（测试计量技术及仪器专业论文）东风lt11gt型内燃机车电路仿真系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 东风。，型内燃机车是担当我国铁路提速运输的主要车型之一，机车数量 较多，运用范围较广。电传动系统是机车的重要组成部分，完成机车能量的 转换与传递，实现机车理想的牵引性能，保证机车安全可靠运行。为了使铁 路机务部门的乘务员和技术检修人员能直观、方便地掌握机车电路的工作原 理，本文研制了东风。，型机车的电传动仿真教学系统。 本文首先介绍了课题背景和机车电传动教学系统的现状及发展需求。通 过对东风1 1 型内燃机车电传动系统的分析，提出了对机车电传动系统进行仿 真的简化电路逻辑结构，完成了东风1 。型机车电传动仿真教学系统的设计工 作。本文在v i s u a lc + + 2 0 0 5 的软件平台下开发了机车电路仿真的专用控件， 并且利用专用控件实现了机车电路的动态仿真和故障模拟。仿真计算机遵循 机车电路原理，动态地显示各电路仿真图形，相关电器按照操作指令和逻辑 关系动作，相关电路根据得电情况改变颜色。整个机车电路仿真系统的电路 具有缩放、切换等图形功能，能够满足教学的需要。 论文还对教学系统的故障定位功能做了初步研究。通过将电传动电路转 化为数字电路，并利用数字电路的故障诊断方法进行处理，为以后在线故障 定位系统的研制做了理论探讨。 关键词：机车电路、动态仿真、串口通信、故障诊断、v c + + n e t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 一_ _ _ _ - - 一 a b s t r a c t d f l 】d i e s e ll o c o m o t i v e ，w i t hl a r g en u m b e r sa n dt h ew i d e ru s eo f ，i st h e p r i m a r yt y p ew h o s ev e l o c i t yi se n h a n c e d i nc h i n a t h ee l e c t r i c d r i v es y s t e mi sa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h el o c o m o t i v e ，w h i c hc o m p l e t e st h ec o n v e r s i o n a n d t r a n s f e ro fe n e r g yt oa c h i e v et h ei d e a ll o c o m o t i v et r a c t i o np e r f o r m a n c e ，a n d e n s u r es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no f l o c o m o t i v e i no r d e rt om a s t e rt h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo fl o c o m o t i v e c i r c u i t sf o rl o c o m o t i v ea t t e n d a n t sa n dm a i n t e n a n c e p e r s o n n e lm o r ec l e a r l ya n dc o n v e n i e n t l y , t h es i m u l a t i v ea n dt e a c h i n gs y s t e mo f t h ed f l | d i e s e l l o c o m o t i v ee l e c t r i c d r i v ee q u i p m e n t i sd e v e l o p e d t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e d t h e t o p i cb a c k g r o u n d a n dt h el o c o m o t i v e e l e c t r i c d r i v ea n dt e a c h i n gs y s t e m ss t a t u sa n dd e v e l o p m e n tn e e d s b ya n a l y z i n g o ft h ed f l ld i e s e le l e c t r i c d r i v es y s t e m ，w eg e t t h e l o g i c a l s t r u c t u r eo ft h e s y s t e m ss i m p l i f i e dc i r c u i t s ，a n dc o m p l e t et h ed e s i g n o ft h es i m u l a t i v ea n d t e a c h i n gs y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e