（机械电子工程专业论文）基于gprs的电力机车运行状态远程监测系统.pdf

中文摘要 中文摘要 机车运行状况直接关系到铁路行车的安全，而机车运行状况的监测与机车维 修是保持机车良好状态的有力保障。现在国内常用的机车检修机制为“定期检修”， 这种维修方式不但检修成本高，而且容易使机车带病运行，与铁路运行对“安全 的要求相背离，所以根据机车运行状态而进行的“状态维修”就显得非常重要。“状 态修”需要大量的机车运行状态参数作为分析依据，因此对机车进行实时状态监 测、数据处理和故障的诊断的研究具有重大的意义。 本文以韶山4 b 型电力机车为例，设计了一种基于g p r s 技术的电力机车运行 状态远程监测系统。 论文首先叙述了电力机车运行状态监测系统的整体结构及实现方法，重点论 述了车载系统的硬件设计方案，包括车载主机和外部数据采集器的设计，以及数 据的记录和转储方式，并随后介绍了基于g p r s 无线网络的通讯方式，实现了车 载主机与地面系统的实时通信。 其次，本文建立了基于规则、正向推理、宽度优先搜索策略的电力机车故障 诊断专家系统。通过对s s 4 b 电力机车电路的分析，构造了便于进行故障诊断的逻 辑故障树，同时提出了基于粗糙集理论的知识库生成方法，解决了故障源多且关 系复杂的故障诊断问题。 最后论述了系统的可靠性设计，通过硬件抗干扰措施和软件滤波技术提高了 系统的可靠性。 论文完成了电力机车远程状态监测系统的软硬件设计、远程监控以及设备状 态分析系统的整体调试工作，实现了预期的功能。 关键词：电力机车，状态监测，无线通讯，故障诊断，专家系统 分类号：u 2 6 0 5 + 4 a b s t r a c t a bs t r a c t t h el o c o m o t i v er u n n i n gs t a t ei sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h es a f e t yo fr a i l w a yo p e r a t i o n s t h eq u a l i t yo fl o c o m o t i v ec a nb eg u a r a n t e e db yt h em o n i t o r i n go ft h el o c o m o t i v e o p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fl o c o m o t i v e s i nc h i n a ，p e r i o d i cr e p a i ri su s u a l l ya d o p t e d i nt h em a i n t e n a n c es y s t e m t h i ss y s t e mw o u l dn o to n l yg e n e r a t eh i g hm a i n t e n a n c e c o s t ，b u ta l s ot e n dt om a k el o c o m o t i v er u n n i n gw i t hf a u l t s ，w h i c hg o e sa g a i n s tt h e s e c u r i t yr e q u i r e m e n t so fr a i l w a yo p e r a t i o n s t h e r e f o r e ，r e s e a r c hw o r kf o rr e a l t i m e m o n i t o r i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n df a u l td i a g n o s i sb e c o m e sm e a n i n g f u l ar e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fe l e c t r i cl o c o m o t i v es t a t eb a s e do ng p r si s d e s i g n e di nt h et h e s i s a n ds h a o s h a n4 be l e c t r i cl o c o m o t i v ei su s e da sa ne x a m p l e t h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o df o rt h em o n i t o r i n gs y s t e ma r e d e s c r i b e di nt h et h e s i s t h ed e s i g no ft h eo n b o a r ds y s t e mh a r d w a r ei sd i s c u s s e d ， i n c l u d i n gt h ed e s i g n so fm a i ns y s t e m ，e x t e r