（电气工程专业论文）机车检修试验数据采集与网络系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l 页 摘要 本文以宝鸡电力机车段机车检修数据采集与网络传输系统为研究对象，通 过对整个系统所要达到地功能综合研究和对各种技术方案进行对比和分析，最终 设计出了此方案。 论文第一章论述了现阶段国内机车检修数据管理和现状及所存在 的弊端，阐明了机务段信息统一管理的作用、对机务段机车检修试验 数据进行统一管理的必要性及其可以带来的收益，进一步提出了机务 段进行机车检修数据采集与网络传输的重要性；介绍了本论文要完成 的工作。 论文第二章通过对各种可以实施的方案的优缺点进行分析与比 较，从而确定了网络方案，串行通讯方案，数据库方案，查询模式的 确定。 论文第三章完成了宝鸡电力机车段的各站点设置及其要求功能的 分析，综合各方面要素完成了局域网的设计，并且确定了网络运行模 式和所选择的协议以及对安全性及可靠性的分析。 论文第四章完成了整个系统的硬件及软件的设计，其中包括各站 点的数据采集器与传输控制器，接收机部分，数据处理机服务器部分 传输网络；并且完成了对整个系统的运行过程的分析。 岂 - j 1 ：i ， 关键词： 机车检修、数据传输、网络、睐集、悖输 疆南交通大学硕士婿交生学位论文第ll 烫 a b s t r a c t t h e p a p e ra i m e d a tt h es y s t e mo fl o c o m o t i v ee x a m i n e da n d r e p a i r e d d a t ac o l l e c t i o na n dn e t w o r k t r a n s m i s s i o ni n b a o j i e l e c t r i cl o c o m o t i v es e c t i o na si t s r e s e a r c h i n go b j e c t 。b ym e a n s o ft h ei n t e g r a t e dr e s e a r c ha b o u tt h ef u n c t i o nt h ew h o l es y s t e m w i l lr e a c h ，a n dc o n t r a s ta n d a n a l y s i so f s e v e r a lt e c h n i c a ls c h e m e s ， t h e p a p e re v e n t u a l l yd e t e r m i n e dt h es c h e m e 。 t h ef i r s t p a r t o ft h e p a p e r d i s c u s s e dt h e l o c o m o t i v e e x a m i n e da n d r e p a i r e dd a t am a n a g e m e n ta n ds t a t u sa n de x i s t e n t a b u s ei n c h i n a ；c l a r i f i e dt h ee f f e c to ft h el o c o m o t i v es e c t i o n i n f o r m a t i o nw h i l em a n a g e m e n t ，a n dc l a r i f i e dt h en e e do f w h 0 1 e m a n a g e m e n to fl o c o m o t i v ee x a m i n e da n dr e p a i r e dd a t aa n di t s c o m i n gi n c o m e ；a n dm o r eb r o u g h tf o r w a r dt h e i m p o r t a n to f l o c o m o t i v ee x a m i n e da n dr e p a i r e dd a t ac o l l e c t i o na n dn e t w o r k t r a n s m i s s i o ni nl o c o m o t i v e s e c t i o n ；i n t r o d u c e dt h et a s kt