機車運行信息檢測系統的設計和實現

內燃機車各部件運行數據，尤其是機車運行中的動態參數，是分析和考核機車運行狀態的基礎。目前國內新出廠的機車都已配備了一定功能的機車車輛信息監測系統，但早期生產的機車沒有此設備，另外不同管理模式對車輛信息監測系統的需求也不完全相同。DF4B／4C機車原有的機車安全信息綜合檢測裝置(簡稱TAX 箱)記錄了部分車輛運行數據，但對車輛維護數據記錄的很少，即機車在牽引運用狀態下，機車各工況數據的動態記錄缺乏，不利于綜合利用各項監控數據對機車在運用過程中反映出的各種狀況進行綜合分析。因此，我們開發了DF4B／4C機車車輛運行信息實時監測系統，與機車上原有的TAX記錄儀一起，實時記錄車輛牽引運用時的油、電、水等系統的工況數據。通過數據分析軟件對機車運行數據進行分析判斷，掌握設備、部件的技術狀態，為機車的預防性維修、檢修提供真實的依據。

　　1 設計思想

　　目前已經裝車的一些機車運行信息檢測裝置大多采用單片機設計，功能固定，性能簡單，不具靈活性與擴展性，無法在機車運行時現場分析運行數據。由多個單片機組成的系統沒有形成模塊化，給裝置本身的故障維修造成困難。

　　隨著以應用為中心的嵌入式系統性價比不斷提高，采用通用工業級嵌入式控制器做機車應用，可大大提高系統開發周期，提高系統可靠性及工作效率。

　　本機車運行信息實時檢測系統(裝置)主要應用于車頭，設計思想是：使用標準的工業級嵌入式控制器硬件，使用標準嵌入式操作系統，使用常規的外部設備，例如標準鍵盤、通用顯示器、U盤、CF卡等。使用通用的可視化開發工具，利用網絡化開發環境，采用標準的工業級I／O通道，使裝置完全模塊化。搭積木式的系統設計組織靈活、開發快捷、功能強大、可擴展性強。軟件可以在車上調試按需擴充，可以在機車運行現場進行數據分析，模塊化的結構使裝置本身的維修非常方便。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 系統功能需求

　　原 DF4B機車上的TAX監控裝置記錄了部分機車運行參數，例如時間標、車速、信號機號、公時標、總量、計長、量數、本機補機、貨客車、車次、區段號、車站號、司機號、副司機號、機車號、機車型等信息。本項目在DF4B機車操作臺上安裝機車運行信息實時監測裝置，記錄機車的各種實時運行工況參數。除保留原車上TAX監控裝置提供的各項機車運行參數外，根據維修的需要，增加差示壓力、空轉、接地、總過流、故障勵磁、固定發電、本車卸載、水溫、油溫、燃壓、滑壓、輔助電壓、充放電流、6個電機分流、主電壓、主電流等采集參數。在列車運行過程中實時檢測和記錄機車動態運行數據。

　　2.2 系統硬件總體結構

　　根據系統功能需求，設計的系統硬件總體結構如圖1所示。

　　2.3 系統硬件設備設計

　　2.3.1 嵌入式核心控制器

　　根據系統設計思想，要求核心控制器必須是可以替代常規PC和PLC，支持標準顯示，提供完整的高級語言開發環境和工具，具有較強的數據處理能力和速度，具有網絡接口和USB接口，允許連接CF卡等存儲設備。比較了幾種嵌入式控制器后，我們選用泓格公司的WinCon-8000嵌入式工業控制器系統，該控制器主機使用W-8331模塊，內置Intel Strong ARM 32位CPU，時鐘2.06 MHz，內存64 MB SDRAM，32 MB FLASH Memory，采用CF卡做電子盤，選用3擴展槽底板。

