（计算机应用技术专业论文）电力机车空气制动系统的控制与故障诊断.pdf

摘要 现有的韶山型电力机车空气制动系统大都采用d k 一1 型电空制动 机作为控制部件，其核心是采用继电器有触点逻辑控制。虽然其运用 比较成熟，但也存在着比较明显的缺点：如由于振动可能产生继电器 误动作、故障率高、寿命短，布线多且维护工作量大，其控制逻辑关 系随布线一旦固定，需要改进时非常困难。没有完善的在线故障检测 诊断功能，空气制动系统直接关系人民生命财产的安全，难以适应铁 路高速重载的战略发展要求。本文设计构建的电力机车空气制动控制 及故障诊断系统，采用无触点逻辑控制技术取代原有的有触点逻辑控 制技术，提高了系统的可靠性，该装置可通过软件编程实现不同的逻 辑组合功能，以达到控制不同车型之目的：空气制动系统在线故障检 测诊断部分，通过检测电力机车空气制动系统关键部件的工况，利用 故障诊断系统进行故障诊断。所以，电力机车空气制动控制及故障诊 断系统的研究，适应了我国铁路重载牵引和高速列车发展的需要，具 有巨大的经济价值和社会效益。 本文以s s 3 b 型电力机车空气制动系统为研究对象，在全面分析该 系统逻辑控制关系、原理、接口及其特点的基础上，介绍了系统整体 设计思路、在系统可编程i s p 技术的应用、d k l 制动逻辑装置的设计、 空气制动装置故障检测与诊断系统的设计。 关键词电空制动机，逻辑控制，电磁兼容，故障诊断 a b s t r a c t e x i s t i n g e l e c t r i cl o c o m o t i v ea i rb r a k e s o fs h a os h a nt y p e s a r e m o s t l y u s e dd k 1m o d e le l e c t r i c a i rb r a k i n gm a c h i n e a sc o n t r o l c o m p o n e n t ，i t sc o r ei s t oa d o p tt h er e l a ya n dt o u c h ! o g i cc o n t r 0 1 t h o u g h i t s a p p l i c a t i o n i sr i p e r , t h e r ea r ea l s os o m eo b v i o u ss h o r t c o m i n g s ：f o r e x a m p l e ，b e c a u s ev i b r a t i o nm a ym a k eu pt h er e l a y sm i s sm o v e m e n t s ， h i g h f a u l tr a t e ，s h o r t l i v e d ，c o n n e c t i n gm o r ea n ds a f e g u a r dh a r d ，t h e l o g i cr e l a t i o no fc o n t r o li so n c ef i x e dw i t hc o n n e c t i n g ，i ti sv e r yd i f f i c u l t t om o d i f y t h e r ei sn op e r f e c tf a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s ef u n c t i o n o n l i n e t h ea i rb r a k e sd i r e c t l y r e l a t et os e c u r i t yo fp e o p l e sl i f e a n d p r o p e r t y ，i ti sd i f f i c u l tt o m e e tt h ed e v e l o p i n gn e e d so fs t r a t e g yo ft h e r a i l w a yw i t hh e a v i l y l o a d e da n dh i g hs p e e d t h es y s t e m so fe l e c t r i c l o c o m o t i v ea i rb r a k e sc o n t r o l a n df a u l t d i a g n o s e w ed e s i g n i n ga r e a d o p t e dn o n t o u c hl o g i cc o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hr e p l a c e dt o u c hl o g i c c o n t r o lt e c h n o l o g yb e f o r e ，i t si m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h es y s t e m ， t h ed e v i c ec a nt h r o u g hp r o g r a m m i n g t o p r o