（电力电子与电力传动专业论文）基于ffpn的tpz27型电子柜故障诊断系统的研制.pdf

a bs t r a c t t h es a f e t yi sa l li m p o r t a n tg u a r a n t e ea b o u tt h eq u a l i t yo fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n t h et p z 2 7e l e c t r o n i cc a b i n e ti st h ec o r ec o n t r o ld e v i c eo f s s 4m o d i f i e de l e c t r i cl o c o m o t i v e i nw h i c ht h ef a u l tw i l la f f e c tt h e n o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v e i ti ss i g n i f i c a n tt om a k es u r et h e c a b i n e tw o r k sn o r m a l l yf o rt h es a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i cl o c o m o t i v e t h e r e f o r e t h ee l e c t r o n i cc a b i n e tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mb e c o m e sv e r y n e c e s s a r y r e g a r d i n gt h et p z 2 7 e l e c t r o n i cc a b i n e ta so b j e c t o fs t u d y t h et h e s i s a n a l y s e s i t s p r i n c i p l ea n dt h e c o n t r o l p r o c e s so fc l o s e d l o o ps p e e d r e g u l a t i o ns y s t e mt h a ti sc o m p o s e do fc a b i n e ta n dm a i nc i r c u i to fe l e c t r i c l o c o m o t i v ei nt h es i t u a t i o no ft r a c t i o na n db r a k e t h eo f f l i n et e s ti su s e d f o rt e s ts y s t e mi n t h i st h e s i s t h et e s ts c h e m eo fs y s t e mi n c l u d e s e n t i r e c a b i n e tt e s ta n ds i n g l e b o a r dt e s t t h es y s t e mb u i l d s a m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm a i nc i r c u i to fe l e c t r i cl o c o m o t i v e r e a l i z e st h e c l o s e d 1 0 0 pt e s to fe l e c t r o n i cc a b i n e tb ys i m u l a t i n gt h ew o r ke n v i r o n m e n t o fe l e c t r o n i cc a b i n e t i nt h el i g h to ft h ed y n a m i cm a n n e ro fe l e c t r o n i cc a b i n e tw o r k s t h e c o m p l e x i t yo fc i r c u i t a n dd i v e r s i t yo ff a u l ts o u r c e o ft a k i n gt h e a d v a n t a g e so ft h ep e t r in e tw h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e s c r i b et h ef a u l tw i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r c u r r e n ta n ds p r e a d i nt h i st h e s i st h ef a u l tp e t r i n e ti si n t r o d u c e db a s e do np e t r in e t i no r d e rt os o l v eag r e a ta m o u n to f u n c e r t a i n t yo fi n f o r m a t