　　WinCon-8000是兼有常規PC和PLC功能的嵌入式控制器，運行Windows CE.NET操作系統。Windows CE.NET是廣泛應用于智能設備的實時多任務嵌入式操作系統。它可以根據特定的應用做輕量化的定制，支持多種CPU架構。支持Visual Basic.NET，Visual C#，Embedded Visual C++等開發工具。Windows CE繼承了傳統的Windows圖形界面，在微機Windows平臺上的應用軟件只需簡單的修改和移植就可以在Windows CE平臺上繼續使用，通過WinCon-8000提供的WinConSDK，在普通微機上利用微軟的Visual Studio．NET和Embedded Visual C++開發環境直接開發應用程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執行。開發環境現成、方便，為開發功能強大的圖形應用程序提供了基礎。

　　WinCon- 8000具有VGA接口，允許用戶用LCD監視器去替代HMI顯示，支持Ethernet、USB、鍵盤、鼠標和CF卡。設有RS 232、485串口，支持多種I／O模塊，如I-7000，I-8000，I-87K的擴展I／O模塊，支持計時計數器／頻率計。選用WinCon- 8000作主控制器，為在車上進行數據分析提供了方便。使記錄的數據既可以傳送到地面微機上分析，也可以在機車上插上顯示器和鍵盤后直接監視和處理，便于在車上即時維護與調試。

?　　2.3.2 模擬量輸入通道

　　本系統中需要測量的模擬量有：1～6電機分電流、主發電壓、主發電流、水溫、油溫、滑油壓力、燃油壓力、輔助發電、蓄電池充放電流、柴油機轉速等14個模擬量。

　　機車上使用的模擬量輸入模塊應該是以抗惡劣環境、高可靠性為主，價格是次要因素。因此，我們選擇泓格的I-7000系列I-7018模塊作為模擬量輸入通道。I-7018是8路模擬量輸入模塊，采用RS 485協議與WinCon-8000的主機連接，在應用程序中直接通過WinconSDK動態連接庫函數操作I-7018工作。本機使用了2塊i- 7018模塊實現14路模擬量輸入。

　　2.3.3 開關量通道

　　前面已經選擇泓格的I-7000系列模塊作模擬量輸入通道，為了系列化，采用I-8042(16通道隔離數字量I／O)模塊作為開關量輸入通道。

　　本裝置中需要采集的開關量有差示壓力、水溫、固定發電、空轉、主回路接地、主回路過流、本車卸載、故障勵磁等8個開關量。使用了一塊I-8042的8個通道。

　　2.3.4 速度采集通道

　　為采集機車柴油機轉速，需要速度采集通道。選用泓格I-8080(4通道計數頻率器)模塊一塊，采集機車柴油機轉子輸出的脈沖，根據頻率計算出轉速。

　　2.3.5 面板I／O模塊

　　本控制器包括4個按鍵開關，分別用來控制設備實現備份、轉存、復位、本地輸出等操作，設置了8個代表設備工作狀態及報警信息的指示燈。盡管I-8042有多余的I／O通道可供使用，由于自身輸出能力的限制，需要對其輸出進行二級繼電放大。我們選用I-7050(7通道開關量輸入／8通道開關量輸出模塊)作面板I／O模塊，可以直接驅動24 V的面板指示燈。

　　2.3.6 485-232轉換器

　　本采集儀與機車上原有的TAX箱配合工作，為及時接收TAX箱數據，避免與I-7018，I-7050共用總線，使用I-7520模塊將TAX箱輸出RS 485數據轉換成RS 232協議通過WinCon-8000底板上的RS 232口接收。

　　2.4 電源與機箱設計

　　系統其他模塊包括電源轉換模塊(ph75s 110-24)1個，轉速開關量調理板1塊，信號調理板1塊，機箱1個，航空插座4個，按鍵開關4個，指示燈8個。

　　本檢測裝置使用31 cm×24.5 cm×19.5 cm工業機箱，機箱外置全部鍵盤、顯示器、鼠標等插座。面板上置8個指示燈指示設備運行狀態轉錄狀態，面板上置4個按鈕開關控制數據轉錄操作等。通過4個航空插座連接現場全部數據采集點。為避免影響機車原信號系統，信號采集采用高阻抗輸入電路，采取了一系列信號的隔離、放大、變換及傳輸措施。例如在一些高速、干擾強烈的信號通道增設隔離變壓器將信號源與電氣回路隔離，通過設計濾波電路抑制電源干擾，大大減少了裝置死機的可能，提高了裝置的可靠性。