n a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma n dt h ew a y t o s t o r ea n dd u m pd a t a t h e nt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e no n b o a r ds y s t e ma n dg r o u n d s y s t e mb a s e do ng p r sw i r e l e s sn e t w o r k i sd e s c r i b e d s e c o n d l y ，af a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o re l e c t r i cl o c o m o t i v ei sd e s c r i b e da n d r e a l i z e di nt h et h e s i s t h ee x p e r ts y s t e mi sb a s e do nr u l e s ，p o s i t i v ec o n s e q u e n c ea n d b r e a d t h - f i r s ts e a r c h t h r o u g ha n a l y z i n gt h ee l e c t r i c a ls y s t e mo fs s 4 bl o c o m o t i v e ，f a u l t t r e e sh a v eb e e nc o n s t r u c t e di no r d e rt oa n a l y z ea n ds e a r c hf a u l t a n dam e t h o di s b r o u g h tu p ，w h i c hc a ns o l v et h ef a u l td i a g n o s i sp r o b l e mo fm a n yf a u l ts o u r c e sa n d c o m p l e xl o g i ct og e n e r a t er o u g hs e t - b a s e dl o g i c a lr u l e s a tl a s t ，t h er e l i a b i l i t yd e s i g ni sd e s c r i b e di nt h et h e s i s t h eh a r d w a r ea n t i - j a m m i n g m e a s u r ea n ds o f t w a r ef i l t e r i n gm e t h o d sa r ea d o p t e di nt h es y s t e m t h et h e s i sc o m p l e t e dt h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a l s ot h et e s to f r e m o t em o n i t o r i n ga n de q u i p m e n ta n a l y s i ss y s t e mh a sb e e nd o n e t h ed e s i r e df u n c t i o n h a sb e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：e l e c t r i cl o c o m o t i v e , s t a t ed e t e c t i o n ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，f a u l t d i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m c 1 a s s n 0 ：ij 2 6 0 5 “ v l l 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：石也 签字日期： l 。g 年f 月t 日 7 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：厶d p 年月侈日 导师签名： 龋 签字日期：j - i d p 年衫月矽1 7 1 致谢 本论文的工作是在我的导师余祖俊教授的悉心指导下完成的，余祖俊教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 余祖俊老师对我的关心和指导。 史红梅老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向史红梅老师表示衷心的谢意。 朱力强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 同时，我要感谢在项目完成工作中给予我极大帮助的郭保青师兄、时玮同学、 司伟同学。 