i o ni nc o m p l e xe q u i p m e n to ff a u l td i a g n o s i s f u z z y p r o d u c t i o nm l e sa r eu s e df o rd e s c r i b i n gd i a g n o s t i ck n o w l e d g e t h i s t h e s i sg i v e st h ef u z z yf a u l tp e t r in e tt r a n s i t i o nf i r e da l g o r i t h m s a n d p r e s e n t sar e t r o s p e c t i v ef e a t u r e s a n dal e v e lo fb a c k w a r dr e a s o n i n g a l g o r i t h m w h i c he f f e c t i v e l yn a r r o w st h es c o p eo ft h ef a u l ta n dr e d u c e s t h er a t eo fo m i s s i o n t h et p z 2 7e l e c t r o n i cc a b i n e tf a u l td i a g n o s i sm o d e l o fe n t i r e c a b i n e tt e s ta n ds i n g l e b o a r dt e s tb a s e do nf f p n f u z z yf a u l t p e t r in e t i se s t a b l i s h e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r n lo ft h es y s t e mi sd e s i g n e dw i t ht h ei d e ao f m o d u l a r i z a t i o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt y p e so fs i g n a l s t h eh a r d w a r e p l a t f o r mi sd i v i d e di n t oan u m b e ro fm o d u l e s w h i c hi n c l u d ed i g i t a li o n m o d u l e s a n a l o gi om o d u l e sa n df r e q u e n c ys i g n a lm o d u l e s e t c s y s t e m s o f t w a r ei sd e s i g n e df o ras e r i e so ff u n c t i o n s i n c l u d i n gu s e rs e t t i n g s t e s t i n gs y s t e m k n o w l e d g em a n a g e m e n t a n dd a t am a n a g e m e n t i n a d d i t i o n t h em u l t i t h r e a d i n g m e t h o di s a d o p t e d w h i c hi m p r o v e s e f f i c i e n c yo ft h es y s t e mw i t haf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e t h ea u l td i a g n o s i ss y s t e mo fe l e c t r o n i cc a b i n e th a sb e e nc o m p l e t e d t h es y s t e mh a sb e e na d o p t e db yt h et a i y u a nr a i l w a yb u r e a ut e c h n i c a l a p p r a i s a lb ye x p e r t s a n da p p l i e di nh u d o n gl o c o m o t i v ed e p o tw i t hm u c h p r a i s e k e yw o r d se l e c t r o n i cc a b i n e t f u z z yf a u l tp e t r in e t f a u l td i a g n o s i s m o d u l a r d e s i g n i i 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 及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加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论文中作了明确的说明 作者签名 豇 学位论文版权使用授权书 