)現14路模擬量輸入。 2.3.3 開(kāi)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通道隔離數字量I／O)模塊作為開(kāi)關(guān)量輸入通道。 本裝置中需要采集的開(kāi)關(guān)量有差示壓力、水溫、固定發(fā)電、空轉、主回路接地、主回路過(guò)流、本車(chē)卸載、故障勵磁等8個(gè)開(kāi)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 為采集機車(chē)柴油機轉速，需要速度采集通道。選用泓格I-8080(4通道計數頻率器)模塊一塊，采集機車(chē)柴油機轉子輸出的脈沖，根據頻率計算出轉速。 2.3.5 面板I／O模塊 本控制器包括4個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)，分別用來(lái)控制設備實(shí)現備份、轉存、復位、本地輸出等操作，設置了8個(gè)代表設備工作狀態(tài)及報警信息的指示燈。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，需要對其輸出進(jìn)行二級繼電放大。我們選用I-7050(7通道開(kāi)關(guān)量輸入／8通道開(kāi)關(guān)量輸 出模塊)作面板I／O模塊，可以直接驅動(dòng)24 V的面板指示燈。 2.3.6 485-232轉換器 本采集儀與機車(chē)上原有的TAX箱配合工作，為及時(shí)接收TAX箱數據，避免與I-7018，I-7050共用總線(xiàn)，使用I-7520模塊將TAX箱輸出RS 485數據轉換成RS 232協(xié)議通過(guò)WinCon-8000底板上的RS 232口接收。 2.4 電源與機箱設計 系統其他模塊包括電源轉換模塊(ph75s 110-24)1個(gè)，轉速開(kāi)關(guān)量調理板1塊，信號調理板1塊，機箱1個(gè)，航空插座4個(gè)，按鍵開(kāi)關(guān)4個(gè)，指示燈8個(gè)。 本檢測裝置使用31 cm×24.5 cm×19.5 cm工業(yè)機箱，機箱外置全部鍵盤(pán)、顯示器、鼠標等插座。面板上置8個(gè)指示燈指示設備運行狀態(tài)轉錄狀態(tài)，面板上置4個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)控制數據轉錄操作等。通過(guò)4個(gè) 航空插座連接現場(chǎng)全部數據采集點(diǎn)。為避免影響機車(chē)原信號系統，信號采集采用高阻抗輸入電路，采取了一系列信號的隔離、放大、變換及傳輸措施。例如在一些高 速、干擾強烈的信號通道增設隔離變壓器將信號源與電氣回路隔離，通過(guò)設計濾波電路抑制電源干擾，大大減少了裝置死機的可能，提高了裝置的可靠性。 本系統改變傳統的總線(xiàn)+數據采集板的設計思想，采用模塊化設計。將各個(gè)采集通道分別隔離，信號相近的通道組成模塊，模塊之間、模塊與主控單元之 間通過(guò)通信總線(xiàn)方式連接，保證了各通道、各模塊和主控單元的獨立性。便于系統的擴展、升級，適應各種型號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(xiàn)排取信號，經(jīng)信號調理后分別交由相互隔離的通道模塊傳送給主控制器，運用W-8331提供的看門(mén)狗設計提高系統軟件的可靠性。 3 系統軟件設計 軟件由機內數據采集軟件、車(chē)上數據分析軟件和地面數據分析軟件三部分組成。 3.1 機內數據采集軟件 機內數據采集軟件與車(chē)上數據分析軟件使用Visual C#編程，利用WinConSDK函數庫來(lái)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 普通微機上利用微軟的VisualC#開(kāi)發(fā)環(huán)境直接開(kāi)發(fā)機內數據采集程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執行。 機內數據采集軟件驅動(dòng)各I／O通道每1 s采集一次各信息點(diǎn)的數據，同時(shí)接收一條TAX箱的數據，組成一幀長(cháng)度為120 B的記錄。以TAX箱輸出的時(shí)間為標準的時(shí)間，根據精度需要每1～10 s記錄一幀數據。若兩次采集的數據變化不大時(shí)，每10 s種記錄一幀數據；若兩次采集的數據變化較大時(shí)，每1 s記錄一幀數據。存儲一幀數據所需的存儲空間為120 B，當存儲器快滿(mǎn)時(shí)，依照先進(jìn)先出的數據備份策略淘汰最先記錄的數據，保證始終記錄著(zhù)最近幾天的數據。 3.2 車(chē)上數據分析軟件 受 W-8331模塊資源的限制，車(chē)上數據分析軟件主要是將采集的數據實(shí)時(shí)顯示與判斷報警。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 信號點(diǎn)的實(shí)時(shí)數據。當采集的信號大于設定值時(shí)，采用聲、圖、指示燈報警。車(chē)上數據分析軟件可以在鼠標的操作下回溯顯示之前的任意時(shí)刻的參數，便于機組人員 在車(chē)輛運行現場(chǎng)了解機車(chē)運行狀態(tài)，供現場(chǎng)維護分析及處理決策。本裝置可以不帶顯示器和鼠標，此時(shí)靠裝置上的4個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)操作轉錄控制，通過(guò)指示燈及聲音報 警。
通過(guò)U盤(pán)轉錄將數據轉送給地面計算機，地面計算機運行地面數據分析軟件，讀取U盤(pán)的原始數據，進(jìn)行數據格式校驗，挑出不全的記錄，按司機號或時(shí) 間分段，進(jìn)行機車(chē)運行工況參數曲線(xiàn)繪制。該軟件采用Delphi開(kāi)發(fā)，繪制帶有時(shí)間標的機車(chē)各參數運行曲線(xiàn)�？砂磿r(shí)間、公里標等對記錄的數據進(jìn)行檢索、查 詢(xún)。運行曲線(xiàn)提供橫向及縱向數據比較在內的各種數據回放分析模式，使記錄數據可視化，真實(shí)再現運行狀態(tài)下機車(chē)的各種工況信息，讓地面分析人員形象直觀(guān)地判 斷機車(chē)運行狀況，為機車(chē)的檢修提供科學(xué)的依據。 本采集儀記錄的數據還可以通過(guò)數據格式轉換程 序轉換成其他地面處理軟件需要的數據格式，為用戶(hù)采用其他商品化的地面數據處理軟件提供方便。同時(shí)，地面數據分析軟件向維修信息庫提供數據。 4 結 語(yǔ) 采用通用的功能強大的工業(yè)級微控制器組成系統，盡管成本高，對機車(chē)這樣的關(guān)鍵性設備來(lái)說(shuō)，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(chē)頭維護數據的采集，在DF4B機車(chē)上進(jìn)行運行試驗考核，運行試驗表明，該系統運行穩定可靠，各項功能實(shí)現良好，達到了預計的設計目標。 |