　　本系統改變傳統的總線+數據采集板的設計思想，采用模塊化設計。將各個采集通道分別隔離，信號相近的通道組成模塊，模塊之間、模塊與主控單元之間通過通信總線方式連接，保證了各通道、各模塊和主控單元的獨立性。便于系統的擴展、升級，適應各種型號的傳感器信息的接入以及方便故障檢修處理。前端從儀表端子接線排取信號，經信號調理后分別交由相互隔離的通道模塊傳送給主控制器，運用W-8331提供的看門狗設計提高系統軟件的可靠性。

　　3 系統軟件設計

　　軟件由機內數據采集軟件、車上數據分析軟件和地面數據分析軟件三部分組成。

　　3.1 機內數據采集軟件

　　機內數據采集軟件與車上數據分析軟件使用Visual C#編程，利用WinConSDK函數庫來控制、操作WinCon-8000的全部硬件，包括I-8000／I-87K／I-7000系列I／O模塊。在普通微機上利用微軟的VisualC#開發環境直接開發機內數據采集程序，然后將其下載到WinCon-8000中去執行。

　　機內數據采集軟件驅動各I／O通道每1 s采集一次各信息點的數據，同時接收一條TAX箱的數據，組成一幀長度為120 B的記錄。以TAX箱輸出的時間為標準的時間，根據精度需要每1～10 s記錄一幀數據。若兩次采集的數據變化不大時，每10 s種記錄一幀數據；若兩次采集的數據變化較大時，每1 s記錄一幀數據。存儲一幀數據所需的存儲空間為120 B，當存儲器快滿時，依照先進先出的數據備份策略淘汰最先記錄的數據，保證始終記錄著最近幾天的數據。

?　　3.2 車上數據分析軟件

　　受 W-8331模塊資源的限制，車上數據分析軟件主要是將采集的數據實時顯示與判斷報警。裝置工作時，如果帶有顯示器，該顯示器始終顯示一個主控界面和主要信號點的實時數據。當采集的信號大于設定值時，采用聲、圖、指示燈報警。車上數據分析軟件可以在鼠標的操作下回溯顯示之前的任意時刻的參數，便于機組人員在車輛運行現場了解機車運行狀態，供現場維護分析及處理決策。本裝置可以不帶顯示器和鼠標，此時靠裝置上的4個按鈕開關操作轉錄控制，通過指示燈及聲音報警。

　　3.3 地面數據分析軟件

　　通過U盤轉錄將數據轉送給地面計算機，地面計算機運行地面數據分析軟件，讀取U盤的原始數據，進行數據格式校驗，挑出不全的記錄，按司機號或時間分段，進行機車運行工況參數曲線繪制。該軟件采用Delphi開發，繪制帶有時間標的機車各參數運行曲線。可按時間、公里標等對記錄的數據進行檢索、查詢。運行曲線提供橫向及縱向數據比較在內的各種數據回放分析模式，使記錄數據可視化，真實再現運行狀態下機車的各種工況信息，讓地面分析人員形象直觀地判斷機車運行狀況，為機車的檢修提供科學的依據。

　　本采集儀記錄的數據還可以通過數據格式轉換程 序轉換成其他地面處理軟件需要的數據格式，為用戶采用其他商品化的地面數據處理軟件提供方便。同時，地面數據分析軟件向維修信息庫提供數據。

　　4 結 語

　　采用通用的功能強大的工業級微控制器組成系統，盡管成本高，對機車這樣的關鍵性設備來說，依然是可以接受的方案。本裝置由哈密新通公司組織研制，主要用于車頭維護數據的采集，在DF4B機車上進行運行試驗考核，運行試驗表明，該系統運行穩定可靠，各項功能實現良好，達到了預計的設計目標。