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 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 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 同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公 众提供信息服务 作者签名 壹 导师签名雄日期 2 塑库 妇丝日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 安全是铁路运输质量的重要保证 实现铁路跨越式发展 快速提高铁路技术 装备水平 加快机车装备现代化进程 对实现铁路跨越式发展 意义重大 电子 柜是s s 4 g 型电力机车上重要的控制设备 其主要功能是结合机车主电路 起完 成对电力机车的牵引制动控制 l 为确保电子柜正常工作 需加强对电子柜的维 护和检修 以减少机车运行过程中因电子柜故障而发生的 机破一现象出现 保 证机车安全运行 1 1 课题背景与研究意义 随着现代化生产的发展和科学技术的进步 现代设备的结构越来越复杂 功 能越来越完备 自动化程度也越来越高 高速铁路列车 地铁列车及城市轻轨交 通车辆在世界范围内迅速发展 方兴未艾 除快速 经济 舒适和环境效益外 安全是交通运输系统中极为重要的指标 是高速铁路得以发展的支柱和生命线 纵观世界 现代技术进步使得各种交通运输系统的装备日臻完善 更趋安全 但是交通事故仍时有发生并危及旅客的生命财产 严重的甚至酿成毁灭性的灾 难 以日本为例 1 9 8 5 年每1 0 亿公里死亡人数铁路为1 9 7 1 人 汽车为1 8 9 2 9 人 飞机为1 6 0 0 6 人 欧洲铁路共同体1 4 个成员国每年因公路交通事故死亡5 4 0 0 0 人 伤1 7 0 万人 美国死于高速交通事故每年约5 万人 高速铁路运营三十年来 尚未发生一个旅客死亡事故 安全丹是高速铁路独具的一大优势 我国随着国民经济的持续快速发展 铁路运输的任务不断加重 很多重点线 路机车都处于超负荷运行状态 行车中的安全问题显得越来越重要 随着机车使 用时间的延长 设备损耗加重 故障率明显提高 严重影响了机车的安全运行 因此 需要对机车各部分进行快速 有效的检测 以便及时进行维修 更好地发 挥机车的性能 保障机车安全行驶 大秦线晋煤外运任务是铁道部重中之重的规 划 2 0 0 8 年任务量已经达到了3 5 亿吨 s s 4 g 型电力机车作为主要运输车型之 一 为了提高运输量 已经将多节机车重联运行 加上恶劣的自然条件 这类机 车的故障发生率相对较高 电子控制柜是电力机车的核心控制部件 在机车运行的过程中扮演着十分重 要的角色 电子柜的主要功能有 牵引 制动特性控制 防空转防滑行控制和加 馈电阻制动等 l l 电子柜的故障将直接影响到机车的正常运行 严重时会导致机 车陷入瘫痪状态 现代计算机技术 测试技术 信号分析处理技术以及人工智能技术等学科的 硕士学位论文第一章绪论 发展 成为设备状态维护与故障诊断迅速发展的一个主要原因 这些学科的发展 为设备维护和故障诊断创造了良好的条件 从而有效地促进了设备维护和故障诊 断技术的蓬勃发展 因此 结合先进的故障诊断技术 对电子柜快速 全面 准确地进行测试是 十分必要而且具有重要意义的 基于以上因素 s s 4 g 电力机车t p z 2 7 型电子 柜故障综合测试系统 由湖东电力机务段立项 通过近一年时间的努力 2 0 0 8 年1 月底该项目在太原铁路局湖东电力机务段通过鉴定 并投入使用 获得了很 好的应用效果 成为电子柜装车的测试标准 该项目的完成对s s 4 g 型电力机车 的安全运行具有重大意义 为机务段创造了较大的经济效益 1 2 故障诊断的研究现状与发展 故障诊断技术发展几十年来 产生了巨大的经济效益 成为各国研究的一个 热点 从诊断技术的发展来看 美国占有领先地位 他们的检测产品基本上代表 了当今诊断技术的最高水平 具有较强的诊断功能 在宇航 军事 化工等方面 具有广泛的应用 其他一些国家如英国 瑞典 挪威 丹麦 日本等国在故障诊 断技术的研究方面也都各具特色 2 日本在钢铁 化工 铁路等民用工业部门的 诊断技术方面发展很快 且具有较高水平 丹麦在机械振动监测诊断和声发射监 测仪器等方面水平较高 我国的故障诊断技术发展于七十年代末 起步较晚 经过近些年的努力 虽 然有了很大的发展 但是同发达国家相比还有一定的差距 目前我国故障诊断技 术在化工 冶金 电力等行业应用较好 并取得了一定的研究成果 我国故障诊 断的科研单位主要集中在高校 相信设备发展的迫切需要以及新理论 新技术的 发展会促进故障诊断技术与理论向着科学化和实用化的方向发展 一对电力机车的故障诊断也在朝着智能化方向发展 我国电力机车型号很多 其中s s 4 g 电力机车是在s s 4 s s 5 和s s 6 型电力机车的基础上 吸收了8 k 机 车一些先进技术设计的 s s 4 g 电力机车是大秦线主要运输机车之一 其中湖东 机务段配属了1 8 0 多台 其电子柜主要有两种型号 t p z l 5 和t p z 2 7 其中t p z 2 7 型电子柜是t p z l 5 的改进型 1 2 1 故障诊断技术的主要理论和方法 故障诊断技术主要包括三方面 故障检测 故障隔离和故障辨识 3 1 故障检 