s t h em e t h o d sh o wt od e s i g nt h es p e c i a l c o n t r o lu n i t sf o rl o c o m o t i v ec i r c u i t sw i t hv i s u a lc + + a n dt h ew a yh o wt o s i m u l a t et h eo p e r a t i o na n dm a l f u n c t i o no f c o n t r o lu n i t s t h es i m u l a t i o nc o m p u t e r l o c o m o t i v ec i r c u i t sw i t ht h es p e c i a l s i m u l a t e st h el o c o m o t i v ec i r c u i t s s p r o c e s sd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h el o c o m o t i v ec i r c u i t r yp r i n c i p l e t h ec i r c u i t s o ft h el o c o m o t i v ee l e c t r i c d r i v ea n dm a l f u n c t i o ns i m u l a t es y s t e m h a st h e f o l l o w i n gf u n c t i o n s ：z o o m i n gi n o u ta n de x c h a n g i n gt h e c i r c u i tb yt h ec o n t r o l i n f o r m a t i o n t h e s ef u n c t i o n sc a nb ev e r yg o o du s e df o rt e a c h i n g t h ep a p e ra l s od o e sap r e l i m i n a r ys t u d yo nt h em a l f u n c t i o n sl o c a t i n g f u n c t i o no ft h i ss i m u l a t i v ea n dt e a c h i n gs y s t e m b yc h a n g i n gt h ee l e c t r i c d r i v e e q u i p m e n t ，se l e c t r i c a ls y s t e mi n t oad i g i t a lc i r c u i t ，t h em e t h o d o nd i g i t a lc i r c u i t s m a l f u n c t i o nd i a g n o s i sc a nb eu s e da n dat h e o r e t i c a ls t u d yi s a l s od o n ef o r t h e d e s i g no f am a l f u n c t i o nl o c a t i n go n l i n es y s t e m k e yw o rds ：l o c o m o t i v ec i r c u i t 、d y n a m i cs i m u l a t i o n 、s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 、 m a l f u n c t i o nd i a g n o s i s 、v i s u a lc + + n e t 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在五年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：参弓而谱 日期： ) 矿，塞占，7 指导老师虢娟i 珠 醐：沙7 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 本文在v i s u a lc + + 2 0 0 5 的软件平台下，开发了机车电路仿真专用控件，并 提出了二叉树遍历搜索的算法，实现了机车电路的动态仿真和故障模拟。 2 论文还对教学系统的故障定位功能做了初步研究。通过将电传动电路转化 为数字电路，并利用数字电路的故障诊断方法进行处理，为以后在线故障定 位系统的研制做了理论探讨。 学位论文作者签名： 日期：知口善年6 月 鸯i 殇辩 ，7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 1 1 中国铁路的大提速 1 9 9 7 年4 月1 日第一次提速：提速主要在京广、京沪、京哈三大十线进 行。允许时速超过1 2 0 公里的线路延长为1 3 9 8 公里，时速超过1 4 9 公里的线 路延长为5 8 8 公里，时速超过1 6 0 公里的线路延长为7 5 2 公里。 1 9 9 8 年1 0 月1 日第二次提速：提速范围重点还是上述三大干线。