h ep a p e r w i l lb ef i n i s h e d t h es e c o n do ft h e p a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r ew i t ht h e s e v e r a l s c h e m e s ，c o n f o r m e dn e t w o r k s c h e m e ，b u n e h c o m m u n i c a t i o ns c h e m e ，d a t a b a s es c h e m e ，a n dc o n f o r m e d q u e r y m o d e t h et h i r do ft h ep a p e rf i n i s h e ds e v e r a ls t a t i o n s s e t t i n go ft h e 嚣枣交逶天攀矮圭磅突奎学经圣鑫文簿ll 顷 b a o j il o c o m o t i v es e c t i o na n da n a l y z e dt h e i rf u n c t i o n a ld e m a n d ， f i n i s h e dt h ed e s i g no ft h en e t w o r ki n c l u d i n gi n t e g r a t i n gs e v e r a l f a c t o r s ，c o n f o r m e dn e t w o r k r u n n i n gm o d ea n ds e l e c t i v ep r o t o c o l ， a n d a n a l y z e d t h e i rs e c u r i t ya n d d e p e n d a b i l i t y 。 t h ef o r t ho ft h ep a p e rf i n i s h e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o ft h ew h o l e s y s t e m ，i n c l u d i n g d a t a c o l l e c t i o n s ， t r a n s m i s s i o nc o n t r o l l e r si ns e v e r a ls t a t i o n s ，t h e p a r to f r e c e i v e r s t h ep a r to fd a t a p r o c e s s o ra n d t h es e r v e rt r a n s m i s s i o n n e t w o r k ；i t a l s of i n i s h e dt h ea n a l y s i so f r u n n i n gp r o c e s s o ft h ew h i l e s y s t e m k e y w o r d s ：l o c o m o t i v ee x a m i n e da n d r e p a i r e d ，d a t at r a n s m i s s i o n ， n e t w o r k ，c o l l e c t i o n ，t r a n s m i s s i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 第一章绪论 机车的检修质量是机务段非常重视的问题。由于目前我国的铁路运输非 常繁忙，机车如果在运行中出现机破故障，势必造成一段铁路线停运，给国 家财产造成大的损失。因此，提高机车检修质量、避免机车故障是整个铁路 运输中的一个非常重要的任务。根据机车的运行情况进行分析可知，机车( 主 要指电力机车) 的大部分故障均是由电气设备故障引起的。为了避免机车电 气设备在运行中出现故障，提高机车的运行可靠性就需对机车上的电气设备 进行定期检修和试验。检修质量的高低决定了机车的运行可靠性。由于铁路 机务系统的检修工作繁重，部件种类复杂，设备型号多且地点分散，测试结 果格式又不统一，给检修和试验工作造成很大困难。