d u c e d i f f e r e n tl o g i c c o m b i n a t i o nf u n c t i o n s ，i n o r d e rt oa c h i e v et h eg o a lo fc o n t r o l l i n g d i f f e r e n ts t y l e s ，t h ep a r to fo n l i n ef a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s eo ft h ea i r b r a k e ss v s t e m ，t od e t e c tt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ek e yp a r to fe l e c t r i c l o c o m o t i v ea i rb r a k e ss y s t e m ，u s i n g t h ef a u l td i a g n o s es y s t e mt o d i a g n o s et h ef a u l t s ot h es t u d yo f e l e c t r i cl o c o m o t i v ea i rb r a k e sa n df a u l t d i a g n o s es y s t e mi sm e e t i n gt h e d e m a n d so ft h er a i l w a yw i t hh e a v i l y l o a d e da n dh i g hs p e e d h a v i n ge n o r m o u se c o n o m i cw o r t ha n ds o 。1 a i b e n e f i t t h i sp a p e rr e g a r d sa i rb r a k e so fe l e c t r i cl o c o m o t i v eo fs s 3 ba st h e r e s e a r c ho b j e c t ，o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gl o g i cc o n t r o lr e l a t i o n ，p r i n c i p l e ， i n t e r f a c ea n dc h a r a c t e r i s t i ci n a na 1 1 r o u n dw a y , h a v ei n t r o d u c e dt h e w h o l e m e n t a l i t y o f d e s i g n i n g o ft h e s y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o n o f p r o g r a m m a b l ei s pt e c h n o l o g y , t h ed e s i g n i n go fd k l b r a k el o g i cd e v i c e a n dd e t e c t i o na n dd i a g n o s es y s t e mo fa i rb r a k e sd e v i c e k e yw o r d se l e c t r i c - a i rb r a k i n gm a c h i n e ，l o g i cc o n t r o l ，e m c ， f a u l td i a g n o s e 原创性声明 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 工作及取得的研究成采。尽我所知，除了论文中特另j ；b h 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：叩彬日期：丝竺年月当 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：年旦月缅 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 列车制动技术是铁路技术的难点问题之一。列车制动技术伴随着列车技术 的运用而诞生，列车制动技术伴随着列车技术的发展而发展，并且安全可靠的制 动技术为列车技术的发展提供了先决条件。 1 1 机车制动技术的发展概况 人为地使运动中的物体减低速度、停止运动，或对停止中的物体防止其移动 的措施都叫制动。制动时产生的阻止物体运动的力叫制动力，它是一种外力，与 物体的运动方向相反。为了产生制动力、达到制动目的而装设的机械叫制动机。 列车制动由“人力”制动，转入“机力”制动，对于铁路运输来说是一种历 史性的转变。在人力制动阶段，司机需要制动时，除了操作机车的制动外，并鸣 笛示意，在车辆上的制动员闻声一齐动手，拧紧手制动机的手轮。这样，在列车 上每二节至四节车辆就需要配备一名制动员，他们口使在日晒雨淋的情况下也必 须在车顶上跑来跑去地忠于职守。