允许 时速超过1 2 0 公里的线路延长为6 4 4 9 公里，时速超过1 4 0 公里的线路延长为 3 5 2 2 公里，时速超过1 6 0 公里的线路延长为1 1 0 4 公里。 2 0 0 0 年l o 月2 1 日第三次提速：提速范围主要是陇海、兰新、京九和浙 赣线。允许时速超过1 2 0 公里的线路延长为9 5 8 1 公里，时速超过1 4 0 公里的 线路延长为6 4 5 8 公里，时速超过1 6 0 公里的线路延长为1 1 0 4 公里。 2 0 0 1 年l o 月2 1 日第四次提速：提速范围主要是京九线、武昌一成都汉 丹、襄渝、达成线、京广线南段、浙赣线和哈大线。允许时速超过1 2 0 公里 的线路延长为1 3 1 6 6 公里，时速超过1 4 0 公里的线路延长为9 7 7 9 公里，时速 超过1 6 0 公里的线路延长为1 1 0 4 公里。 2 0 0 4 年4 月1 8 日，中国铁路第五次大提速。提速的线路主要是京广、 京沪、京九、京哈、陇海和浙赣线，部分区段铁路客车运行最高时速将由目 前的1 6 0 公里提高到2 0 0 公里。 2 0 0 7 年4 月1 8 日，中国铁路第六次大提速。提速的线路主要是京哈、 京沪、京广、陇海、浙赣、胶济、武九、广深等既有铁路干线，将实施2 0 0 公里速度级的提速，有的线路列车运行时速将达2 5 0 公里。 在历次的铁路大提速中，我国自主研制的东风型准高速客运内燃机车 发挥了重要的作用。在第六次大提速中，尽管开始运用时速2 0 0 公里的动车 组，但在提速范围宽广的铁路运输线上，东风1 1 型机车仍然独树一帜，担当 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 着铁路繁重的客运任务。 1 1 2 东风1 1 型准高速客运内燃机车 我国铁路机车车辆设计制造部门为顺应大提速和运输市场竞争的需要， 研制开发了大批新型机车车辆产品，在提高运行速度、提高轴重和载重、提 高客车舒适性和服务质量、探索高速旅客列车技术领域等方面均取得了可喜 的新发展和新突破，为铁路运输迅速、准确、安全地运营提供了有力的保障。 由于铁路提速范围的不断扩大，由戚墅堰机车厂研制的东风1 t 型准高速客运 内燃机车已逐渐成为我国快速客运的主力军。1 9 9 4 年起，东风1 1 型机车就投 入到了广深线准高速运行；1 9 9 6 年又担当起了沪宁线，京秦线快速列车的牵 引；现在，从乌鲁木齐到甘肃的柳原( 敦煌) 之间的快速旅客列车基本上也是由 东风1 1 型内燃机车牵引。随着我国铁路快速旅客列车的增多，东风1 1 型内燃 机车的使用范围将会进一步拓宽。 东风1 1 型准高速客运内燃机车于1 9 9 2 年研制成功。采用1 6 v 2 8 0 z j a 型 柴油机，j f 2 0 4 c 同步主发电机和z d 1 0 6 型牵引电动机，柴油机最大运用功 率3 6 1 0 k w 。机车标称功率3 0 4 0 k w ，在准高速铁路上牵引6 4 0 t 旅客列车( 约 1 2 节) 时，在平直道上的最大平衡速度可达1 6 7 k m h 小；牵引1 1 0 0 t 扩编旅客 列车( 约2 0 节) 时，在平直道上的最大平衡速度可达1 4 3 k m h 。机车采用微机 控制系统、电空制动和电阻制动系统，走行部为性能优良的准高速转向架的 典型结构，车体为棚式承载结构。司机室头部为2 5 度倾角的适度流线型结构， 内部布局合理，设有空调，是国内比较先进的客运主力机车眩副。 1 1 3 机车电传动教学系统现状 电传动装置( 也称电传动系统) 是内燃机车的重要组成部分。由于机车 柴油机的输出特性不能满足机车牵引性能的要求，因此必须依靠电传动装置 进行机械能一电能一机械能的能量变换与传递，同时进行特性控制来实现机 车的理想牵引性能，驱动列车运行。电传动装置主要由各类电机、电器、控 制装置、保护装置及其连接线路组成，按其不同的功能又分为主电路、辅助 电路、励磁电路及控制电路等部分，它们不但为机车提供了牵引动力也控制 了整个机车的运动状态、照明、供暖和其它辅助设备。因此，电传动装置就 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 成为整台机车中最为复杂的部分，以电路的形式展现。 在学校，“机车电传动与控制 是机车车辆专业的一门主要专业课程，学 习的难度较大，特别对机车的整体电路一般难于掌握；在机务部门，机车司 机和维护人员更是要求掌握机车电传动装置的技术原理，以便于对机车操控、 维护及故障分析与处理。由此可见，加强机车电传动的实践教学与培训，特 别是针对性很强的典型机车电传动系统的培训，无论对于在校的学生还是现 场人员来说，都是非常有意义的。但长期以来，国内在机车电传动系统的实 践教学与培训方面相对薄弱，主要是通过示教板来完成对系统的模拟教学。 示教板是将机车电传动系统的电气原理图绘制在展示板上，展示板上按 电路中电器的相应位置布置了若干发光二极管或指示灯，通过相应的开关控 制发光二极管的发光来表示图中电器的得电状态，以此来反映机车电传动系 统电路的运行情况，起到辅助教学的目的。 利用示教板进行教学时，其优点是通过它可以对电路系统进行简单演示， 研制和生产比较容易简单，造价低廉，使用起来也较为方便，在辅助学员加 深对机车系统内部运行状况的了解方面起到了一定的作用。