在实验室工作及撰写论文期间，微机测控实验室的全体研究生同学对我论文 中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 绪论 1 绪论 本课题主要针对于国内机务段工作维修水平较低，智能化监测程度不高的现 实问题进行了探讨、研究，提出了可行的方案设计，并且进行试验、验证。本课 题研究的意义就是实现信息采集的自动化、智能化，推进整个机车维修的现代化 进程，弥补国内这一领域的不足，提高电力机车检修水平，确保机车的运行高效、 安全。 1 1 课题的背景和意义 铁路在我国交通体系中占有重要的地位，铁路运输是国民经济的命脉。但长 期以来，我国铁道车辆一直处于运行速度不高的状况。2 0 0 0 年以后，随着国民经 济的迅速发展，我国铁路也明显加快了以高速、重载、安全为主题的发展步伐， 各种快速车辆、重载货车等不断投入运营，我国铁路已经完成第六次大提速。但 是伴随着这些新的发展，对车辆的设计、维修、运营管理等提出了一系列新的问 题吐 我国铁路尽管承担了全国运输量的6 0 - 7 0 ，但仍不能满足运量的需求。而机 车检修能力不足和检修机制落后等问题日趋突出，己经成为制约铁路高效安全运 行的关键因素。 本文根据在西安机务段和成都机务段调研中发现电力机车的维修方式都是计 划修，包括： 定修：机车运行的公里数达到一定，返回机务段，进行整车的所有设备检修 和更换。( 时间长达两个月左右，又称为大修) 零修：机车在运行中设备发生了故障，司机记录并与地面中心联系，机车返 回机务段，工作人员对故障设备进行维修更换。 辅修：机车在返回车库后，检修人员对机车的主要部件：劈相机，整流器， 电阻制动等进行模块式的更换，检验，维修。 那么由于上述维修方式，给电力机车的维修和运营造成了以下几个问题： 1 维修时间长：以s s 4 b 为例，机车的一次定修需要一个月，导致运营时间 缩短，运输成本提高； 2 耗费大量人力物力：机车的定修按照各段修理规程，工作人员需要将机车 所有设备进行彻底的定性检修，对某些特定设备部件更换。但是在机车达到定修 公里数时候，并不是所有的设备部件都需要检修，也不是特定部件都已损坏需要 北京交通人学硕十学位论文 更换，那么这样一来，就出现了人力和物力的浪费，同时也增加了运输成本； 3 缺乏实时性，机车行车故障不能得到预防和及时有效的处理。机车设备出 现异常，一部分由机车微机柜反映出来，一部分由司机通过设备的工作情况鉴别 出来，然后由司机通过电话的方式与地面分析、维修中心联系，报修。机车的绝 大多数状态参数特征只有在机车运行的动态过程中，才会有真实的表象，而且有 些设备的故障也只有在机车长时间运行的条件下才会发生。然而现有的系统不能 实时的反映机车运行过程中的真实状态； 4 机务段在对行车司机进行每月的考核评比中，只是对已发生事故的司机进 行相应的处罚，而对司机的一些未产生事故的违规操作则没有记录，这样考核缺 乏了科学的数字依据，也容易使司机的误操作产生事故的隐患。 要解决这一系列问题，就要依靠科技的进步，发展适合我国国情的机车状态 监测与故障诊断技术。机车故障的种类是渐变的，但是各类故障在发生之前存在 着一个较长时问的发展过程，机车上现有的模拟和数字仪表，主要是用来显示机 车当前参数的，它不能记录和反应机车各参数的发展过程，也没有对各参数进行 实时的监测和诊断。因此，随着机车状态检测和维修技术手段的不断发展，需要 对机车随车的动态信息进行实时监测和诊断记录，对故障发展的过程进行监控， 及时诊断和报警，提醒司机进行正确的判断和处理，防患于未然，大大减少机车 故障、损坏和事故的发型川。 要实现车辆的状态修，首要的任务就是对车辆的运行状态进行实时的监测， 并将检测到的机车运行参数实时的传回地面系统，这样地面分析系统对机车故障 的诊断才有据可依。本文的电力机车运行状态监测系统就是为了检测机车运行过 程中状态参数，保存监测到的数据进行，同时还将监测到的故障数据实时的发给 地面故障分析系统，并对故障进行准确定位。 综上所述，机车的运行状态的实时监测、发送和对状态参数进行故障分析， 对实现机车的状态修，提高机车运行安全，实现高效的运营管理等具有实际的意 义。 1 2 电力机车实时监测技术的研究现状 1 2 1 国外技术发展现状 在国外一些铁路发达国家，随着本国铁路的高速化、现代化和光纤通信、计 算机、信息传输、传感器与信息处理等新技术的发展，为了保证列车的安全可靠， 大都进行了机车车辆状态监测和控制技术的研究和发展【3 1 。 2 绪论 国外对无线列车监控系统的研究己有多年的历史，并己设计和开发出许多系 统。 为了实现无线机车监控，欧洲铁路联盟研究所( e r r i ) 于19 9 5 年研制成功了使 欧洲铁路统一通信信号的g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 铁路移动通信系统标 准。g s m r 完全汲取了g s m + 多年来的发展成果，又专门针对铁路的各种不同需 求开发了许多专用功能，并提供铁路特有的调度业务，将现有的铁路通信应用融 合到单一网络平台中，并以此为信息化平台，使铁路部门用户可以在此信息平台 上开发各种铁路应用。