可以想像，人力制动时代的制动效果是很差的。 在这种情况下，列车的重量和速度得不到提高，列车在长大下坡时速度难以控制， 行车安全得不到保证。 自从1 8 6 9 年美国乔治韦斯汀豪斯研究出机车车辆直通空气制动机“1 ，由“人 力”转为“机力”制动。这种制动机，当列车分离时不能自动停车，因此，1 8 7 2 年韦斯汀蒙斯又发明了自动空气制动机。使用自动空气制动机时，在列车分离时 能自动发生制动作用。随着货物列车向长和重的方向发展，至1 9 0 5 年美国研制出 k 型货车制动机，与此同时，也伴随出现了e t 一6 型机车制动机，满足t 8 0 辆货车 编组时对制动机的要求。 随着列车长度、重量和速度的增加，机车车辆制动机不断的发展，制动机的 性能也不断地趋于完善。各国陆续研制出各种各样的制动机。这些制动机的主要 特点分别为：司机一人操纵；提高制动力的不衰减性；列车分离时能自动地起制 动作用；车长阐停车：减少缓解时间、提高制动波速、缩短制动距离，使列车的 缓解或制动趋于一致，减少缓解或制动的冲击。 硕士学位论文 第一章绪论 为了提高我国制动机的性能，促进铁路事业的发展，我们不仅能够制造k 型、 l n 型车辆制动机和e t 一6 型、e l 1 4 型机车制动机，而且还研制成功t c k 型和g l 型货客车三陋阐，1 0 4 型和1 0 3 型客货车分配阐， j z 一7 型机车制动机，以及d k l 电空制动机并广泛运用于电力机车。这些制动机性能的改造和提高，对提高运输 能力，增加经济效益起到了重要作用。 1 1 1 制动技术在铁路运输中的重要意义 铁路运输中，只有当列车“运行”和“制动”两者都满足要求时，列车的“动” 和“静”才能控制自如。所以在每一台机车、车辆上均装有制动机。安装在机车 上的叫机车制动机，安装在车辆上的叫车辆制动机。制动作用就是通过制动机所 产生的制动力来实现的。 我国铁路的发展战略方向是“重载高速”。随着牵引动力和其它各项铁路技 术的发展、列车牵引重量和速度日益提高，这对制动机性能提出了更高的要求。1 。 若只顾牵引列车高速运行，忽视制动，必定会发生危险，影响正常运输，甚至会 造成生命、财产的损失。因此为了提高列车的牵引重量和速度，除了提高机车的 牵引能力外，还要提高制动力。制动力越大列车的制动距离越短。机车、车辆上 装设制动机，不仅保i i e n 车安全，而且还能缩短制动距离，提高列车重量、技术 速度和列车通过能力。 所以，只有研制性能良好的机车车辆制动机，或者说，只有使机车、车辆制 动机的性能日趋完善，才能更有效的提高铁路运输能力，实现铁路运输现代化。 才能确保运输安全、迅速、准确。 1 1 2 制动机的种类“1 制动机按其用途可分为：机车、客车、货车及高速列车制动机。按其操纵方 法和动力来源可分为：手制动机、空气制动机、电空制动机、真空制动机及电磁 制动机等。 其中电空制动机是用电来操纵制动装置的制动作用，而闸瓦压力的来源仍是 压缩空气，故名为电空制动机。为了应用上的可靠，现在电空制动机大多附有空 气制动机，以备电控系统发生故障时，能转为空气操纵。电空制动机的最显著的 特点是：由于电的传递非常迅速，可以提高列车制动波速和缓解波速，使列车前、 后部开始制动和开始缓解的时间完全一致，减小列车冲动：减小制动时列车走空 硕士学位论文第一章绪论 时间。缩短制动距离；并为机车自动停车及自动控制等打下了基础。 为适合于高速及长大列车的要求，目前世界各国陆续出现了各种型式的电空 制动机。如法国的新造机车上全部装用p b l 2 型电空制动机( 欧洲称为机车按钮制 动机) ，苏联、英国、日本等也各有自己的电空制动机，我国于的d k - i 型电空制 动机等1 。 11 3 列车制动方式“1 制动方式是指制动时列车动能转移方式或制动力获取的方式。这是制动的基 本问题，是制动研究的基础。 1 1 3 1 按列车制动时动能的转移方式分类 按列车动能的转移方式可分为两类。第一类是把动能转变为热能，然后消散 于大气，简称“热逸散”；第二类是把动能转变成可用能。 ( 一) 热逸散 目前属于热逸散的制动方式有下列几种： l 、摩擦制动把列车动能转变为摩擦热能。它可分为： ( 1 ) 闸瓦制动( 踏面制动) ：( 2 ) 盘形制动：( 3 ) 轨道电磁制动，也叫 磁轨制功；( 4 ) 液体摩擦制动( 液力制动) 。 2 动力制动列车动能通过电机、电器变为热能，最终逸散于大气。可 分为： ( 1 ) 电阻制动；( 2 ) 旋转涡流制动；( 3 ) 轨道涡流( 线性涡流) 制动。 ( 二) 把制动能转变成可用能 1 再生制动。它是将列车的动能转换成电能，因此再生制动装置只能装在 电力机车和电动车上。 2 飞轮贮能制动。制动时把列车动能转入飞轮贮存，起动加速时该能量放 出，可以节约能源。飞轮贮能对于长途车意义不大，对于起动停车频繁的地铁车 辆尚可试用。 1 1 3 2 按制动力形成分类 按制动力形成方式，铁路机车、车辆制动又可分为粘着制动和非粘着制动两 类。 ( 一) 粘着制动 硕士学位论文第一章绪论 粘着制动是目前主要的一种制动方式。闸瓦制动、盘形制动、液力制动、电 阻制动、旋转涡流制动、再生制动以及飞轮贮能制动，都属于粘着制动。它们的 制动力大小都要受粘着力的限制。 粘着制动时，可能实现的最大制动力，不会超过粘着力。