另外，当电传动 系统出现故障时，也可以通过与正确状态比较或发光二极管的导电情况而使 学员容易的找到故障发生的位置。但是，示教板教学也暴露了它无法克服的 缺点，已难以满足现代化教学的需要。主要表现在以下几个方面b u ： 1 受空间限制 随着机车性能的提高，机车电路也趋于复杂，电路图的密度也越来越大。 如果还是根据原理图在展示板上刻画电路图，则受电路密度的影响势必要增 大示教板的面积，而且教室的空间是有限的，也不可能将示教板做得很大。 这样就使得某些电路被分开在几块示教板上来做。显而易见，这是不利于教 学的。 2 不够生动 示教板教学系统仅仅表明了线路的走向，对于机车运行控制的全过程的 电路状态却并不能清晰的表示出来，这也不利于更生动的教学。 3 不能对电路进行缩放 当根据需要对某部分电路进行重点讲解时，不能较好的将原图某部分放大 或缩小进行详细讲解。当电路日趋复杂和庞大时，这一点将显得更为重要。 4 不利于进行网上教学 随着铁路运力的不断增强，新型机车的增加，将需要更多的机车司乘人 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 员及维护人员，这样就要求对更多的学员进行培训和再培训。而且随着网络 的发展，对这种面广量大的培训利用网络技术实现远程教学是机车教学系统 未来发展的趋势。显然示教板系统也不可能满足这一要求。 5 不能实现脱机运行 最后，在经济条件或教学空间不具备的地方，教学系统最好可以脱机( 脱 离电传动系统) 运行，即纯软件运行，这样虽不能完全的发挥它的作用，但仍 能达到一定的效果。而且能大大地降低成本。而示教板系统非计算机系统， 不可能实现靠软件运行的脱机运行，势必要增加配套设备的投入。 从以上五点可知，传统的机车电传动教学系统己经不能满足当前的实际 要求，急需研制出来一套能克服以上缺点，并和当代计算机技术紧密结合的 教学系统。 用计算机和图形显示设备生成机车电路原理图形，并对机车电路工作过 程进行仿真的教学系统，将成为实践教学现代化的培训手段。该系统既能把 机车主电路、辅助电路、励磁电路、控制电路在各种正常情况下和故障情况 下的动作控制关系动态地显示出来。与电路示教板方法相比，它具有以下的 特点。 ( 1 ) 形象直观、易于修改，用同一套系统能仿真不同类型的机车。 ( 2 ) 计算机模拟的机车控制台配合鼠标输入系统，形象直观，操作简单。 ( 3 ) 故障可以任意设定。 ( 4 ) 系统故障率小，可靠性高。 ( 5 ) 系统配置灵活，扩充性好。 ( 6 ) 可方便地同步配上语言解说，减轻教员工作强度，更便于学员自学。 1 2 本论文的主要工作 针对目前机车电路教学培训的现状，开发一套机车电路仿真教学系统是 非常必要的。本文以东风，型准高速客运内燃机车为例进行开发，以实现机 车电传动的仿真与故障诊断。 本论文的主要研究工作如下： 1 根据机车电传动教学及培训的需求，对东风。型内燃机车电路进行深 入地分析，提出满足电路仿真要求的机车电路逻辑结构。 2 建立机车电路仿真模型，设计出总体解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 3 选择合适的软件开发平台，研究仿真开发技术并进行编程，完成对东 风1 1 电路的仿真。 4 根据机车的常见故障建立故障库，针对已经完成的教学系统，在故障 诊断的意义上进行初步探索。 5 对进一步完善机车电路仿真系统提出研究工作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章东风1 1 型内燃机车电传动系统分析 2 1 概述 内燃机车通常是用柴油机作为动力的，东风。- 型准高速客运内燃机车也 不例外。但由于柴油机的特性不能符合列车牵引性能的要求，因此从柴油机 曲轴至机车动轮需要一整套机械能一电能一机械能的变换和传递装置，称之 为机车电传动装置。 我国铁路的电传动内燃机车经历了直一直流电传动、交一直流电传动等阶 段，现在已进入交流电传动的发展阶段。但从目前我国铁路机车的保有量、 技术的成熟性及生产成本来看，交一直流电传动内燃机车还将在我国万里铁路 线上长期运用。例如我国制造的东风4 、东风8 、东风9 及东风- - 等型号的内 燃机车均采用交一直流电传动装置。其基本原理是由柴油机直接驱动一台同步 牵引发电机，发电机输出的三相交流电，经主硅整流柜整流后，向6 台并联 的直流牵引电动机供电，实现机车功率的传递，即完成将柴油机的机械能到 同步牵引发电机的电能、再到牵引电动机的机械能的转换，同时实现机车理 想的牵引性能。 电传动装置中其电器元件由电机、各类电阻、各类开关、电磁线圈、继 电器、接触器等组成。电传动装置中对各设备的控制是通过电传动电路来实 现的。东风1 1 型内燃机车电传动系统主要由主电路、辅助电路、励磁电路、 控制电路等组成。 2 2 系统主要电路 2 2 1 主电路 主电路主要包括一台同步牵引发电机f ( 也称主发电机) ，六台直流牵引 电动机1 d 6 d ，一台主硅整流装置1 z l ，用于接通六台直流牵引电动机电路 的电空接触器l c 6 c ，制动电阻，风机及其它辅助电器元件。它主要完成热 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 能、电能、机械能之间的能量转换工作，使机车产生运行过程所需的牵引力 或动力制动力。