g s m r 能满足列车运行速度为0 - 5 0 0 k m h 的无线通信要 求，安全性好。 在g s m r 研制成功并大范围投入应用后，基于铁路专用无线通讯系统 g s m r 的机车列车的机车车辆状态监测技术的研究已经非常普遍，其中欧洲各 国和日本的“设备状态的动态检测与监控系统”运用的比较成功。 法国t g v 高速列车上的车载监测设备t v m 3 0 0 或t v m 4 3 0 型机车信号、故 障监测和诊断装置采用了光纤通信技术，将列车重要零部件、牵引电动机、齿轮 变速系统等设备的状态信息、运行工况以在线方式及时传输到司机操纵室，司机 可以随时了解整个列车关键设备的状态，有助于发现设备故障，及时维修处理， 防止各类事故。同时列车使用s r m 3 5 0 0 车载通讯电台通过无线通讯网络将列车 运行参数及时的发送到地面监控中心，地面中心可以对机车的进行实时的监控。 德国i c e 高速列车自检系统的每一个用电子控制的子系统都具有自诊断功 能，这些子系统通过光缆连接到车载微机控制系统上，在列车运行过程中不断检 测列车的运行状态及机车车辆、电器和机械方面的故障，记录发生的不正常现象， 其数据可存储也可用文字或图形显示。一旦发生故障，该系统不仅可以报警，同 时向司机提出处理建议，还可以通过列车与地面之间的无线通讯系统将检修所需 的重要诊断数据传给有关的检修段，列车进段后就可以立即检修；在速度进一步 提高至高速领域后，为了避免车辆的性能降低甚至失效而导致车辆失稳，欧洲规 定在高速列车转向架上需要安装加速度计以监测当监测到转向架构架的横向加速 度值超过一定的数值时发出报警1 4 j 。 在高速铁路十分发达的日本，西日本铁路公司( j r ) 在2 2 1 系以后的所有新造 车辆上均安装了t i s ( t r a i ni n f o r m a t i o ns y s t e m ) 监控装置，用来及时掌握车辆的运 行状态。司机室设有速度控制屏、运行监控屏、设备故障自动诊断装置等，能随 时对车辆设备进行动态监测，自动显示出故障准确部位。科学的管理，加上现代 化的监测、运行控制体系，确保了日本高速铁路运营逾3 0 年无行车事故【川。 综上所述，国外的机车运行状态监测系统有以下两大技术优势： 1 通过车载监测系统对机车的设备进行实时的状态监测，驾驶司机能随时了 北京交通人学硕士学位论文 解机车n 车的各个关键设备的运行状态，发现故障并且及时的处理。 2 车载监测系统可以通过无线通讯网络将机车的运行状态和故障信息及时的 传送到地面监控中心，地面监控中心能随时掌握机车的运行位置、电气设备的工 作状况，同时对接收到的故障参数进行分析使维修部门能够迅速的给出维修方案。 1 2 2 国内技术发展现状 国内的机车运行监控装置的研究开发从1 9 9 0 年开始，1 9 9 5 年起形成全路普 及使用的规模。机车运行状态监控装置又称为火车头上的“黑匣子”，能对列车运 行速度、司机操作过程及运行中的有关数据等进行记录、监控。目前机车上普及 使用的监控装置主要有株洲电力研究所研制的l k j - 9 3 型列车监控装置和于9 8 年 1 1 月研制成功t a x 2 型机车安全信息综合监测装置。 l k j 9 3 型列车监控装置通过各种传感器去采集机车运行状态的变化和相关 的信息。此装置通过机车信号感应器去获取地面轨道电路中传输的色灯信号信息； 通过压力传感器获取机车风管压力信息；通过机车的转速传感器测得轮对转速。 此外系统还采集很多机车司机操作的指令信息。所有的信息被装置记录起来，当 机车回段后进行数据转储，从而实现对运行信息的全记录。 t a x 2 型机车安全信息综合监测装置是集各种与机车运行有关的信息检测和 数据记录设备于一体的综合性信息监测装置，俗称信息工作平台。它将各检测设 备以标准模块单元插件的形式置于工作平台( 即t a x 2 主机箱) 中，由该工作平 台中的通讯记录单元插件一方面通过实时获取列车运行监控记录装置( l k j 9 3 ) 采集的时问、公里标、速度、车号和车次等重要列车运行信息；另一方面综合各 功能模块单元检测到的信息，以统一的时间、公里标作为基准座标进行记录，记 录的格式与l k j 9 3 监控装置的数据记录格式相同，可以用监控装置转储设备进行 记录数据的转储，并利用其地面处理软件进行地面分析处理和数据管理。 在2 0 0 0 年5 月我国组建了国家铁路智能运输系统工程技术研究中心r i t s c “( t h ec e n t e ro fn a t i o n a lr a i l w a yi m e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e me n g i n e e r i n ga n d t e c h n o l o g y ) ”，这标志着我国在此方面的研究进入了新的阶段，现在各科研院所及 铁路运用部门也越来越重视机车运行状态的实时监测工作。但是我国目前还没有 一套比较全面的机车运行状态监测及专家诊断系统得以应用，而且在这方面的研 究只是处于起步阶段。