粘着力与车轮对钢 轨的压力和轮轨问粘着系数有关。粘着系数又随气候与速度等条件而有相当大的 变化。 - ( 二) 非粘着制动 轨道电磁制动与轨道涡流制动属于非粘着制动( 或称非粘制动) 。制动时， 钢轨给出的制动力并不通过轮轨粘着点作用于车辆。而由钢轨直接作用于吊挂在 转向架上的电磁铁。制动力大小不受轮轨间粘着力的限制，是超出粘着力以外获 取制动力的一种制动方式。所以，称为粘着外制动。 非粘制动目前主要用于粘着制动力不够的高速旅客列车上，作为一种辅助的 制动装置。 1 2 制动技术的现状与发展前景 就我国机车( 动车) 制动技术的运用和发展来看，主要经历了以下三个阶段 6 】： 解放初期一般沿用美国西屋空气制动系统的产品，蒸汽机车大多装备e t 一6 型制动机。 1 9 6 6 年，四方所与天津厂共同研究了j z 一7 型机车空气制动机，具有良好的性 能，1 9 7 8 年通过铁道部鉴定，在内燃机车上全面推广。 1 9 7 4 年，铁科院机辆所和株洲电力机车厂采用有触点逻辑控制技术共同研制 成功的d k l 型机车电空制动机，并在韶山电力机车上安装试用。1 9 7 7 年，在铁科 院环行线进行6 0 辆g k 阀静止和运行试验。试验结果表明，该制动性能良好，1 9 8 2 年经过技术鉴定后广泛运用于干线电力机车。 国外列车制动技术特别是高速和重载列车制动技术领先的国家是同本、法国 和德国，在6 0 年代以来，大力发展了直通式电空制动系统。并经历了数字式、模 拟式，目前，已进入微机控制阶段。如在列车制动控制方式上，日本1 9 6 4 年在0 系 采用电磁直通( 电一液) 技术，1 9 8 5 年在1 0 0 系采用电气指令直通( 空一液) 技 术，1 9 9 1 年在3 0 0 系采用微机控制电气指令( 电一空) 技术；法国1 9 8 3 年在t g v s 4 硕士学位论文第一章绪论 型采用自动式( 电一空) 技术，1 9 8 9 、1 9 9 5 年前后在t g 、- a 、t g v n 型采用微机控 制电气指令( 电一空) 技术；德国1 9 9 0 、1 9 9 1 年前后在i c e v 、i c e 型采用微机控 制电气指令( 电一空) 技术。”1 我国在这一方面的研究工作在北京地铁初建时期就开始进行。早期的l 3 电 空、数字式直通电空机在北京地铁多年运用实践，积累了一些经验。同时针对准 高速和高速动车组也在进行相关研究，如对d k 一1 电空制动机进行无触点逻辑控制 改造以及铁道部科学研究院等单位研制的微机控制电气指令( 电一空) 制动技 术已经在“中华之星”动车组上采用”1 。 近年来，我们的制动技术具有长足的发展，在制动领域正在研究采用无触点 逻辑控制和微机控制直通电空制动系统等新技术。同时对设备检测、故障诊断等 方面实现微机化、自动化也是需要积极探索的问题。但目前我国在制动控制技术 上与国际水平相比尚有一定差距。1 。 1 3 5 课题研究的主要任务 电力机车有接点控制电路逻辑控制电器采用电磁式中间继电器和时间继电 器，属于二十世纪五六十年代的产品，主要存在的问题在于防尘效果差、继电器 执行机构易卡位、恢复弹簧失效、调整螺母易松动、高速抗振性能及防寒性能较 差等方面，致使机车“小而广”的故障率高。电力机车制动逻辑控制装置采用现 代先进的计算机技术与电力电子技术结合，具有运行安全可靠，大容量高密度， 时钟延迟精确，设计灵活，编程方式简便，通用性强等优点。这是机车逻辑控制 装置取代有接点电路的极大优势。由原长沙铁道学院等有关单位研制的逻辑控制 单元“( l c u ) ，取代了原机车上两个电器柜的中间继电器与时间继电器，并成 功的运用在s s 8 型、s s 9 型等机车上，取得令人满意的效果。随着科学技术的发展、 铁路机车水平以及运行速度的提高，对列车制动可靠性、安全性及高效性提出了 更高的要求。现有的干线电力机车大都采用k d 一1 电空制动系统，其核心是采用 继电器有触点逻辑控制，虽然其运用比较成熟，但也存在着固有的比较明显的缺 点，如由于振动可能产生继电器误动作、故障率高、寿命短，布线多且维护工作 量大，维护改进都有许多不便：再则，电空制动系统没有完善的在线故障检测诊 断功能，这显然不能适应铁路高速发展的要求。现代工业几科学技术的迅速发展， 现代设备越来越复杂，自动化系统的规模越来越大。这一方面提高了系统的自动 硕士学位论文第一章绪论 化水平，提高了生产效率，带来了巨大的济济价值和社会价值。另一方面复杂设 备也不可避免的存在潜在的故障和失效的可能性“，一旦故障产生就可能诱发 事故。像铁路运输生产出现事故，它直接威胁到人民生命财产的安全，损失将是 惨重的。所以，及时发现机车故障并做出正确处理非常必要，计算机技术的发展 应用为我们解决此问题提供了技术手段。随着机车车辆高速化、轻型化和自动化， 制动部件也要求轻巧、紧凑，要求控制系统能减轻人的劳动强度，从而对包括设 备自我诊断在内的自动化程度的要求更高。因此，对于当前干线电力机车上广泛 运用的d k - 1 电空制动机进行无触点逻辑控制改造并构建电空制动故障诊断系统 具有重要的价值。 本课题研究的主要任务是：( 1 ) 以s s 3 b 电力机车为运用对象，对有触点逻 辑制动控制器( d k 1 ) 进行无触点的改造，研制出电空制动机无触点制动逻辑控 制装置d k l 。