此外还包括主电路的保护电路和电压电流测量电路。 2 2 2 辅助电路 辅助电路主要完成辅助供电，配合控制电路完成向燃油泵电机、启动发 电机的供电；蓄电池供电及充电的控制；在柴油机启动后，启动发电机向控 制电路的供电等。 2 2 3 励磁电路 东风。型机车牵引用的主发电机是同步发电机，它的励磁电流是由感应 子励磁机发出的三相交流电经整流后提供，而励磁机的励磁控制采用两套方 案：一套是以微处理器8 0 c 1 8 6 c p u 为核心的控制系统：另一套是由联合调节器 一直流测速发电机控制。通过调节励磁机的励磁电流，达到控制主发电机的 输出功率、电流及电压的目的。 2 2 4 控制电路 控制电路主要由供电电路、机车控制电路和机车保护电路三部分组成。 这是整个电传动系统中最核心、最复杂的电路。 供电电路控制蓄电池组或启动直流发电机向整个控制电路和其他辅助、 照明等电路供电。 机车控制电路则主要完成柴油机启动、机车启动、机车调速、制动等任 务。它由润滑油泵电机控制电路、甩车电路、燃油泵电机控制电路、柴油机 启停控制电路、空压机控制电路、起车电路、机车调速电路、电阻制动控制 电路等组成。 机车保护电路由柴油机机油压力保护电路、柴油机油水温度保护电路、 柴油机曲轴箱防爆保护电路、柴油机超速保护电路、电阻制动和空气制动联 锁保护电路等组成。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 电传动系统的分析及简化 在一个庞大而复杂的机车电传动系统中，存在着大量的开关设备，如： 各类开关、继电器、接触器等，此外还存在着模拟设备，如：发电机、牵引电 机、风机、电灯等。在机车运行中，这些种类繁多的电气元件相互作用，相 互制约，构成了一个电流关系、电压关系和逻辑关系错综交织并不断变化的 电气系统，这是一个典型的数模混合电气系统。东风，型机车属于先进的、 功能完备和具有极高可靠性的大型设备，这就决定了它的电传动系统也将非 常的复杂。本系统拥有几百个电气元件，其中包括各类电气开关、电机、电 器、空调、喇叭、照明设备等等，几千根导线。各线路电压也分为高电压、 中电压及低电压等不同等级。因此不经过简化而建立一个完备的数学模型极 其困难。 通过研究，我们发现机车电路有以下特点： ( 1 ) 四种电路在电方面基本相互隔离，通过电一磁、电一空、电一机械传 动方式相互联系起来，以达到自动控制或间接控制协调工作的目的； ( 2 ) 机车电路的工作受控于机车控制电路中的主令电器。改变主令电器的 位置可以用来控制机车牵引、制动、前进、后退、加速、减速、停车等工况， 控制各辅助设备开停和各种照明工作。控制电路中的主令电器实际上是整个 机车电路的输入； ( 3 ) 机车电路中所有的器件以及连接它们的导线相互之间有着密不可分 的联系，其中的许多电器本身又可分成几个部分，如继电器由线圈和常开、 常闭触头组成，各部分可出现在电路中许多不同的地方，各部分间又存在藕 合关系； ( 4 ) 从电的角度来说，机车电路中的所有器件都只有两种状态，所以机车 电路可当作逻辑电路来处理。 通过上面的分析，会发现尽管电路不同部分中的电压和电流有大有小， 但除各类电气开关外每个电器和导线却并无任何的第三状态，即只存在高电 位和低电位两种情况；同样的各类开关也是无任何的第三状态，即只存在断开 和闭合两种情况。根据这个特点，还可将所有电气设备分为两大类：即能够控 制本电器两端电路通断的各类开关和不能够控制本电器两端电路通断的其它 元件，后者甚至都可看作是电阻处理。这样，如图2 1 所示的原始电气线路 图，采用以上的方法简化后可变为图2 2 所示的简化电路图，再进一步便可 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 转化为可由计算机直接处理的逻辑推理语句。 k l ， 下l 篝接缝控：k l ，畿乏嚣3 一嚣羡i t l 一咆搋l 张蹙潺；鹳一电黻 图2 1 简化前的电路图 k 1 x t l 卜接残技；冀i 嚣芸一秀秃； 可l 一电机：t 2 - 嗽l j ht 毒一曦隆 图2 - 2 简化后的电路图 课题的中心目标是完成对机车电传动系统的仿真教学，重点关注各电路 的功能和原理，着重各电气元件之间的逻辑关系，着重运行状态实时模拟和 显示，而对各元件上的电压和电流的具体数值的变化不涉及。从这个角度出 发，我们便可忽略模拟设备内部的调节过程，只考虑它得电工作或失电停止 工作，而主要研究电路的逻辑功能。这样考虑不仅可以使问题得到简化，而 且便于问题的解决，可以完全满足课题要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 4 机车电传动电路中元件和电路逻辑结构 2 4 1 机车电路电气元件的物理状态和电状态 经过上面的分析和简化，使复杂的电气线路抽象为数字逻辑电路。而所 有的电路关系也可随之简化为逻辑关系，因此很自然地就可用逻辑语句来描 述该电气线路了。 在分析机车电路动作的数学模型时，将机车电路中包括导线在内的所有 独立的部分都当作一个部件处理，这个部件可以是导线、开关等完整的器件， 也可以是线圈、触头等器件的一部分。如此处理，可得到机车电路的部件集 合，分析机车电路动作的数学模型，就是要搞清这些部件的动作关系。而部 件的动作依赖于部件的状态，为此必须了解电路中各部件的各种状态。