如果将各个现场设备的 测试数据自动传输到一起，按统一格式实现集中管理，就可以有效的监督现 场检修工作；还可以进一步利用机车的检修数据、配件领用记录、配件化验 记录来找出它们之间潜在的关系，进而能够预测出质量隐患，从而为我国机 务系统的自动化水平、检修质量和管理水平的提高作出贡献。 本系统所要实现的是机车检修数据的收集、加工、处理、储存和查询， 且要求能够实现自动化，能够实现异地查询，因此建立一个高效率、低成本 的网络系统就显的十分重要。系统底层即数据分布采集层是本系统的采集， 传送设备试验数据的地方，收集、传送数据过程的速度及可靠性、稳定性都 直接影响到系统以后的工作，因此串行通讯的好坏直接关系到系统的可靠性、 稳定性，所以我们采用了高速以太网与串口通信相结合的方式，这样就达到 了即快速又能保障数据安全的作用；在数据库的选择方面我们选择了最流行 的s q ls e r v e r 关系数据库，这对于数据的查询与存储提供了强有力的保障。 围绕这个问题，我们在查阅了各类相关资料及对一些铁路局机务段的检 修过程及检修管理方法作了充分了解，经过研究比较后认为，用串行通讯网 西赢交通大学硕士研究生学位论文第+ 2 页 酾局域网组成鹩两级分布采集、集中管理、信息共享的机务段辊窜检修试验 数据采集传输嘲络系统是一蓦申眈较理想鲍方案。 一一 l 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页 第二章网络传输方案与查询模式的选择 现代科学技术的发展使的我们实现一种系统或者具体的实现某一功能 几乎都有很多种方法、途径，而在众多的方法、途径中就有很大的区别，虽 然它们最终都能够实现我们的预期目标、功能。众多的方案中，各个方案都 有其自身的优点与缺点，我们就要从系统的实际要求及现有技术、设备条件 等方面出发，综合对比，选择出各个方面都较适合设计实际情况的方案。 2 1网络方案选择 本系统所要实现的是机车检修数据的收集、加工、处理、储存和查询， 且要求能够实现自动化，能够实现异地查询，因此建立一个高效率、低成本 的网络系统就显的十分重要。我们需要建立的网络能够将数据采集器采集到 的设备数据通过网络传送给数据接收机，数据接收机初步处理后的设备数据 又要能够通过网络传送给系统数据库服务器，由服务器对设备数据进行处理， 归类和保存。另外，我们还要求本地用户可以通过局域网对数据库服务器中 的设备检修数掘进行查询访问，远程用户则可以通过互联网对数据库服务器 中的设备检修数据进行查询访问。如此一来我们首先就要对传输网络实现进 行选择，即要建立一种网络，使其能够完全实现我们的设计目标且尽可能的 简单易行，成本低廉，这直接关系到系统的成败与可行性及可推广性。目前 工程上主要采用以下三种方案： ( ) 串行通讯网 ( 二) 局域网 ( 三) 下层采用串行通讯，上层采用局域网的两层网络 在对投资、技术难度、可靠性、可扩展性等一系列指标进行比较后发现： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 第一瓣方案： 串行通讯只需很少的传输线，线路设计简单、价格低廉、控制方便、对 设备要求低，餐传输速袋幔、实现较复杂臻靛孵软传编裁工 睾量缀大e 显然 不能满足系统对备用户掇供快逡、简洁的查询功能的聚求。故该方案不可取。 第二种方案： 局域网技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技 术发展最快的领域之一。随着局域网体系结构、协议标准研究的进展，局域 网操 擘系统的发展，光纾技术的弓 入，以及裹遮是域溺技术鹩发展，局域溺 技术特征与性能参数都不断发生着巨大的变化，局域网的技术特征从其应用 惫发看瑟瓣霹分为馥下凡点： 1 局域网覆盖有限的地理范围，它适用于机关、公司、校园、工厂等有 隈范霞蠹翁计算辘、终灞与各类信怠楚瑾设备涟丽的需求。 2 局域网具有高数据传输速率( 1 0 m b p s 一1 0 0 m b p s ) 、低误码率的高质量数 据传输环境，数糖传输速率高达1 g b p s 的高速局域网正在发聪之中。 3 ，局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。 另外，局域网技术成熟，软件上可利用资源多。但对设铸要求高，硬件 投入掰霞资金巨大。出予捡掺数攥量对予犀域瓣霹蕊输量来说缀小，溷戴采 用此方案，经济一k 很不合理。故此方案不可取。 第三释方案：兖分壤敬了裁嚣萃孛方案各鑫静优点，互穗补充，扬长弃短。 