当前国内铁路中有以下两种大类的电力机车监测装置被应 用于电力机车的状态监测【6 j ： 1 部分机务段与当地的公司共同研发的机车监控装置，对机车运行中的数据 进行分析处理，但没有地面中心远程实时监测的问题。例如：成都机务段和成都 4 绪论 运达科技有限公司共同研制开发的车载状态监测及故障分析系统，该系统可以采 集电力机车的运行状态并分析设备的故障参数。系统采用a r m 作为系统主处理 器，使用大容量的存储器，可以高频率的采集、记录状态参数，并实时的处理、 分析故障数据。但是系统采集的参数不能实时的传送给地面的机务段，机务段也 无法实时掌握机车的运行状态和相关信息。 2 还有一部分机车运行监测装置能够对机车部分运行状态进行监测，并实时 的将状态参数发送给地面，但此类装置没有实现针对机车主要设备的监测。 针对上述国内电力机车监测系统的缺点，本文设计了基于g p r s 的电力机车 运行状态远程监测系统。此系统对运行中电力机车各种状态进行实时监测，将采 集的的数据储存起来，实时将故障数据发送至地面系统，地面系统及时分析数据 并准确的诊断对故障位置。大量的数据采集分析处理，为行车优化曲线的描绘以 及机车的“状态修”提供科学的原始数据。 1 3 课题的研究内容 根据对国内外电力机车实时监测技术现状的分析，为了实现电力机车运行状 态的实时监测和对故障的及时分析和处理，应用g p r s 无线通讯网络对机车状态 参数进行实时的传输。 本系统的任务是针对s s 4 b 型电力机车，构建一个实时监测系统，从而能够 在机车运行过程中实时地监测到影响机车安全运行的各部件工作状态。机车正常 运行时系统不向地面系统发送机车运行信息和设备状态信息；当机车设备发生故 障时，系统较高密度向系统传送采集到的故障数据，地面数据分析系统就会向调 度室和检修车间提供机车故障信息并提出合理解决方法，从而实现机车各部件的 状态修。 根据系统的预期功能，针对s s 4 b 电力机车的自身特点，系统的设计重点有 以下几个方面： 1 分析s s 4 b 机车的主要运行参数，并根据这些参数的特点和分布情况决定 需要采集的参数和采集位置； 2 针对采集参数和采集位置，设计包括：上位机、外部数据采集器和车载系 统中各模块之间的通讯网络。车载系统能够实现机车运行状态参数的信号采集、 调理、记录、发送、转储等功能； 3 车载系统的软件设计，要对机车上不同部件的运行状态参数具有选择性， 系统对采集到的各种信息进行判断，如果是在正常范围内的信号就不必把采集的 所有数据向地面进行传输，只有当机车上有部件发生故障时才会把采集到的故障 北京交通人学硕十学位论文 数据不断地向地面系统发送； 4 选择车载系统与地面系统之间的无线通讯网络，同时选择相应的通讯模块； 5 设计设备状态分析专家系统，确定专家系统知识的获取方法，形成知识库、 建立推理机，分析故障诊断过程。 6 电力机车实时监测系统的总体方案设计 2 电力机车实时监测系统的总体方案设计 2 1 系统的结构 电力机车状态实时监测系统包括三大模块：车载装置、无线传输网络和地面 数据接收与分析系统，如图2 1 所示。 机车主要部件运行 信息及故障信号 用于能耗监测的电 压、电流信号 、 、 z 乙 机车运行位置经纬j 度 机车的运行信息 无线遁讯喇络 乏圣一 地面 析 8 路局 8 机务段 8 供电段 图2 1 系统结构图 f i g 2 1s t r u c t u r eo f t h es y s t e m 监测系统的数据来源有四处： 1 从微机柜得到的机车主要部件运行状态和主要部件的故障信号。在车载系 统中设计了外部数据采集器，它能从电力机车上的微机柜输出口得到这些用于监 测的重要信息，例如：牵引电机的电流电压、网压等、励磁电流等。外部数据采 集器将采集到的机车运行状态参数组成数据包发送给车载系统的上位机。 2 从t a x 2 箱获取的机车的运行信息。这些信息是分析机车运行状态时所需 的用于比较标准的数据信息，包括车次、站号、公里标、司机号、公里标、时间、 时速以及机车编号等。 3 从机车主变压器次边的电压、电流互感器得到电压和电流，通过分压和互 感器输入车载设备，从而得到机车的能耗。机车能耗的改变可以反映出机车运行 状况的变化。 7 北京交通人学硕十学位论文 4 车载系统通过g p s 模块获得准确的机车运行位置的经纬度信息，以便准确 实时的反应机车的运行位置。 在此系统中用于数据采集、储存的车载监测系统是整个系统的数据来源，是 整个系统的一个重要的子系统，它承担着从信号源处提取信号、对信号调理、将 信号处理和存贮等一系列任务。 从车上到地面的数据发送则是基于g p r s 无线通讯网络。 地面系统则承担着完成信息的接收分析和故障诊断的功能。 2 2 系统的主要功能 2 2 1 车载系统的主要功能 车载子系统的主要功能是监测机车的各主要部件的运行情况，同时通过与 t a x 2 型机车安全运行信息检测装置通讯来获取所需要的机车运行信息。车载子系 统还可以对机车的能耗进行监测，并通过g p s 模块获取机车运行位置的信息。车 载子系统按照预定的格式把记录的数据通过i c 转储或是将故障数据通过无线网络 传送回地面系统，具体的功能介绍如下： 1 机车主要部件的运行状态采集 通过车载系统的外部采集器完成机车运行状态的采集，主要目的是能监测机 车各个主要部件在运行中的状况。