测是判断系统中是否发生了故障及检测出故障发生的时刻 故障隔离就是在检测 出故障后确定故障的位置和类型 故障辨识是指在分离出故障后确定故障的大小 和时变特性 目前故障诊断的方法主要有三类 基于信号处理的诊断方法 基于 2 硕士学位论文第一章绪论 解析模型的诊断方法和基于知识的诊断方法 i 基于解析模型的方法 基于解析模型的方法是发展最早 研究最系统的一种故障诊断方法 其优点 是能深入系统本质的动态性质和实时诊断 可以诊断未预知的故障 不需要历史 的经验知识 缺点是由于使用系统仿真模型 模型较为复杂庞大 诊断速度慢通 常难以获得系统的精确模型 且由于建模误差 扰动及噪声的存在 使得鲁棒性 问题日益突出 基于解析模型的诊断方法可以进一步分为状态估计方法 参数估 计方法 4 5 和等价空间方法 6 这三种方法虽然是独立发展起来的 但它们之间 存在一定的联系 相比之下参数估计方法比状态估计方法更适合于非线性系统 因为非线性系统 状态观测器的设计有很大困难 通常等价空间方法仅适用于线 性系统 1 状态估计法 1 9 7 1 年麻省理工学院的b e a r d 博士首次提出了故障诊断检 测滤波器的概念 状态估计方法首先要构造状态观测器对系统的状态进行估计 用来得到系统输出的估计值 然后用输出的估计值和实际测量值之间的偏差信号 作为残差信号来判断系统是否发生了故障 2 参数估计法 参数估计方法通过对系统模型参数的辨识来达到故障诊断 的目的 当故障由参数的显著变化来描述时 可以利用已有的参数估计方法来检 测故障信息 根据参数的估计值与正常值之间的偏差来判断系统的故障情况 3 等价空方法 等价空间方法的基本思想就是利用系统输入输出的实际测 量值检验系统数模型的等价性即一致性以检测和分离故障 2 基于信号处理的方法 由于复杂工业系统的动力学具有本质非线性 结构及参数具有强耦合性 时 变性 往往难以精确建立系统的数学模型 而且系统运行过程中可能会出现多个 并发故障 采用基于模型的传统故障诊断方法会造成较高误检率 因此 基于信 号处理和基于人工智能等不需要系统精确数学模型的故障诊断技术己经成为研 究的热点 基于信号处理的故障诊断方法是根据系统的输入输出等直接可测量的 信号 再找出这些信号和故障源之间存在的关系 应用相关函数 高阶统计量 频谱 自回归滑动平均 小波技术等提取幅值 相位和频谱等特征值 用这些特 征值来进行故障的诊断 近年来出现的基于信号处理的方法主要有 小波变换方 法 7 引 主元分析方法 9 1 0 和利用万算子的故障检测 1 3 基于人工智能的方法 基于人工智能的故障诊断方法与基于信号的故障诊断方法类似 也不需要定 的数学模型 不同之处在于 它引入了诊断对象的许多信息 特别是可以充利用 专家知识等 目前 有学者将模糊逻辑 神经网络 进化计算和粗糙集论等总称 3 硕士学位论文 第一章绪论 为计算智能 c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e 或软计算 1 2 s o f tc o m p u t i n g 主要方法有专家系统方法1 1 3 1 6 1 模糊逻辑方法 1 6 7 1 神经网络方法 l g 2 0 和 p e t r i 网方法 2 l 等 由于每种方法都无法全面 独立完成故障诊断任务 因此 更多的情况是将以上方法取长补短 有机地结合起来 因此发展集成多种不同智 能技术的混合智能诊断系统是智能化故障诊断领域的大势所趋 集成研究的内容 主要是在基于知识的基础上 将多种知识表达方法和推理方法混合集成 融合多 种信息 实现多角度 多层次的诊断集成 提高系统的灵活性 逼真模拟专家诊 断思维的过程 1 专家系统方法 诊断专家系统的理论研究主要内容包括知识的获取方法 知识表达方法 推 理方法和不确定性推理等 知识的获取与表达应该说是诊断专家系统的组成部 分 而一个比较成功的诊断专家系统所具有的知识表达应具有简明性 合理性 灵活性和透明性 并易于推理诊断等特点 传统专家系统的知识表达研究都集中 在对启发式表达方法的研究方面 但这种仅包括专家经验知识的诊断专家系统往 往十分脆弱 主要问题是知识库中的知识不丰富 缺乏原理性知识 深知识及常 识性知识 因此为了弥补这些缺陷出现了深知识模型和深浅知识混合模型 后来 又发展了各种诊断知识的结构模型和组织模型 2 模糊逻辑方法 r 模糊逻辑是l a z a d e h 在1 9 6 5 年提出的 几十年来得到了飞速的发展 在 许多实际工程中取得了成功的应用 模糊理论在故障诊断领域也己得到了广泛的 应用 并取得了丰富的成果 将模糊理论引入到故障诊断技术中有着现实的必然 性 这是因为故障诊断的对象一系统及其运行状态具有客观存在的模糊性 首先 系统的复杂性和人们认识系统的精确性是相互对立的 系统的复杂性越高 则人 们认识的精确性就越低 随着工程系统的日益复杂化 其模糊性将增强 人们对 系统的认识也将变得更加模糊 对系统的故障界定也更为模糊 其次 人们在对 系统的观察中不可避免地会带入主观的成分 因此观察结果也是模糊的 最后 干扰和应用环境的变化会影响系统的运行参数 也影响到数据的测量 所以测量 信息也具有不确定性 模糊理论能够有效地处理系统的不确定性 测量的不精确 性等模糊性 将其引入故障诊断中来可以更好地描述系统和测量数据 同时可以 充分地应用人员的经验信息等 3 神经网络方法 1 9 8 2 年美国物理学家j j h o p f i e l