在系统的底层即数据分稚采集屡采用串行通讯方案：幽于每个站点的试验数 掭麓并不大，一般仅在凡k 左右，所戳串行通讯的速度可以接受，而数据的 传输主要在后台逡行，功能较简单，软件编制的工作攮也合理，同时串行通 讯线路设计简单、价格低廉，因而可大大降低硬件投入资金：而在系统的上 层鄹住处处理层袋蔫羁域嬲方案：出予袋处处理堪集中了段杰骶窍试验数据， 数据量很大，同时信息处理要求软件功能强大，界面友好，这就要求很高的 逶瀑速凄秽功麓强大懿疲嗣软编麓环壤，舔晟域弼裁可充分发挥萁速度抉、 软件开发平台功能强大的优势。 一堕蜜奎堂奎兰堕主塑壅竺堂熊笙壅 兰! 蔓 _-_。_-_p。”_1。“”一一综上痰谜，我翻决定采麓第三耱方案。 2 2 串行通讯方案选择 出上面的分析我们决定在系统豹底层郢数据分布采集层采稍线路设计 镯单、价楱低廉，可太大减少硬件投强的串行通讯方案。又因为系统底层站 数据分布采集层是本系统的采集，传送设备试验数据的地方，收集、传送数 攥过程兹速度及霹纛瞧、稳定整都壹谈影嚷到系统以茬戆_ i 终，因忿串萼亍遴 讯的好坏赢接关系到系统的可靠性、稳定性，对串行通讯方案的选择要十分 黧心、谨t 巍翻。行。强兹流幸亍瀚串行通镶方案主鬟有以下凡种： ( 1 ) r s 2 3 2 规范 ( 2 ) r s 4 4 9 规范 ( 3 ) r s 4 8 5 规范 第一种方案：r s 2 3 2 是计算机远程通信中皮用最广泛的一种串行通信按 嚣标准，毽宅戆传羧距离较簸，一般瘦小予 5 m ：簧输速率羝；连接器不繇 凇；接口处容易产生串抗。冤沦在传输距离还怒传输可靠性上，此方案都不 麓满足系统要求。 第二种方案：r s 4 2 2 提供平衡型电压数字接口电路的电气特性标准。传 输距离最邋可达1 2 0 0 m ，波特率可达1 0 m p s ，全双工通信模式，最少需要两 对售号线。虽然传翰距离满怒要求，馁全系统奁露一对剃只要求有一个接收 机接收数据，即不需要全双工通信模式，因而采用此方案将会造成有一对信 号线姿源辫霉。疆豉疑经漭羔考虑不蜀敬。 第三种方案：r s 4 8 5 实际上是r s 4 2 2 的变型，但它采用的是半9 2 i i 作 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页 方式，因而可以只用一对平衡差分信号线连接，特别适用于多点互连。由于 本系统在同一时刻只会有一个接收器接收数据，因此用半双工工作方式就能 满足要求，而且还可以省去一半信号线，节约了资金投入。 综上所述，我们决定在系统的下层一串行通讯层采用第三种方案。 2 3 数据库方案选择 由于本系统是通过数据库对所有传输过来的数据进行处理、归类及储 存的，无论是在系统的开发阶段，还是在使用阶段，数据库的工作量都是占 了绝大一部分，因而我们采用的数据库的性能将直接决定整个系统的性能。 目前，国内、国际的主流数据库有如下几种： ( 1 ) f o x b a s e ( 2 ) f o x p r o ( 3 ) o r a c l e ( 4 ) s q l s e r v e r7 0 第一种方案：f o x b a s e 系统是美国f o xs o f t w a r e 公司最早于1 9 8 4 年推出 的数据库产品，它由于完全兼容d b a s e 产品，运行速度远远超过d b a s e i i i ， 并且引进了编译器，因此在很长的时间内得到了广泛的应用。f o xs o f t w a r e 公司于1 9 8 7 年推出了f o x b a s e 系列产品的最高版本f o x b a s e + 2 1 。此后 1 9 8 9 年，推出了f o x b a s e 的升级换代产品f o x p r o1 0 。由于推出时间早， 功能较强，在国内外有不少应用，但它已经不适应现代网络系统对数据库的 要求。故该方案不可取。 第二种方案：v i s u a lf o x p r o 是近几年在我国最流行的关系数据库系统， 一直被不同层次的程序员用于设计和开发各种类型的管理信息系统或者进行 数据库的维护。v i s u a lf o x p r o 最大的特点是易学、高效、功能强大，特别适 合中小型数据库的管理，熟练的v i s u a l f o x p r o 程序员可以在一个月左右的时 涮内编程实现一个小型的管理系统。1 9 9 8 年，m i c r o s o f t 公司推出了v j s u a i 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页 f o x p r o6 0 ，其功能更加强大，主要表现在以下几个方面： 能够管理大量复杂的数据信息，同时具有很好的安全性。 