所有 部件只有“通 与“不通或“得电与“失电两种状态。这样可以当作 逻辑电路来处理，我们把元件的状态分为物理状态和电状态两种。 1 部件的物理状态 部件的物理状态是指电流能否流过该部件的状态。所以部件的物理状态 可分为两种，用f i 表示部件i 的物理状态，有 f i = l 广表示元件i 能流过电流 f i = 0l 表示元件i 不能流过电流 2 部件的电状态 部件的电状态是指电流是否流过该部件的状态。所以部件的电状态也可 以分为两种，用e i 表示部件i 的电状态，有 e i = l 广表示元件i 有电流流过 e i = 0 l 表示元件i 没有电流流过 3 部件的物理状态与电状态的关系 电气元件只有当物理状态正常( 即f = 1 ) 的情况下，此元件的电状态才有 可能等于带电( 即e = 1 ) ，具体带不带电还要看与它关联的回路中的其他元件 的物理状态。 有些元件的物理状态由其他元件的电状态决定。比如继电器触头的物理 状态与继电器线圈的电状态有关，当继电器线圈得电时，继电器的常开触头 闭合，常闭触头打开；反之亦然。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 4 2 元件的逻辑分类和状态判断 经过电路简化，系统的元件分为两大类，即不可控制通断和可控制通断 的元件( 或称为普通元件和开关) 。前者是不能控制逻辑关系的元件，其自身 逻辑状态不受其它元件的控制。后者一方面其自身逻辑状态可受其它元件的 控制，另外其自身逻辑状态，还会影响到其它相关元件的状态，即可以控制 逻辑关系。 1 普通元件状态判断 对于普通元件其逻辑较简单，其物理状态不受其它元件控制，若f = l 能流过电流，f = o 时不能流过电流，说明此元件故障，要将此元件的故障信 息反馈到控制计算机。同样当其电状态e = o 时没有电流流过，e = 1 时有电 流流过( 有电流流过时元件的颜色要进行变化，在后续将介绍具体的操作) 。 例如电机，电炉等均属于此类元件。 2 开关元件分类及状态判断 在实际电路中开关元件种类较多，但按照其逻辑功能不外乎分为以下情 况： ( 1 ) 普通开关k ( 如图2 3 ) ： 图2 3 普通开关 此类开关的断开和闭合只受外部人为控制，不受电路中其它继电器线圈 控制。根据电路基本原理且只考虑实际情况，该元件有意义的三种状态有： 状态一：f = ie = i 则认为开关闭合且开关为带电的状态： 状态二：f = ie = o 则认为开关闭合但开关为不带电的状态： 状态三：f = oe = o 则认为开关断开且不带电状态。 ( 2 ) 线圈控制的常开开关( 如图2 4 ) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 圈 常开 此类开关直接受到控制线圈控制，即控制线圈不带电时开关处于断开状 态：控制线圈带电时受到线圈的电磁作用触点吸合，使开关处于闭合状态。根 踞电路基本原理并仅考虑继电器线圈对触头开关的物理状态控制有以下2 种 状态： 状态一：e k l = 1 ，f k = 1 当线圈k l 带电时，它的常开触头k 闭合i 状态二：e k l = 0 ，f k = o 当线圈k l 不带电时，它的常开触头保持断开 状态。 ( 3 ) 线圈控制的常闭开关( 如图2 5 ) ： k 一1 控制线圈 常闭 此类开关也直接受到控制线圈控制，只不过控制情况正好和常开开关相 反。控制线圈不带电时开关处于闭合：控制线圈带电时受到线圈的电磁作用触 点断开，使开关处于断开状态。根据电路基本原理并仅考虑继电器线圈对触 头开关的物理状态控制有以下2 种状态： 状态一：e k l = 1 ，f k = o 当线圈k l 带电时，它的常闭触头k 打开； 状态二：e k l = o ，f k = 1当线圈k l 失电时，它的常闭触头k 保持闭合 状态。 2 5 问题的转化 经过上述一系列的分析简化以后，研制机车电传动教学系统问题可转化 为通过检测各电气元件、各电气支路的通电情况。结合输入到计算机的电气 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 原理图，将有关元件、支路的导通和关断情况在屏幕上以一定的图形方式表 现出来。如：将通电的导线、元件用红颜色表示；没有通电的导线、元件用黑 线表示：用闭合的开关图形表示常开触点闭合或其它开关的闭合，用分断的开 关图形表示常闭触点的断开或其它开关的分断等等。 这样，在所要研制的机车电传动教学系统上，按照教学要求，通过对电 气原理图中对应的机车操纵台、低压柜、高压柜上的有关按钮、手柄、转换 开关等的操作，图中机车电传动系统上各电气设备进行相应的动作；计算机 通过检查判断各电气支路的通断情况，来决定各电气设备实际动作；最后的 结果经过计算机进行处理后直接以颜色的变化显示出来，学员通过屏幕上电 气原理图的导通情况了解电传动系统工作原理和工作过程，从而达到教学目 的。另外，教员在电路图中设置故障后，学员们不仅可以通过计算机屏幕上 电气原理图的导通情况了解故障现象，而且也可以分析和判断故障的位置、 找出故障产生的原因和解决办法。因此，从这个意义上讲所要研制的机车电 传动教学系统也应是一个离线的故障诊断系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章东风1 1 型机车电传动教学系统的总体方案 3 1 需求分析 设计 根据以上分析和本教学系统应能满足学校专业教学和铁路部门培训司 乘人员的需求，使学员能更深入地理解东风1 1 型内燃机车电传动装置的基本 原理及工作过程。