d 提出了神经网络模型 使神经网络的研究 有了突破性进展 人工神经网络由于其本身信息处理特点 如并行性 自学习和 联想记忆功能等 使其能够出色解决那些传统模式识别方法难以圆满解决的问 4 硕士学位论文 第一章绪论 题 所以故障诊断是人工神经网络的重要应用领域之一 4 p e t r i 网方法 p e t r i 网 p e t r in e t s p n 的概念最早由德国学者c a r la d a mp e t r i 于1 9 6 2 在其 博士论文中提出 作为一种图形化 数学化的建模工具 最初主要在计算机领域 经过半个多世纪的发展已经拥有一套完整的理论 对描述研究具有并行 异步 分布式和随机性特征的系统有很好的性能 用p e t r i 网表示知识 既能表示诊断对 象的结构组织关系 也能反映诊断过程 能够将知识表示和推理问题转换成p e t r i 网模型 并用现有的p e t r i 网分析方法就可以有效地处理知识表示和推理问题 p e t r i 网方法很容易与其他技术和理论结合起如模糊集 神经网络和面向对象编程 等 应用于计算机领域 生产制造领过程控制和专家系统等 但由于p e t r i 网本身不具备独立处理不确定性问题的能力 虽然所建立的故障 诊断系统具备一定的容错能力 允许部分保护信号的缺失 但其缺乏错误信号的 辨识纠错能力 丁彩红等 翻以故障树方法为基础 将故障树模型改建在条件和事 件概念的基础上 应用p e t r i 网对系统逻辑关系进行建模 形成关于故障树的p e t r i 网模型 伍燕芳等 2 3 为了能够解决故障现象的模糊性 将模糊理论应用于故障树 的p e t r i 网表示 建立了适合诊断问题的模糊p e t r i 网理论体系 模糊理论在处理不 确定信息方面有较大的优势 因此本文将p e t r i 网模型与模糊理论相结合 提出一 种基于模糊p e t r i 网的电子柜故障诊断方法 以增强该诊断系统的处理不确定故障 信息的能力 1 2 2 电子柜智能故障诊断的研究现状与发展 电子柜是电力机车上十分重要且复杂的控制设备 其故障将直接影响机车的 正常运行 目前 对t p z 2 7 型电子柜的测试主要是依靠手动测试 模拟测试台和 智能测试台测试 手动测试需要操作人员使用很多专用设备 而且测试条件受到很多限制 实 时性和准确性得不到保证 测试效率较低 模拟测试台的快速性有了较大提高 但是由于诸多仪表装置的使用 使得测试台体积较大 成本较高 操作方法比较 复杂 测试台自身的维护也是一个不可忽视的问题 而且这两种方式均无法完成 自动测试 这无疑对测试人员提出了较高的要求 不仅要对整个系统及内部电路 结构有深入的了解 还要对各种测试设备的操作非常熟悉 测试工作周期较长 难以保证快速准确地对故障原因进行定位 降低了系统的适用性 电子柜控制系统的工作方式是动态 连续的闭环控制 其输出的触发脉冲信 号对电力机车主电路的整流桥部分进行调节 控制电力机车牵引电机的运行状 态 进而影响电子柜下一阶段的速度 电机电流等输入反馈信号 上面的两种方 5 硕士学位论文 第一章绪论 法只是对电子柜的测试都是开环的测试方法 对电子柜给定输入信号 然后采集 输出响应信号进行分析 并没有模拟出电子柜的实际工作环境 无法对电子柜进 行动态而全面的检测 使得测试工作具有片面性 通过建立模型 实现电流和速度等信号的反馈 实现闭环检测 这样既符合 电子柜的工作方式和工作环境 又保证了在测试过程中数据的稳定 在文献 2 4 2 6 中 结合电子设备故障诊断技术和故障树分析法 通过对8 k 电子柜各单板模 数电路建立故障树 由于各个模块比较独立 常常出现故障范围较大以及误报的 问题 在文献 2 5 中 以对电子柜建造的故障树作为建立知识库和制定搜索策略 的基础 知识采用面向对象的表示方法 将属性 数据处理方法等内容封装在对 象结构中 针对不同情况 系统设计了最小割集方法与宽度优先 反馈式方法两 种搜索策略搜索故障源 该系统在多种搜索策略下 能有效的减小故障范围 但 是正是如此 导致有可能出现搜索的死循环 使系统不能正常工作 在实际情况中 电子柜作为一个复杂的控制设备 其故障传播过程是一个连 续触发的过程 一个故障征兆的出现将会导致一系列后继的故障状态发生 同时 故障的发生具有并发的特点 当一个故障征兆出现后 故障会沿着多条路径同时 传播 从而导致多个后继故障状态出现 因此 电子柜故障诊断问题的研究中 既要注意对系统状态的研究同时又要 重视对代表不同因果关系的状态的变化过程进行研究 以便从中得到更多的关于 故障问题的信息 故障树和专家系统都不能很好的解决这个问题 从而使故障定 位的准确率和故障定位的精度不高 而模糊p e t r i 网不仅能够用图形符号表示事件 的原因和结果间的关系 而且能够表示系统的动态行为 在故障检测和诊断领域 p e t r i 网可用于表达系统逻辑关系 完成知识表示和诊断推理 也可对被诊断对象 建立行为模型 利用p e t r i 网属性进行基于模型的诊断推理 所以p e t r i 网模型能够 很好用于系统的故障和可靠性的分析 1 3 论文的研究内容 论文以s s 4 g 电力机车t p z 2 7 型电子柜为应用背景 采用智能故障诊断领域 中的一些先进技术和方法 研制开发一种能快速 准确有效的电子柜智能故障诊 断系统 论文针对s s 4 g 电力机车t p z 2 7 型电子柜的现状 分析开发电子柜智能故障 诊断系统的经济性 