采集到的数字量和模拟量通过信号调理，输入 外部数据采集器，由c p u 将采集到的信号以固定的格式组成数据包，发送至车载 系统的上位机。 2 能耗监测 能耗子系统设计的主要目的是监测机车的能耗，通过对机车运行中能耗的监 测，地面系统可以分析出机车车质状况的改变v j 。车载装置可以通过车载系统中的 专用测量芯片监测机车的有功消耗、无功消耗。 3 采集机车运行参数 车载系统在监测机车运行状态的同时，还采集当前机车的运行状态参数，包 括月日、时分秒、实速、车次、机车号、司机号、副司机号、工况、管压等机车 运行信息，这些信息参数为数据的记录提供了坐标基准，为地面数据软件的分析 提供了数据来源的保证。 4 机车位置信息采集 将g p s 模块提供的信息，发送到车载系统上位机的c p u ，由c p u 从g p s 数 据中间取出机车的经纬度坐标。当g p s 没有信号时，可以通过t a x 2 箱记录的公 电力机车实时监测系统的总体方案设计 里表和车站号，来辅助确定机车的位置。 5 数据的记录 在完成所有的参数采集之后，车载子系统把这些信息按照约定的格式记录存 贮在车载装置里的存储器中，系统会通过无线网络或是i c 卡将这些数据转储到地 面数据接收及分析系统，地面系统就可以实现机车运行状态的分析、存储及历史 数据回放，并且为状态修提供原始数据。同时车载系统可保证能够连续记录最近9 天的数据，防止在无线网络出现问题的情况下数据丢失。 6 数据的转储和传输 本装置目前对数据的转储和传输主要有两种方式。一种是基于g p r s 的无线 传输方式，这种方式传输速度快，不需要人的参与，不受地域和距离的影响，可 以使地面中心及时准确地获得当前机车的状态和位置等信息，但是费用相对比较 高，日常使用需要不断的付费；另一种方式是i c 卡方式，这种方式速度慢，相对 比较落后，需要人的参与才能完成。 2 2 2 地面数据中心的主要功能 地面系统的主要功能是接收、分析车载装置发送到地面的数据确定故障的位 置，将结果存入数据库中，通过大量数据积累后总结出最优的行车操作曲线。 地面系统的具体功能： 1 数据的接收 地面数据接收中心的电脑有固定的i p ，在车机实时监测的无线通讯模块中把 该i p 地址设定好，装好s i m 卡之后，只要把地面系统的计算机接入i n t e m e t 网络 之后就可以把车机车实时监测装置终端通过无线网络发送的数据接收到，同时存 储到地面数据库中。 2 动态数据显示 地面数据中心通过网络可以接收到机车实时监测装置终端发送的数据，在存 储到地面数据库中的同时还会在地面数据中心的控制显示介面上动态显示出接收 到的数据包中的按照传输协议解析出的信息，及诊断出的机车具体故障。 3 机车运行中发生故障的运行位置 车载系统向地面数据中心发送的含有故障的数据包中有机车当前的运行位置 经纬度信息，地面中心根据约定的协议，可以从机车发送回来的数据中解析出来 记录和发送该包数据时机车所处的位置，根据这些数据里包含的机车经纬度位置 信息，还有当时的机车运行速度和公里标等信息，地面数据中心就可以判断出机 车较为精确的位置，地面调度和监控人员也能比较及时准确的掌握机车的正常运 9 北京交通人学硕+ 学位论文 行信息，为调度管理机车和司机提供了良好的保证条件。 4 故障诊断 地面中心接收到车载系统发送的机车实时运行参数后，通过专家系统进行分 析，及时判断出机车上发生故障的具体位置或具体部件，可以通知驾驶司机和乘 务人员及时的对故障进行处理。 5 机车运行优化曲线 机车运行的距离达到一定长度之后，地面系统数据库就会记录了较多的数据。 通过数据积累，地面分析软件通过选择比较，在大量信息中总结出最优的行车操 作曲线，把这些行车操作曲线提供给司机就可以指导司机比较合理正确的操作。 2 2 3 通讯网络的功能 通讯系统可以选用的通讯网络主要有g s m r 和g p r s 网络，但无论选用哪一 种，无线通讯网络的功能都是实现车载系统和地面系统之间的通讯p j ，车载状态监 测系统发送到地面系统的数据，地面系统对车载监测装置终端设备的远程控制命 令等信息都是通过无线网络来实现的。 根据传输费用的高低和传输的实时性的好坏，论文选用g p r s 无线网络作为 车载系统和地面系统之间的通讯网络。车载系统使用专门的g p r s 无线通讯模块 发送数据，需要发送故障数据时，车载系统把数据发送给无线通讯模块，地面接 收装置接收完毕后把数据发送到i n t e r n e t 公网上，数据传输就由公网传输网络实现， 地面系统接入网络之后就可以接收到车载系统发送的故障信息。 2 3 系统的主要特点 电力机车运行状态实时它具备以下几个特点： 1 车载系统可以采集机车主要运行状态的参数 车载系统可采集机车实时运行状态参数和相应的运行信息，包括牵引电机的 工作状态、整流器、逆变器、主回路短路或者接地、网压、两种制动状态、电机 电流电压等二十几个主要参数及各种主要设备故障信号；及t a x 箱提供的运行信 息。 2 车载装置可以测量有功功率和无功功率 通过车载系统对机车运行能耗的监测，地面分析系统可以通过对有功、无功 功率的比较和分析，判断出机车的供电、牵引系统的性能和工作状态的改变，从 而对判定机车车质的好坏起到很大的作用。 