本教学系统可以将东风1 。型内燃机车电传动系统线路运行 情况实时地展现出来，使学员能较快的对其内部运行情况有一个直观的认识， 达到辅助教学的目的。此外教员还可以在本系统中任意设置故障，使一些在 机车运用中的常见故障在电传动教学系统中模拟再现，以便帮助学员观察故 障发生时电路的情况，以利于正确识别故障。通过以上的重复练习，达到熟 练掌握电路原理的目的。 3 2 仿真模型的建立 3 2 1 机车电路数学模型的定义 给出机车电路动作的数学模型是对机车电路动作进行仿真的前提。机车 电路动作的数学模型是指机车运行在各种正常和故障工况条件下，机车电路 中包括导线在内的所有电器间的得电、失电关系。 3 2 2 电路的控制逻辑 机车电路属于继电器逻辑控制电路。主要是由各种电气元件( 包括开关、 继电器、接触器和主令电器的触头、线圈等) 经过串联、并联而构成。元件的 串、并联实现了逻辑关系的“与和“或 。下面以一简单的电路图( 如图3 - 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 为例，说明电路的逻辑。电池组为电路的起点有两条回路： 尘 s t l 一奄滋l2 s _ 电气秀捧 - 一 图3 1 电路原理示意图 电路基本回路的物理状态： f h l i = f 1 * f 2 木f 3 幸f 5 e h l l = f h l l f h l 2 = f 1 * f 2 * f 4 搴f 5 e h l 2 - f h l 2 元件的电状态： e i = e h l l + e h l 2 e 2 = e ：h ll + e h l 2 e 3 - e h l l e 4 = e h l 2 e 5 = e h ll + e h l 2 其中，：表示逻辑“与”； + ：表示逻辑“或 ； f i - ：表示元件的物理状态； e i ：表示元件的电状态； f h i j ：表示以第i 个元件为电源的第j 条回路的物理状态； e h i j ：表示以第i 个元件为电源的第j 条回路的电状态。 通过对上述逻辑表达式的分析可知： 如果组成第一条回路的所有元件的物理状态f 1 ，f 2 ，f 3 ，f 5 都正常， 则他们与的结果第一条回路的物理状态f h l l 就是正常的。 如果电源的第一条回路e h l l 为带电状态，则组成这条回路的元件e 1 、 e 2 、e 3 、e 5 均为带电状态； 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 对于单个元件来说，当两条回路都包含它时，任意一条回路带电，则它 也为带电状态，所以它的带电状态是两条回路电状态“或 的关系，比如元 件1 、2 、5 。 对于单个元件来说，当只有一条回路包含它时，则此回路的电状态就是 此元件的电状态。比如并联的元件3 、4 就是这样的元件。 所以，组成回路的元件的物理状态决定了回路的物理状态，从回路的物 理状态又可以得到回路的电状态，从电路基本回路的电状态又可以容易的得 到组成基本回路中元件的电状态。 3 2 3 电路的仿真模型 对电路的控制逻辑分析后，可以从计算方法的角度重新解释电路的逻辑 关系。由于机车电路中的器件较多，各器件之间又具有特定的逻辑关系，所 以引入电路图的方法来生成机车电路逻辑控制模型，对电路图的工作状态进 行的操作都可以采用有向图中相应的操作方法来实现。 有向图的数据结构可以用邻接矩阵、邻接表来表示存储，对有向图的搜 索与计算过程中有生成树的概念，所以在设计之前就将电路图构建成二叉树 的结构。对于二叉树需要两个链接指针来指向其左孩子与其右孩子，可以有 一项或多项来保存其本身的属性值与数据。 对电路中元件综合分析提取其数据项可得其基本结构为： s t r u c te l e c c s t r i n gc a p t i o n ；元件外部显示的标示符号 u s h o r t i d ；元件内部调用的表示符号 u s h o r t e s t a t e ； 元件的电状态 u s h o r t f s t a t e ；元件的物理状态 u s h o r t c o n t a c t ；继电器的触点关系 元件的其它属性或数据 u s h o r t c h i l d r e n ；左孩子( 孩子) ，与其相连接的下一元件 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 的i d u s h o r t b r o t h e r s ；右孩子( 兄弟) ，与其并联的元件的i d ) ； 3 2 4 电路的控制方法 设计了电路元件的数据结构，只要对每个元件输入其相关数据之后就可 以用这种结构构建一棵二叉树来表示对应的电路图。还是以图2 8 所示电路 为例，对各个元件相关属性输入以下数据： 元件1 b r o t h e r s ：0c h i l d r e n ：2 元件2 b r o t h e r s ：0 c h i l d r e n ：3 元件3 b r o t h e r s ：4c h i l d r e n ：5 元件4 b r o t h e r s ：0 c h i l d r e n ：5 元件5 b r o t h e r s ：0 c h i l d r e n ：1 根据上面定义的数据结构就可以构建如图3 2 所示的二叉树。 