必要性和紧迫性 考虑到电子柜的实际情况以及对其诊断系 统的现状 提出基于f f p n f u z z yf a u l tp e t r in e t 的电子柜故障诊断系统 并给 出系统实现结构框图 然后依据系统总体结构 改进模糊p e t r i 网的知识表示 在实践经验的基础上对隶属函数的进行了选择 提出一种具有回溯功能和层次性 6 硕士学位论文 第一章绪论 的反向推理算法 在缩小故障范围和减少故障的漏报率上有一定成效 为保证测 试台能模拟机车的各种运行工况 保证对电子柜的各种功能的检测 对电力机车 主电路进行了建模仿真最后对系统硬件平台分为多个模块进行设计 系统软件实 现包括测试系统 知识库管理等一系列功能 最后 完成对整个系统的设计 制 作和现场安装调试 并已正式交付使用 1 4 论文的组织结构安排 论文后续的具体组织结构安排如下 第二章分析电子柜系统原理及电子柜与电力机车主电路构成的闭环系统控 制过程 提出基于p e t d 网的s s 4 g 电力机车t p z 2 7 型电子柜故障诊断方法 对 系统的测试方案进行了研究分析 并给出了系统实现结构框图 第三章就系统实现的关键问题 包括f f p n 的点火算法和知识表示 以及隶 属函数的选择进行深入的研究与探讨 并结合t p z 2 7 型电子柜的实际情况 给 出其相应的策略和方法 结合事件例子 分析问题 第四章给出电子柜故障测试系统软硬件设计 研究故障测试系统硬件平台的 构建 对不同类型的接口电路原理进行了详细分析 对系统软件的整体框架 p c i 板卡设置 多线程设计 辅助测试功能等环节进行了研究分析 第五章总结论文的研究工作 对下一步的工作方向进行了展望 7 硕士学位论文 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 对s s 4 g 电力机车t p z 2 7 电子柜进行故障诊断系统设计 首先必须对电子柜 的功能有个清楚的认识 根据实际情况 设计系统方案 寻求一种适合电子柜的 故障诊断方法 并根据t p z 2 7 电子柜具体情况 给出其故障诊断系统的总体结 构设计 2 1t p z 2 7 型电子柜系统 机车运行时 电子柜根据输入的司机指令信号和当前机车的运行状况给出主 电路晶闸管的触发脉冲 调节主电路输出电压 使机车能够可靠运行 牵引时 机车转向架电机采用串励控制方式 制动时为他励控制 l 电子柜的控制对象是电力机车主电路 机车运行时 它们构成闭环系统完成 机车的调速控制 本节首先介绍s s 4 g 型电力机车的主电路 然后通过机车牵引 工况来分析电子柜系统的工作原理及过程 2 1 1s s 4 改电力机车主电路 电子柜主要控制对象是电力机车主电路 其主要组成部分有几段不等分整流 桥 平波电抗器 机车电机 主极绕组等 主电路简化结构如图2 1 所示 l 图2 1s s 4 改电力机车主电路简化模型示意图 图2 1 所示整流电路为三段不等分整流调压电路 三段不等分整流桥的工作 8 硕士学位论文第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 顺序如下所述 首先投入四臂桥 即触发t 5 和t 6 投入a 2 2 绕组 t 5 t 6 d 3 和d 4 顺序移相 整流电压由零逐渐升至阮 2 沈为总整流电压 d 1 和d 2 续流 在电流正半周时 电流路径为a 2 d 3 7 1 号导线一平波电抗器 电机 7 2 号导 线叶d 2 d 1 一t x 2 a 2 当电源处于负半周时 电流路径为x 2 t 5 7 l 号导 线一平波电抗器 电机 7 2 号导线一d 2 一d 1 d 嶂 a 2 2 当t 5 和t 6 满开放 后 六臂桥投入 维持t 5 和t 6 满开放 触发t 1 和t 2 绕组a 1 山l 投入 电源处于正半周 时 电流路径为a 2 d 3 7 l 号导线 平波电抗器 电机 7 2 号导线 砣 曲l a 1 一d 1 t 6 x 2 a 2 当电源处于负半周时 电流路径为 2 t 5 7 1 号导线 平波电抗器 电机 7 2 号导线 d 2 a 1 曲l t 6 d 4 a 2 x 2 当t 1 和t 2 满开放后 t 1 t 2 t 5 和t 6 维持满开放 并触发t 3 和t 4 b 1 x l 绕组再投入 t 3 和t 4 顺序移相 整流电压在3 叻 4 现之间调节 当 电源处于正半周时 电流路径为a 2 d 3 7 1 号导线 平波电抗器一 电机 7 2 号 导线一t 4 x 1 一a l d 1 骶b x 2 a 2 当电源处于负半周时 电流路径为 2 一 t 5 7 l 号导线 平波电抗器 电机一7 2 号导线 d 2 一a 1 x l t 3 d 4 一a 2 x 2 与主极绕组并联的固定分路电阻r 的作用是当电机电压达到最大值时 进 行磁场削弱 进一步提高机车速度 1 1 1 4 r 的阻值为0 2 0 3 5 f 2 它与主极绕组并 联后 实现机车的固定磁削级 其磁削系数为0 9 6 1 5 r 的阻值为0 0 2 3 7 f l 通 过接触器的闭合 实现机车的i 级磁削级 其磁削系数为0 7 0 1 6 r 的阻值为 0 0 1 0 2 f l 通过接触器的闭合 实现机车的 级磁削级 其磁削系数为0 5 4 1 5 r 和1 6 r 同时投入 实现机车的i i i 级磁削级 其磁削系数为0 4 5 实现从满磁场 