( 2 ) 构建以p c i 0 4 为核心的电空制动系统故障检测诊断系统。 6 硕士学位论文 第二章空气制动系统的原理分析 第二章空气制动系统的原理分析 2 1d k 1 型机车电空制动机及其电空阀概述 d k 1 型制动机于1 9 7 4 年开始研制，于1 9 7 7 年5 月正式投入运行考核。通过运 行证明：该制动机安全性能良好，能满足运行要求。铁道部于1 9 8 2 年5 月通过d k 1 型机车电空制动机的技术鉴定。批准d k 1 型电空制动机作为机车制动机的一种型 式在电力机车上采用。在吸收各运行段经验的基础上，又进一步完善性能，简化 操纵，改进工艺性。d k 1 型机车电空制动机既吸取了空气制动机的优点。又具有 电控制的特点，是适合我国国情的一种新型干线机车制动机。d k 一1 型电空制动机 作为我国铁道干线机车主型产品，已在电力机车上普遍使用1 。 d k 1 型机车电空控制机由于采用电信号传递控制指令及其积木式结构，具 有如下特点： l 、准、快、轻和静： 准减压量准确。 快充风快、停车快。 轻制动阀操纵手柄轻巧灵活、转动自如。 静司机室内无排风声，减少了噪音污染，改善乘务员的劳卫条件。 2 、结构简单，便于掌握，便于检修； 整体式的滑阀结构改成组合结构，使单件结构简化，通用件增多。且绝大多 数部件采用橡胶件，利于检修和查找故障，便于学习掌握。 3 、具有多重性的安全措施： 对于机车而言，首先考虑的是安全可靠性。为此，在系统设计上采用失电制 动，即一旦电气线路故障而失电，便能自行转入常用制动：其次是设置故障转换 机构，以确保在电气部分出现故障时，能简易地实现电转空控制，以传统的空气 控制方式继续运行；再是副司机侧设簧手动放风阀，以防万一。 为了适应我国铁路重载牵引和高速列车发展的需要，d k 1 型电空制动机增设 了一些制动新技术，包括制动集成逻辑控制、列车平稳控制、机车空电联合制动 等技术。本章主要任务是对o k 一1 电空制动机的原理先进分析。 硕士学位论文 第二章空气制动系统的原理分析 2 1 1d k - 1 型机车电空制动机的组成及其工况 d k - 1 型机车电空制动机主要由安装在司机室内的电空制动控制器( 俗称大 闸) 和空气制动阀( 俗称小闸) 、安装在车体内部的电控制动屏、分配阀和紧急 阀等组成。组成d k - 1 型机车电空制动机的主要部件，其相互关系在不同工况有 所区别。 1 电空位 a 控制全列车 电空制动控制器 + 电空阀卜均衡风缸呻列车管压力 机车分配阀一，机车制动缸 图5 17 输出模块电路图 经过逻辑芯片i s p l s l l 0 3 2 处理后的控制信号作为t c 4 4 2 2 芯片的输入。驱动 电源v d d 取+ 1 2 v ，在v d d 与g n d 之间接一个0 m f 去耦电容，+ 5 v 控制信 号经过驱动芯片放大为+ 1 2 v 的驱动信号后由o u t 脚输出到输出板。 5 0 翟文 硕j 二学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 电空制动装置是一个复杂的制动控制系统，包括控制部分、气路部分、管路 部分等总计2 0 0 余种部件【l i i ，系统的组成都可能存在丁f 常与非正常的老化、击穿、 磨损等潜在的故障。制动装置作为列车的主要安全技术保障，其组成的每一部分 必须始终保持良好的状态。因此，需要实时了解它们的1 ：况，第一时间发现问题 并作出正确处理。本系统的设计任务是：设计以嵌入式工控机p c i 0 4 为核心的 在线式检测系统，检测关键部件的工作状况，及时发现它们的故障并报警；设计 基于规则的知识型故障诊断系统作为故障诊断的辅助手段，即使专家不在场的情 况下车乘机务人员可以借助诊断系统诊断出故障部位并作出正确的处理。两者的 结合构成较为完善的电空制动装置故障检测与诊断系统。 6 1 在线式嵌入式p c i0 4 故障检测系统的设计 p c i 0 4 总线系统是一种新型的计算机测控平台，作为嵌入式p c 的一种，在 软件与硬件上与标准的台式p c ( p c a t ) 体系结构完全兼容，它具有如下优点：体 积小、十分紧凑，并采用模块化结构，紧固堆叠方式安装，适合于制作高密度、 小体积、便携式检测设备，因此在工业设备上有着较广泛的应用前景【2 8 1 。 6 1 1p c i 0 4 总线概述 p c i 0 4 嵌入式工控机采用c m o s 技术、超大规模集成技术和表面封装 ( s m t ) 技术使其体积更小、功耗更低。p c i 0 4 有如下特点： 1 、结构小巧紧凑。p c i 0 4 废除了母板结构，采用仅有迭接插针构成母线的 结构，连接之后在各模板之间增加支柱级联固定，构成稳定整体，能够适合像机 车较为恶劣的运行环境。 2 、全部使用c m o s 器件 1 吏整机功耗更低。 3 、总线易于扩充。p c i 0 4 模板具有横向的总线信号引出插针，便于使用原p c 机的x t a t 总线进行扩充。 4 、c p u 板的并行口和串行口镘到强化。并行口的数据线为双向口，控制线 为准双向口，使用灵活，可以定义为标准p c 机打印口或其他i o 口。