b 逛：凰图数竽n ：襞暴第n 个晃l 牛节赢 誊：裘示节点的b r o t h e r s c ：褒秉节点台皖k 1 缸性 图3 2 二叉树法控制电路 其中，a 是实际的存在形态，它以图的方式存在；b 是实际展示的形态， 它以标准二叉树的形式展示其结构。可以通过对这棵二叉树的搜索来得到其 所表示的电路图中的基本回路： h l l ：元件1 一元件2 一元件3 一元件5 一元件1 h l 2 ：元件1 一元件2 一元件4 一元件5 一元件1 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 其中，h l 表示基本电路回路。当组成回路的元件的物理状态正常时， 那么此条回路就有电；反之，回路不带电。 3 3 总体方案的设计 3 3 1 仿真系统的总体结构设计 为了达到接近实际的教学仿真效果，本仿真系统采用了软硬结合的方法， 即通过操作台计算机( p l c ) 控制的机车司机模拟操作台和仿真计算机构成仿 真系统，其基本结构如图3 - 3 所示。各组成部分的功能如下： 图3 - 3 机车电路仿真与故障诊断系统结构图 ( 1 ) 机车司机模拟操作台仿照机车司机驾驶台布置，具有司机控制器、 各按键开关及显示仪表等硬件，使学员可在操作台上感受司机的操作。操作 台上的机车运行指令和故障设置指令通过操作台计算机接收并处理。操作台 计算机通过串行通信的方式与仿真计算机实现数据交换，即一方面它可以向 仿真计算机发送来自司机操作台的操作指令和故障信息，另一方面仿真计算 机也可以将设置的指令或故障信息反馈给操作台计算机。 ( 2 ) 仿真计算机，可以根据来自司机操作台的操作指令和故障信息进行 机车电路动作仿真，也可以本机自行设置进行单机仿真；并且可以设置指令 和故障信息反馈给操作台计算机控制司机操作台硬件仿真；同时它将获得的 故障信息，在故障库中查寻，进行故障分析，然后以图形和声音的方式表现 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 出来。仿真计算机遵循机车原图显示各电路仿真图形，相关电器按照操作指 令和逻辑关系动作，相关电路根据得电情况改变颜色，具有缩放、切换等图 形功能。 ( 3 ) 显示装置可选择液晶投影机或大屏幕显示器作为系统的显示设备。 3 3 2 实现总体方案需要解决的几个问题 按照上面的分析，机车电路仿真与故障诊断系统应包括以下方面的内容。 首先，要能够与操作台计算机进行串口通信，它不仅可以接收操作台计算机 发送过来的指令和故障信息，而且也可以向操作台计算机反馈设置的操作指 令和故障信息。其次，要将机车电路图输入到计算机中，当在电路图中模拟 机车的操作时，电路图应产生相应的变化即进行机车电路动作仿真。为便于 向众多的学员演示，可将仿真图形送液晶投影机或大屏幕显示器进行显示。 因此，这就要解决电路如何输入和存储到计算机里，选用什么样的软件平台， 如何对它驱动以及电路的描述方式等问题。这样，所要研制的机车电传动教 学系统电路图的生成过程如图3 4 所示。 图3 4 机车电传动系统电路图的生成 根据以上思路，在课题中通过解决下列有关问题，完成各环节的功能， 就可以达到最后整体的目标。在以后的各个章节将详细讨论这些问题。 串口通信 操作台计算机通过串口将指令或故障信息发送给仿真计算机；仿真计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 机也可以将设置的操作指令和故障信息发送给操作台计算机。 对电路图的计算机描述 根据技术要求，将原始的电气线路简化为数字电路系统。利用适当的方 法对其进行描述，使普通的电气线路图转化成计算机可以识别处理的逻辑表 达式或数据结构。 电路图的绘制 将电路图在计算机上进行绘制，即将原始的电路图利用绘图软件输入到 计算机中，使用户可直接在计算机上读图。在这里，对电路图的操作，如电 路图的缩放、切换等操作功能是选择电路图的绘制软件平台的主要依据之一， 因为这直接决定了以后开发的教学系统是否便于使用。 电路图的驱动 将操作指令值传输给该电路的逻辑表达式或其数据结构。经过处理后传 送给计算机中存储的电路图。这时该电路图做出相应的动作，如某处有电、 某处的开关闭合或断开、某电机或某电器运转等等，使用户在计算机屏幕上 可直观地观察到电路的内部动作。 结果输出与故障反馈 通过对操作指令进行处理，并对电路图进行驱动，系统便可将电传动系 统内部运行状态实时地显示于计算机屏幕之上。系统运行中，可在电路图中 设置故障，并且同电气元件正常的物理状态进行比较，相同则表示系统处在 正常运行当中。如果不同，则表明系统出现了故障，记住故障发生的位置， 将故障信息反馈给操作台计算机。以上结果如图3 5 所示。 图3 5 故障反馈方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 故障库的建立及完善 故障库的建立，通过选择故障库中的任一故障，可进行故障分析，并可 以使该故障引起的变化在电路图中直观地显示出来，同时配以声音的解说， 以达到能让学员分析及处理故障的目的。 ， 在以上基本功