9 6 到最深削弱磁场 4 5 的连续平滑调节 不仅改善了削弱磁场的工作特 性 而且在调节时可以维持电机电枢电流为常数 在整流器的输出端还分别并联了两个电阻7 5 r 和7 6 r 其作用有两个 一是 机车高压空载做限压试验时 作整流器的负载 起续流作用 二是正常运行时 能够吸收部分过电压 2 1 2t p z 2 7 型电子柜及其原理 t p z 2 7 型电子柜是在t p z l 5 型电子柜的基础上 重新设计的新一代电子柜 采用了表贴的工艺 在结构上采用标准的插件和插件箱 电子柜的体积大大减小 t 2 6 1 t p z 2 7 型电子柜控制系统分为a b 两组 正常情况下 a 组工作 b 组作 为备用 当a 组插件发生故障时 可切换至b 组继续运行 但b 组只是简单的 9 硕士学位论文 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 牵引 制动控制系统 不能替代a 组 如前所述 电子柜的主要功能是产生机 车主电路晶闸管的控制触发脉冲 通过改变脉冲宽度 控制主电路输出电压 从 而调节电机状态 此外 电子柜还实时监控电力机车运行时多种状态 提供保护 措施 如次短过载保护 电机电流过载保护等等 从功能角度来分析 将电子柜 分为若干单元环节 特性控制器 防空转环节 p i 调节器 移相电压环节 触 发脉冲形成环节以及脉冲放大环节 电机电流和机车速度为闭环控制系统的反馈 信号 电子柜系统框图如图2 2 所示 图2 2s s 4 改电力机车电予柜控制系统框图 图2 2 中 l 一牵引特性发生器 2 一制动特性发生器 3 一给定积分器 4 一 粘着限制环节 5 一制动电流限制环节 6 一轴重补偿环节 7 一调制 8 一解调 9 一防空转防滑系统 1 0 p i 调节器 1 l 一控制逻辑环节 1 2 一移相电压变换环 节 1 3 一同步移相信号 机车运行在牵引工况时 主司控台形成牵引级位指令 与机车速度反馈信号 一起输入至牵引特性形成环节 经过比例转换 实际的牵引特性曲线方程为 l f 1 5 似 i 6 00x 一54 2 1 lo 9 6 式 2 1 中厶 电流指令 a x 级位 1 到1 0 级 v 一速度 k m h 在机车起动阶段遵循第一个关系 电流厶与x 成比例关系 但在8 9 1 0 各级受到1 0 9 6 a 的限制 机车运行阶段遵循第二个关系 经脉宽调制成幅值为 i l o v 的调制波 调制波送至重联机车及本务机车的解调环节 经解调后得到牵 引给定电流信号豇 尽信号经系统空转保护环节后形成k 信号 机车没有空转时 i s s 厶 发生 空转时 空转保护系统的减载功能起作用 k 瞬时下降 然后再按一定的上升 率回升 回升后若仍有空转则再次下降 直至空转被抑制 正信号的k 与负信号的电机电流反馈信号如输入至电枢p i 调节器 二者不 1 0 硕士学位论文 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 断地比较 从而决定了调节器输出的大小 该输出经倒相后即形成移相信号 卜 u e 2 经移相电压变换环节后形成直流控制电压以l 玩3 该电压与 交流移相电压比较 其交点即决定了移相角的位置 由于u e 卜u a 玩3 是顺序 衔接的 所以三段桥能顺序开放 在调速过程中 电机电压不断升高 其反馈信号 上升 当达到给定的最 大电压限制值时 最大电压限制调节器的输出小于电流调节器的输出 由于最小 值环节的作用 此时u e 3 为最大电压限制调节器的输出 两小段桥的移相角被限 制在对应于电机电压最大值的位置 l 电机达到最大电压后 如再要提高速度 则要进行有级削弱 s s 4 g 型电力机车采用加馈电阻制动及准恒速 靠0 动电流特性控制方式 方程表示为 1 j l 一5 6 i x 一1 5 c 2 2 7 l 式 2 2 中x 表示机车电制动时 司机控制器调速手轮的给定极位 x 1 2 l o 级 5 0 为最小制动电流 机车在制动工况时 由主台制动电位器r p l 送出制动级位指令 由于制动 时从高速到低速 手柄从高级位到低级位 为此先将r p 2 的输出值经反比例环 节转换成制动级位信号a 该级位信号与机车速度反馈信号一起输入至制动特性 形成环节 其输出与最小制动电流给定信号比较后取最大值 再经给定积分环节 然后与牵引控制一样 经调制解调再与最大制动电流限制曲线比较 取最小值即 成制动电流给定信号如 厶信号经滑行保护控制系统后成k 信号 该信号与制动电流反馈信号助输 入至磁场电流调节器 k 与助比较后即决定了调节器的输出 该输出经倒相后 即成移相信号 再变换成坛 即可控制励磁桥的移相角 同时逻辑环节还 送出一个信号至电枢调节器使之封锁 随着机车速度的降低 励磁电流不断增加 当达到最大励磁电流限制时 最大励磁电流限制调节器开始工作 磁场调节器不 起作用 逻辑环节解除送至电枢调节器的封锁信号 使其工作 使励磁电流一直 为最大值 电枢调节器输出经倒相后产生 l 经移相电压变换环节与同步电压 比较 其交点即决定了大段桥的开放角 此时即进入加馈制动工况 加馈电阻制动正是s s 4 g 型电力机车与其他机型的主要不同之处 主要优点 是能够获得较好的制动特性 特别是低速制动特性 2 1 3t p z 2 7 型电子柜故障特性分析 t p z 2 7 型电子柜是电力机车上十分重要且复杂的控制设备 其控制系统的工 硕士学位论文 