1 0 电力机车实时监测系统的总体方案设计 3 地面接收系统可充分利用地面的计算资源和技术资源 地面接收系统对机车实时运用数据进行分析处理，为机车的安全无故障运行 提供保障。故障诊断分析系统在完成故障的诊断后，通过人机界面将诊断结果供 维修人员查询。 4 不影响电力机车安全运行 本系统的最终安装使用将是在不影响电力机车安全运行的前提下进行的，包 括本系统正常运行时和本系统出现故障时。 5 建立机车运行状况分析信息系统 机车实时监测装置在牵引重量和线路状况已知的条件下，与机车的车况有很 大的关系，车载监测系统获得机车各主要部件工作状况，同时可以通过实时监测 机车的能耗来分析机车的车况，为机车车况检修提供科学的监测数据。 6 系统具有优良的可扩展性 系统使机车实现状态修所需的不断扩大的机车部件的信息量能够在后续的系 统维护中方便扩容。 北京交通人学硕十学位论文 3 电力机车状态监测车载系统的功能实现 电力机车状态监测车载装置采用m o t o r o l a 单片机作为中央处理单元，车载系 统的主要目的是采集到机车运行途中，机车的主要部件的工作状态参数，记录下 来并且将故障数据实时发送给地面系统。 因为采集的参数要能够反映机车各设备状态的发生的时间、地点、机车的工 况、能耗等信息，给地面分析系统做比较标准，车载装置在采集状态参数的同时， 也会采集当时机车的运行信息，比如：时间、公里标、有功电量及无功电量等； 完成数据的储存后，车载系统会通过g p r s 无线通讯网络把当前记录的数据实时 发送到地面系统。 根据前面介绍的系统总体方案设计，从车载系统的框图可以看出，车载装置 有以下四种功能：参数的采集调理、参数的处理、参数的记录与存储和参数的发 送。 i c 卡转存 t 厂土系纠 、 肌管信b lilw t _ m l 。l f l a s h lr 蝴引17 届“讶i lm c 9 s 1 2 a 6 4 一| ( k 9 n 2 0 8 咖 厂机乍能耗采菇、 电流信 - 电流 f i 感 器能耗采 光耦隔 集，离，一j 电压信分瓜 s a 9 9 0 4 b( 6 n 1 3 7 ) -_-_ 弓 电路 m a x 4 8 5 ，电半m a x 2 3 2 ，电平 m 2 j z 转换转换 电半转换 tj m a x 3 1 0 0 串m a x 3 1 0 0 串口 i p k s 尼 n 扩腱l扩展2 线实时 传送 - 。 占 l i 地面接收装骨及显 ，j 系统 7 外部数扣：采集系统、 f 1 机乍卡辅 电路状态 电机状态制动系统 卡变爪器 g p s 定位 参数l ：作状态状态 参数 图3 1 车载装置的功能框图 f i g 3 - 1d e v i c ef u n c t i o ns t r u c t u r e 1 2 电力机车状态监测车载系统的功能实现 3 1 中央处理单元的选择 车载装置的中央处理单元采用m o t o r o l a 单片机m c 9 s 1 2 a 6 4 ，该处理器具有运 行稳定可靠，外围电路简单，i o 口线多，易于操作等特点【9 】。 3 2 机车主要部件运行状态参数采集方案 3 2 ，1s s 4 b 型电力机车主要设备简介 s s 4 b 型电力机车是由株洲电力机车厂和株洲电力机车研究所等单位于1 9 9 5 年1 2 月1 4 日共同研制成功的8 轴重载货运电力机车，它是我国目前国产重载货 运电力机车的杰出代表l iu 。s s 4 b 型电力机车是由多个部分组成的一个系统，主要 由车体、转向架、主变压器、牵引电机、电气线路、制动装置、微机控制装置、 各种高低压电器及仪表等组成。s s 4 b 电力机车上的各种电机、电器设备按其功能 和作用、电压等级分别组成几个独立的电路系统，即主电路、辅助电路、控制电 路。 主电路是产生机车牵引力和制动力的电气设备电路，主要由受电弓、主变压 器、整流装置、牵引电机及有关高压电器组成。它将从接触网汲取的电能转变为 牵引列车的机械能。主电路又可分为网侧电路、整流调压电路、牵引电路、制动 电路以及测量和保护电路等部分。s s 4 b 列车由两节机械、电气结构完全对称的系 统构成，每一节共有4 台牵引电机和一套整流装置，s s 4 b 电力机车主电路中主要 的参数有电网电压、电机电枢电压、电机电流、励磁电流等部分。这些参数有的 供机车控制用，还通过微机柜处理之后作为司机台仪表显示用的信号。 机车辅助电路是指给机车辅助设备供电的电路，主要包括进行单一三相变换 的劈相机、各类风机电动机、空气压缩机电动机、油泵电动机、及列车供电的设 备等。辅助电路是保证机车主电路电气设备运行必不可少的电路。此外，辅助电 路同时向微机控制柜发送辅助电路中电气设备是否工作正常的信号。 控制电路就其功能而言是按司机主令对机车进行控制以实现各种工况的电 路，其中有接点设备包括1 i o v 电源，各种主令继电器等；无接点控制电路则包括 机车的微机、信号、通信、故障显示等电子设备电路j 。 机车微机柜是实现控制功能的核心，所以也是机车上各种设备工作参数汇集 的地方，机车上各种检测管理理设备的输出信号均输入到微机柜，由它计算判断 后再去控制机车的主设备。