串行口 硕+ 学位论文 第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 可以作为标准p c 的c o m l 通信口或扩展为控制台串行口，用于键盘输入和显 示终端输出或计算机之间的串行输入输出口。 5 、p c i 0 4 提供s v g a 显示接口，平板显示器接口支持所有类型l c d 及t f t 平板显示器。 鉴于p c i 0 4 以上的特点，开发以p c i 0 4 为工作平台的在恶劣环境工作的现 场故障检测装置是一个理想的方案【2 9 1 。 6 1 2 系统工作原理 本系统由e l 屏以中文菜单形式显示操作界面，用户通过小键盘进行操作选 择。来自传感器的被检测信号先经调理电路处理后，通过a d 变换变成数字量， 再进入p c i 0 4 处理。程序根据d k l 电空逻辑装置的控制位和相应的门限参数范 围，判断被检测部件是否工作正常。结果在e l 屏显示，有故障时报警提示，对 检测的故障数据处理形成报表。 6 1 3 系统硬件组成结构 本系统硬件组成如图6 1 所示。 曼廿一罩 硕士学位论文 第六章l 乜空制动故障检测与诊断系统的设计 大倍数为2 。印刷电路板如图6 - 3 所示。 表6 - 1 压力信号和开关信号的采集对象 代号名称数量代号 名称数量 5 6过充风缸 l 2 5 2 y v 过充电空阀 l 5 9 1 、2初制动缸22 5 3 y v 中立电空阀 l 压 9 l 第一总风缸 12 5 4 y v 排风i 电空阀 l 力 9 2 第二总风缸 l 2 5 5 y v 检查电空阀 l 信 开 9 9 ：j ：作风缸 l 2 5 6 y v排2 电空阀1 号关 1 0 2 制动风缸 12 5 7 y v制动电空阀1 信 1 0 5 辅助风缸 1 2 5 8 y v 缓解电空阀 1 号 开 4 9 y v 干燥器再生i 乜空阀 1 2 5 9 y v重联电空阀l 关 9 4 y v 紧急l u 空喇 1 4 5 1 、4 5 3中间继电器3 信2 4 l y v 1 端散沙i 乜空阀 14 5 4 延时继电器 1 号2 4 0 y v i i 端散沙电空阀 1 模掇信号输 c 2 图6 - 2 滤波放大电路 梗掇信号输出 图6 - 3 模拟通道印刷板 硕十学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 开关信号处理电路：将机车上的继电器辅助触头信号经过光隔离后再经整形 电路送至采集卡的i 0 口，这里我们采川光耦作为隔离元件。电路剀如6 - 4 所示，由5 5 5 组成整形电路如图6 5 所示，印刷电路板如图6 - 6 所示。 输 图6 - 4 数字量输入接口 图6 - 5 整形电路图 图6 - 6 数字通道印板图 输出 硕士学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 信号滤波：由于机车环境比较恶劣，检测信号中通常叠加有噪声分量，这些 噪声分量将会造成检测误差。因此，有必要采用滤波器来滤除这些干扰信号。滤 波可采用硬件滤波和软件滤波，在信号处理电路中采用硬件滤波，考虑到可靠性 及滤波特性的方便调节，本系统选用加权移动平均法进行软件滤波。 设混有噪声的采样值为： x ( o = j ( f ) + n ( o ( 6 - 1 ) s ( i ) 为有效信号，n ( i ) 为噪声信号，则第i 个点的加权移动平均值等于以i 点 为中心，左右各m 个点( 共2 m + 1 个点) 的加权平均1 3 0 l ： 确= 土( d j 妻= - m x ( f + 加( ) ( 6 2 ) 式中c o ( i ) 表示由n = 2 m + 1 个点组成的左右对称的加权函数，u 为归一化系 数，可由下式计算： g o = ( ，) ( 6 3 ) 这里加权c o ( i ) 函数函数为三角波，在本系统中m 取2 ，o j ( i ) 各点权值分别为 6 1 3 3 a d 转换。 a d 转换采用中断方式进行数据采样，利用定时器计数器的定时结束信号 e o c 作为中断源，实现定时中断采样。利用中断采集数据有2 个优点：一是可以 确定采样率和采样周期t 的大小，而且可以根信号的变化通过调整时钟分频因 子改变t 的大小以满足实际检测所要求的采样率：二是采集的速度快，可以充 分发挥硬件资源的能力。流程如图6 3 所示 61 4 传感器接口电路抗干扰技术的运用 由于机车运行工况复杂，干扰源多，必须采取有效措施防止干扰源经过耦合 通道进入传感器7 】，采取的措施有： 对于来自电网的干扰：这些干扰信号沿着交流电源线进入传感器接口电路内 部，将会干扰其f 常工作，影响系统的测试精度。主要措施是进行电源滤波，对 电源变压器采用双层屏蔽措施，在初、次级线圈之间加一个金属屏蔽层，并将屏 硕士学位论文 第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 蔽层接机壳地，可减小分布电容值，从而有效抑制高频干扰信号通过电源变压器 进入次级。 对来自地线的干扰：各部分电路的电流因流过公共地电阻( 地线导体电阻) 时会产生电压降，此电压降便成为各部分之间相互影响的噪声干扰信号。