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 作方式是动态 连续的闭环控制 它与主电路 控制电路和检测部件等都有千丝 万缕的联系 任何一个环节的故障 都有可能造成电子柜工作不正常 电子柜的 故障有多种多样 有些故障的行为和特征比较明显 可用某种物理方法直接检测 而有些故障情况比较复杂 特别是对电子柜这样一个复杂的系统 由于故障和征 兆之间不存在简单的一一对应关系 所以诊断问题就变得非常复杂 一般来说 其故障具有如下特性 1 层次性 对于电子柜 其结构可划分为系统 单板 部件和元件各个层次 其功能也 可划分为若干层次 因而其故障和征兆也有不同层次 所以在故障诊断中可设计 某种层次模型和层次诊断策略 2 传播性 故障传播有两种传播方式 横向传播和纵向传播 横向传播 例如某一元件 的故障引起层内其它元件功能失常 纵向传播 即元件的故障相继引起部件 子 系统 系统的故障 故障的传播过程实质上是指系统中异常输出与异常特征信号 的传播过程 这种传播是一个由低层到高层的逐层传播过程 2 7 1 系统中某元素或 同它有关的联系处于故障后 会产生异常的输出 而这异常输出反过来成为同它 相关元素的异常输入 从而可能导致这些元素 联系的状态不正常 由此可能进 一步引起上一层次系统的故障 直至整个系统的故障 3 相关性 某一故障可能对应若干征兆 而某一征兆也可能对应若干故障 它们之间存 在着错综复杂的关系 这种故障与征兆之间并非一一对应的关系是造成故障诊断 困难的一个主要原因 故障的相关性具有并发的特点 当一个故障征兆出现后 故障会沿着多条路径同时进行传播 从而引发多个后继故障状态的出现 表现为 一因多果现象 此外 由于系统的复杂性 一个故障可能是由多个原因造成的 即 一果多因的现象 多个不同的原发性故障沿着各自不同的传播路径引发同一系 统级的故障 4 不确定性 故障和征兆信息的随机性 模糊性 加上某些因素的不确定性 组成了信息 的不确定性 5 可预测性 设备大部分故障在出现之前通常有一定的先兆 只要及时捕捉这些特征信 息 就可以对故障进行预测和防范 根据故障由量变到质变的发生和发展过程 可以进行状态预测和早期诊断 例如电子柜元件的老化 磨损常常会引起电子柜 暂态故障 1 2 硕士学位论文 第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 考虑到s s 4 g 电力机车t p z 2 7 型电子柜系统比较复杂 由于其故障传播的相 关性 利用专家系统存在知识瓶颈的问题 容易产生组合爆炸 无穷递归等问题 而故障树则存在建造过程中 发生遗落和错误在所难免 根据电子柜的故障特性 其故障具有层次性 可以将电子柜分为若干个子系统 对每个子系统进行建模 对于复杂系统 利用p e t r i 网分别对每个子系统建模 将低层次p c t r i 网的目标库 所作为高层次p c t r i 网的输入库所 这样无需多少改动就可以解决电子柜系统层 次性问题 许多研究成果表明 2 7 2 9 1 p e t d 网非常适合于诊断中的知识表示 这是因为 p e t r i 网适合于描述系统状态和行为的改变 而故障是以设备状态和行为变化为 特征的 故障产生和传播是一个动态过程 p e t r i 网可以很好地表示系统状态和 行为的变化关系 因此 论文采用基于p e t r i 网的方法来实现整个系统 2 2s s 4 g 电力机车主电路建模 系统采用离线闭环测试 对机车主电路的模拟是否准确决定了整个测试系统 的检测精度 构建闭环系统可以采用硬件和软件两种方式来实现 3 0 l 1 硬件方法来模拟机车主电路和牵引电机 是通过搭起真实的硅整流桥和 电机 使其尽量与机车上的实际情况一致 用电子柜输出触发脉冲信号直接驱动 整流桥 再通过电流传感器 转速传感器等测出电机电流 转速信号作为反馈信 号送入电子柜 构成闭环系统 此种方法实现简单 但是硬件参数的调整需要花 费一定的时间 且参数一经确定 就很难改动 因此通用性较差 调试灵活性不 够 而且也提高了系统的成本 2 软件方法是通过软件建立模型 并辅以硬件电路来模拟电力机车主整流 器和牵引电机 在测试过程中 系统模拟机车指令信号输入至电子柜 并实时检 测电子柜输出移相信号 计算出此时触发脉冲的导通角 从而求得此时的主电路 输出电压 通过建立的机车主电路模型计算出电机电流和电机转速 变换为反馈 信号输入至电子柜 构成闭环系统 软件方法通用性强 只需要修改相应的软件 就可以模拟出不同的整流电路和牵引电机 但是实现这些需要对机车整流电路和 牵引电机进行建模 并用程序实现 比较复杂 因此 本文采用软件的方法进行 功能建模 通过对s s 4 g 型电力机车调速控制系统的分析 可以发现调节过程中级位给 定 电机电流和速度信号之间的关系较为复杂 而且在牵引控制 制动控制 空 转滑行保护等情况下 这些信号之间的关系都有很大的不同 因此很难一次建立 起它们之间的准确关系 而设计测试系统的目的是测试电子柜电路功能的好坏 是一种基于功能的测试 这样可以简化测试过程 将各部分功能分别测试 因此 硕士学位论文第二章电子柜故障诊断系统的体系结构 建模可以分解为对应于各个功能分别建模 本文以牵引制动工况模型为例阐述建 模过程 2 2 1 牵引制动工况建模 对电力机车主电路建立模型 主要是模拟机车主电路整流器和牵引电机的工 作状况 计算出当前时刻相应的反馈量 与