使用结构化查询技术，能够从大量的数据中快速查询需要的信息， 具有很好的实时性。 具有较强的网络功能，能够实现数据的远程访问和存储加工。 使用面向对象的开发技术，能够开发出功能强大的专门针对用户的 应用程序。具有强大的a p i 函数库，支持a c t i v e x 和0 c x 技术，并且在一些 功能不能实现时可以借助v is u a lb a s i c 和v i s u a lc + + 等其他工具辅助开发。 能够快速、随意地制作出用户需要的各种形式的报表和标签。 能够方便第根据数据制作直方图、饼图等。 总之，f o x p r o 数据库在性能上比f o x b a s e 有长足的进步，编程简单，十 分适合小型数据库的开发，但在大型海量数据库的处理能力上比o r c a l e 和 s q ls e r v e r 尚有不足。考虑到系统的长远发展性，此方案也不足取。 第三种方案：o r a c l e 数据库是当今世界上应用最广泛的数据库之一。 o r a c l e 的性能特点主要有； 1 o r a c l e 对异种操作系统、异种机、异种网的适应能力强，它通过 s q l n e t 支持全部工业标准的网络协议，支持单机上运行多协议，提供多协 议转换技术。能运行在包括p c 机、r i s c 工作站在内的9 0 多种平台。且具 有相同的用户界面，真正做到在异构环境下运行同一个d b m s ，有非常好的 可移植性和交互一致性，体现了对应用资源整体化和集体化的思想。 2 o r a c l e 系统的另一个突出的优点是具有工具优势，协同开发环境 ( c d e ) 工具集提供一整套完整的、且相互集成的应用开发工具。 1 9 9 7 年推出的o r a c l e 8 0 产品在各方面的功能与性能都有显著地提高。 o r a c l e8 0 提供了适用与多种应用、高效、可靠、安全的数据管理，包括大负 荷的联机事务处理系统，以及查询为主的数据仓库应用系统。o r a e l e8 0 的对 象为管理复杂数据提供了新的能力。同时o r a c l e8 0 还提供了功能强大大的 系统管理工具，可使数据方便、有效地进行灵活分布，获得最佳性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页 o r a c l e8 0 的开发式标准网络计算体系结构( n e t w o r kc o m p u t i n g a r c h i t e c t 。简称n c a ) 可使信息技术开发者花很少的时间就可解决数据互操作 性问题，从而将更多的精力用到应用系统的开发上。 0 r a c l e 数据库服务器进行了完全重新的设计，采用网络计算体系结构 n c a ，提供了前所未有的能力。为支持n c a ，对数据库的服务器提出了更高 要求，包括： ( 1 ) 支持客户的所有应用的能力。 ( 2 ) 支持客户的所有数据的能力。 ( 3 ) 应用程序的快速开发、部署、执行。 ( 4 ) 大大提高投资回报。 虽然o r a c l e 具有上面所述的诸多特点和优点，但它的费用昂贵，而且在 与w i n d o w sn t 平台的结合上不如s q ls e r v e r 稳定。从经济和系统稳定性 考虑，我们也放弃了此方案。 第四种方案：s q l s e r v e r7 0 是用m i c r o s o f t 公司在1 9 9 8 年1 2 月发布 的。在系统的易用性、可伸缩性、可靠性和其他性能方面作出了一系列革新， 并为开发者提供了快速简便的编程模式。m i c r s o f ts q ls e r v e r7 0 作为一种优 秀的关系型数据库管理系统，是一种服务器数掘库管理系统，它建立的数掘 库是通过客户机被访问的，即是从其他计算机系统而不是从输入输出设备进 行访问的。正由于服务器数据库有其不同于大型机或小型机数据库的特点， m i c r o s o f ts q ls e r v e r7 0 在网络组件的顶部添加了服务特有的中介组件，如 开放式数据库连接( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ，o d b c ) 能使不同客户机相互 连接，而不要求变更服务器及其它现存客户应用程序。