同时， 传感器离检测地点司机室较远，于是在两“地”之间就存在较大的接地电位差， 在采集信号的输入端容易形成共模干扰电压。频率低于1 m h z 时我们采用一点接 地法，高于1 0 m h z 时采用多点接地法。还要注意即信号地线、金属件地线和驱 动电路地线，这三种地线应分丌布线，并通过一点接地。由于传输距离较远，所 以信号的载体均采用双绞线。其中一条是信号线，另一条是地线。双绞线能有效 地抑制空间电磁干扰、线间串扰和信号地线干扰。因为空间电磁场在每个绞环内 产生的感应电动势是相同的，但对每一条线来说感应电动势可相互抵消，因此， 不会对传输的信号产生影响。其次，信号电流在两条线上大小相等、方向相反， 所以双绞线对其他信号线的互感为零，抑制了串扰。 在接口电路中，如出现两点以上接地时，可能引入共阻耦合干扰和地环路电 流干扰。抑制这类干扰的方法是采用隔离技术，通常有电磁隔离和光电隔离两种。 我们在系统中采用光电隔离技术，：通过光电耦合器切断两个电路间的联系，因 此信号是通过光路进行传递，它既传输信号又截断了地环路。 通过以上一些措施，有效的降低环境对信号的污染。 6 1 5 软件实现 软件结构框图如图6 7 所示。 6 1 3 1 设计思路 考虑到实时性，软件采取v b 嵌入汇编语言方式编写m 1 ，汇编语言可以直接 访问c p u 寄存器，具有速度快、时序控制方便的特点，v b 能够做出易于操作的 界面，由于v b 中嵌入汇编结合了两者各自的特点，因此能用于丌发硬件底层控制 程序。编写接1 2 1 程序时先用v b 语言生成中断服务程序框图，再用汇编语言完成 其功能，为了方便与数据处理程序间的数据传输，将它作为数据处理程序的一个 外部过程。 6 1 5 2a , 0 采集卡的设置 a d 转换流程如图6 8 所示，首先要设置好板卡的基地址，本系统中设置 硕士学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 为3 0 0 h ，b a s e + o ( 启动1 6 位变换读数据) ，b a s e + 2 ( 读状态) ，b a s e + 4 ( 读 写i 0 端口a ) ，b a s e + 5 ( 读写i o 端口b ) ，b a s e + 7 ( 写i o 控制字) ，b a s e + b ( 写定时器计数器控制字)，b a s e + c ( 设置编程通道) 图6 - 7 软件结构框图 图6 - 8a d 转换流程 5 7 硕+ 学位论文 第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 6 1 5 3 程序控制 p r o c e d u r e1 0 ； b e g i n a s m 定义i 0 输入输出口 m o v d x ，307 h m o va l ，8 2h o u td x ，a l m o v d x ，305 h i na 1 d x m o v d x 30 4 h o u td x ，a 1 e n d ； e n d ； p r o c e d u r ei n i t c o u n t e r ( p o r t ：w o r d ；c o n t r o l w o r d ：b y t e ) ； b e g i n a s m 初始化计数器 m o vd x 3o b h m o va l ，c o n t r o l w o r d o u td x a 1 m o v d x ，p o r t m o v a l ，0 f f o u t d x ，a l o u t d x ，a l e n d ； e n d ； f u n c t i o nr e a d c o u n t e r ( p o r t ：w o r d ；c o n t r o l w o r d ：b y t e ) ：s t r i n g ； v a t v a l u eh ，v a l u el ：b y t e ； l c o u n t e r ：i n t e g e r ； b e g i n 读计数值 a s m m o v d x ，30 b h m o va l ，c o n t r o l w o r d o u t d x ，a l m o vd x ，p o r t i na l ，d x m o vv a l u el ，a l i na 1 d x m o vv a l u eh a l e n d ； i c o u n t e r ：= ( 25 5 一v a l u eh ) + 25 6 + 25 5 - v a l u e l ： r e a d c o u n t e r ：= i n “o s t r ( i c o u n t e r ) ； 硕士学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的殴计 e n d ； f u n c t i o no u t b ( c o n s tc h a n n e l p o r t ：b y t e ) ：s t r i n g ； v a rd a t ah ，d a t al ：l l y t e ；v a l u e ：r e a l ； l a b