所以系统车载将从微机柜采集机车的主要部件的运行 状态参数。 北京交通大学硕十学位论文 机车电路参数信息主要包括机车主电路测量参数、辅助电路测量参数和控制 电路测量参数。图3 - 2 是微机控制柜布置示意酣8 1 ： 圈图田团图囡 诺 = = 岫 ， 1 层插件箱 掣 边插及内部布线 内部风扇层州 2 层捅件箱 ， 图3 - 2s s 4 b 微机柜图外部接口示意图 f i g 3 - 2s k e t c ho fc a b i n e t i n t e r f a c eo fs s 4 b 1234 a 1 7 0 01 7 8 04 0 0 4 0 0 b1 7 0 i1 7 8 04 0 l4 0 0 c d e f g h i j k l m n 0 p 图3 - 3 微机柜一号插座接口示意图 f i g 3 - 3s k e t c ho ft h e1s ti n t e r f a c em i c r o - c a b i n e t s 因为微机柜为一全封闭的柜体，信号不易从插座或柜体内取出，从结构示意 1 4 电力机车状态监测车载系统的功能实现 图可知，微机控制柜分为主柜和副柜两个部分。主柜内有多个插件，用来完成信 号的输入输出及调整等。副柜面板上装有6 个5 6 芯的对外连接插座，编号为 n 1 0 1 - n 1 0 6 。这6 个5 6 芯的插座是从机车控制柜对机车的连接接口，我们可以从 这些接口中找到所需要采集的信号接口，并从中获得系统所要采集的信号。 3 2 2 机车电路采集参数 本系统是针对s s 4 b 电力机车设计的，s s 4 b 的故障的分类如图3 4 所示【】： 系统故障 l i 微机系统故障 牵引系统故障供电系统故障 机车辅助故障 机车控制故障 ili j -j -_ l上 上上 上上上_ l 电电 励 电 主 l ! 上列 劈 蹙 制 继 磁 机 机机电 电 断变变乍 相 引动 电 流 嘲 路原次供 机 风风 器 过过 流 榭 骶 器边边电机机 流压 过 蔗 故过过绕 故 故故 故 过 障障 障 障 犬 人 障 流载 组 图3 - 4s s 4 b 电力机车故障种类图 f i g 3 - 4t y p e so fs s 4 be l e c t r i cl o c o m o t i v ef a u l tm a p 电力机车上的状态参数非常多，不可能全部检验，考虑到系统本身的复杂性、 实用性，故障多发部位、故障造成后果的严重性，检测后对维修起到依据作用的 实际意义为标准，选择监测的设备参数： ( 1 ) 主电路测量参数；网侧电压、电机电枢电流和励磁电流、电机电枢电压； ( 2 ) 辅助电路测量参数；劈相机状态、辅助电机状态( 包括通风机l 和2 、制 动风机l 和2 、硅风机、变压器风机、油泵、压缩机l 和2 、停止制动、辅助电路 电压； ( 3 ) 控制电路测量参数；主接地、辅接地、原边过流、次边过载、控制回路 接地、微机复位、制动构成、主断合、l1 0 v 电源、1 5 v 电源等。 以上这样分类的原因是从机车组成结构方面来考虑的，这样可以保证监测到 一些重要的状态参数。从系统的设计方案考虑的话，主要分为模拟量、开关量( 状 态量) 采集。 1 模拟量参数采集 车载系统对牵引电机电压、电流、网压及励磁电流进行采集。设计对象s s 4 b 型电力机车的牵引电动机型号为z d l1 4 型，额定电压、额定电流和励磁电流都是 1 5 北京交通人学硕十学位论文 该牵引电机的主要技术参数。 通过对s s 4 b 主电路的分析可知，s s 4 b 型电力机车是由各自独立且又相互联 系的两节机车组成，每节机车上有4 个z d l1 4 型牵引电机，牵引电机的励磁方式 为串励，牵引时励磁电流就等于其电枢电流【i 。因此每节车上要采集的牵引电机 信号包括4 个电机电压信号、4 个电机电流信号和一个励磁电流信号。 模拟量参数采集包括： 四个牵引电机的电流电压、励磁电流。机车主电路中安装了相应的电压传感 器和电流传感器对牵引电机的电枢电压、电枢电流和励磁电流信号进行提取，经 传感器出来的信号输入微机柜经信号调整插件进行调整，调整后的输出信号比例 分别为1 0 v ：2 0 0 0 v 和1 0 v ：2 0 0 0 a ，按此比例关系可求得要采集的电机信号经调 整后都在5 v 左右。 励磁电流由一个机车直流电流互感器得到信号。经互感器出来的信号经微机 柜信号调整插件进行调整，调整后的输出信号比例分别为1 0 v ：2 0 0 0 a 。 2 5 k v 的网压经过高压电压互感器( 2 5 0 0 0 v 1 0 0 v ) 后可得到1 0 0 v 的电压信号， 然后用电压互感器0 0 0 v l o v ) 经导线1 1 0 3 、1 1 0 4 送入微机柜，再从微机柜接口引 出。通过计算可知从电网到端子柜交流电压信号的总变比是2 5 0 0 ：1 ，那么网侧电 压信号，在端予柜内就表现为i o v 的电压信号。 2 开关量参数采集 车载系统所采集的丌关量都是由微机柜采得。 根据辅助电路的输出信号的类型，决定了系统所采集的开关量信号均为机车 设备的工作状态