同时，s q ls e r v e r7 0 也包含个人电脑数据库的许多工具。下面列举s q l s e r v e r7 0 的几个特点： 全面的数据完整性保护，无论是复杂的事务支持和高级安全性，还是 以用户数据库隐式部分支持用户的商业规划对象以及数据完整性保护 都适用。 与w i n d o w sn t 集成，允许在s m p ( 对称多处理) 系统中实现彻底的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9页 多线程和对称多处理，并且可集成到分布式管理环境中。 在低造价平台上的突出性能。 一流的管理工具。 对多服务器“分布式”事务的内在支持。 m i c r o s o f ts q ls e r v e r7 0 与其早期版本相比又增添了一些新特性，功 能上有了很大改进，主要有以下几点： 对于服务器体系的改进 进一步减少了系统管理所需费用。 加快了复杂查询的进程。 加强了对超大型数据库( v s d b ) 的支持。 支持w i n 9 5 ，w i n 9 8 操作平台。 对于操作向导的改进。 具有微软风格的控制台。 网络支持向导有进一步改进。 对于服务器体系的进一步支持。 对查询系统的改进。 为应用程序的开发提供了更大便利。 微软英文查询引擎。 新的数据类型。 与o l e 的更完美结合。 o d b c 。 因此，对于机务段试验数据库采用大型关系型数据库，且要支持远程网络查 询，s q l s e r v e r 7 0 无论从满足现场要求还是考虑到未来系统发展空间来 看，都是合适的。 综上所述，我们采用了第四种方案，即采用大型关系型数据库管理系统 m i c r o s o f ts q ls e r v e r7 0 来作此系统的数据库系统。 嚣满交逶大学磺童骚突生学佼论文繁1 0 蒌 2 4 网络查询模式选择 网络查询模式是系统的窗口，直接蘧对的是每个用户，因嬲它将决定系 统筋易焉往。璃在网络鸯询模式的方案主要有爨下滔萃申e ( 1 ) 客户服务器模式 ( 2 ) w e b 浏览模式 第一种方案：客户暇务器结构主要是指一个数据库应用系统分解为藏 台的客户，应用程序和后台的服务器部分。通过网络连接应用稷序和服务器。 从丽减少工 乍站网络负载，有利于低遮涟接的远程客户。 c l i e n t s e r v e r 橛念簸翠用于摇述软件的俸甍结梅，它藤来表示两类协 作程序间的关系，其中一类为客户机( c l i e n t ) 程胯，另一类为服务器程序。 c l i e n t 程序与s e r v e r 程序可以运行在台计算枫中，选可以运行在网络环境 中的两台或多台计算辊中。在露络环辘中，c l i e n t 程序向s e r v e r 程序发送服 务请求，s e r v e r 程序接收、处理c l i e n t 程序的请求，并将处理缡果回送给客 户规。 在罩髑的分时多终端主视系统中，所有的稷序( 数据库管理系统、应 用程序、通信程序等) 都谯一个主机系统中运行，所有数据都存储在主机中， 用户通过本地袋远程终瑞访闫主枫。这季申结构的优点是数据存敬管理方便， 安全性能好，并发处理裁力强；缺点怒系统投资大，维护费用较高。随着计 算机应用的f ：1 趋广泛，人们对计算机系统提出了降低费用的“向下优化 ，莸点交i e 满羹秣左 上角的“后退”按钮重新选择；( 见图2 3 ) ； 图2 3 ：点击“厝退” 按照上述步骤，可查番裂萁毽郝传魏数据。 5 数据库查询部分： 根撄上面几裳的分析及准各，我们为此系统的最终实现编霹了摇穿，绽 程在本设计中占肖十分重簧的地位，可以说编程是本设计的中心环节、煎中 歪泰交透丈擎骧士疆突生学位论文繁3 7 夏 之重，因为整个系统中滗论是下层试验部分的数据传送处理，还是上层数据 库服务器部分的数据处瑕、储存及查询都离不开编程实现，离开了编程整个 系统设计就成了一个空汽，而我们为各个部分所编写的程序则相当于向此空 壳萋浚入了盎滚，使整个系统髓够工作怒采。由于时闻关系，我锯至l 褒在还 没鸯窕全实现馥系统懿全都功能，豆我们现在也只能大穰蕊罄模拟一下电机 段现场的情况，说明系统工作的部分原理。系统的真正实现只有到现场根据 具体的实际情况才能完全实现。我先编制了一个简单的查询演示子模块来说 明系统的对电力机车试骏数据库的查询功能的实现，当然系缝实际数据库的 套鲞及复杂疆褒罄毙凌凌演示懿要太黪多，毽对数摆痒来滋，獒筑模大一些 基本。b 就是建库时的工律餐大一些，各数掇席表间的相