e ll o o p l ； b e g i n a s m m o vd x 30c h s e t c h a n n e l m o va l ，c h a n n e l p o r t o u t d x ，a l m o vd x ，300h s t a r t c o n v e r t m o v a l ，01h o u t d x ，a l m o vd x ，302 h l o o p l ： i na 1 d x t e s t a l ，01h j z l o o p l m o vd x ，300 h i na x ，d x m o vd a t ah ，a l h i g h 8 b i t s m o vd a t al ，a hh l o w4 b i t s e n d ； v a l u e ：= ( d a t ah + 1 6 0 + d a t al 1 6 0 ) 4 0 9 6 0 + 1 0 0 ； o u t b ：= f l o a t t os t rf ( v a l u e ，f rf i x e d ，6 ，3 ) ； e n d ； 以上程序完整地给出了a d 转换、计数器的初始化与计数以及i o 量的输 入输出方式控制的接口函数实现，只需要在主程序中给出相关参数即可。例如要 测试制动风缸的压力，实现方式如下：e d i tz f y y l t e x t ：= o u t b ( $ 7 ) ；其中$ 7 为制动风缸压力测试通道号。检测系统主界面见图6 一1 2 所示。 6 2 电空制动故障诊断系统 62 1 故障诊断概述 自1 9 9 4 年以来，故障系统在铁路技术领域的开发应用也常有报道 3 1 - 3 4 】，尤 其是在调度派谴，损伤分析，系统诊断，智能运输，工程设计，智能监控等方面 都取得了相当大的成功，充分展现了故障诊断系统在铁路技术领域的开发应用潜 力。 硕士学位论文第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 诊断系统用于机车制动故障诊断具有巨大的经济价值和社会价值。诊断系统 作为一种实用工具，为人们保存、传播、使用和评价知识提供一利，有效的手段f 4 “。 传统的知识传播过程需要多年的教育，诊断系统的建立是通过一些已在实践中得 到验证的知识获取方法，够通过专家的通力合作，把专门知识形式化，并且把这 类知识进行编码，从而存入计算机中。诊断系统不仅能存储知识，还能有效地利 用知识。成功的诊断系统可以代替或协助专家解决实际问题，从而计算机可以高 效、准确地从事大型铁路机车的维护管理工作，这样可以大大减轻设备管理人员 的工作量，也有利于专家从这些工作中解脱出来，使他们有更多的时间和精力去 研究本倾城中的一些有规律的实质性问题，推动机车制动控制故障诊断技术的发 展和完善”。 电空制动故障诊断系统的研究是个新课题，目前还没有关于此故障的数学模 型，不过人工检修方面却有着丰富经验，这种领域使用诊断系统技术最为合适1 4 2 1 。 6 2 2 面向对象编程语言v i s u a lb a s i c ( v b ) p 6 i 到目前为止，用于丌发诊断系统的工具非常多，本系统利用面向对象的编程 语言工具( v b ) 开发机车电空制动故障诊断系统。 v b 是基于窗体的可视化程序开发环境，其编写程序的经典方法是根据预先 设计的图形用户界面，用鼠标将工具箱中的各种控制拖放到窗体的制定位置，并 将其调整所需的大小，设置必要的属性，在加入处理用户事件所需的简单代码。 v i s u a lb a s i c 的突出特点是将大量的w i n d o w s 编程细节隐藏起来，通过数据驱动 的方式调用不同的程序代码，使得程序丌发人员可以将主要精力放在程序的关键 处理步骤上，而且其处理方法直观、方便。 62 3 机车电空制动故障诊断系统的组成 机车电空制动故障诊断系统主要有三部分组成：推理机、知识库和人机接口， 其结构如图6 - 9 所示。 机车电空制动故障诊断系统强调利用电空制动专家的专门知识来解决那些 需要专家才能解决的现实问题。所以，一个电空制动故障诊断系统的两个核心组 成部分是存放专门知识的电空制动系统故障的知识库和利用知识库实现实际问 题求解的推理机。 6 0 硕士学位论文 第六章电空制动故障检测与诊断系统的设计 图6 - 9 诊断系统的组成结构 6 2 4 电空制动系统故障知识库 在面向对象知识库中，知识类型包括事实、规则和过程3 种。 62 4 1 诊断系统的知识表达 本诊断系统采用规则知识表达。知识库中单条规则主体由i f t h e n 两个部 分组成。规则的表达式为： r l e ( 规则标号) ( 规则名) ( 规则说明) 由于采用的是v b 中可视化数据管理器，因此在编写数据库时比较简单，它 不需要用代码和i f t h e n 语句来建立电空制动系统故障现象与故障原因、排除 方法一一对应的关系，因为v b 中的m i c r o s o f ta c c e e s s 数据库本身就具有一一对 应关系，只需要建立序号、故障现象、故障原因、排除方法字段。这样只需要搜 索故障知识库中的故障现象所对应的序号就能找到故障原因和排除方法，只需要 循环语句和i f t h e