电力机车数据采集系统

电力机车其微机柜汇集了机车运行过程中的控制信号和运行状态信号，机车安全监控装置也提供了列车的相关信息。这些信号反映了机车及其电气和电子系统的工作情况。通过对这些信号进行采集、处理与分析，能够了解机车在运行过程中的状态参数，因而可对事故分析、故障诊断和维修提供准确可靠的信息。建立电力机车电气运行数据采集诊断与分析系统方案，将对机务系统的“修制改革、科学管理”具有重要的现实和指导意义。

本电力机车数据采集提示系统，通过采集机车各设备数据，实时分析处理，在设备状态异常或故障时，能够快速、准确地识别故障，及时为司乘人员提供故障节点提示及处理建议。系统还具有数据记录和转储功能，便于地面数据处理系统作进一步的分析，并为机车的运用、管理、检修提供支持。

一、系统构成

本系统共分三个部分：数据采集处理部分、显示提示部分、地面数据分析处理部分。其功能框图如下所示。

车载主机构成图：

二、技术参数
1. CPU模块运行速度可达300MHz，在板内存为128M SDRAM，其上运行的嵌入式Linux系统是一个多任务操作系统，在保证对机车运行数据足够频率采集的情况下，还同时保证人机界面实时的互动响应。
2、数据采集柜共采集模拟量8个，开关状态量62（69）个，频率量4个。主机以每秒4次的频率通过CAN总线采集这些运行数据。主机与数据采集柜以CAN总线连接，采集柜内部各板卡之间采用串口通讯，任一个数据采集板发生故障不会影响其它的数据采集板工作和与主机的通信。
3、显示主机通过485串口线与TAX箱连接，接收TAX箱发送过来的机车公用信息，并以机车公用信息里的时间作为主机时间，只有当与TAX箱的连接故障或TAX箱故障时，主机将以自己的时间记录数据。
4、主机按事件记录机车运行数据，即当任一开关量变化或者任一模拟量变化超过预设的阀值时，产生一条事件，主机将此时所有的采集量和时间当作一条记录写入文件。
5、主机装一个64M的电子硬盘，操作系统和程序安装在电子硬盘上，占用约30M空间，剩下的空间存放机车运行数据文件。
6、主机提供了良好的人机界面，使察看实时数据和转储运行数据、录像及图像都极为方便，其简洁的界面让人一看就知道如何操作。
7、主机由机车供电，为适应机车供电电压的变化，主机电源块采用了宽压设计。
三、各部分功能：
1、显示提示部分

采用的为PC104工控机，PC/104在板集成了10/100Base-T以太网接口及高性能图形处理器。采用X86兼容的64位第六代处理器，运行速度可达300MHz，在板内存为128M SDRAM。图形处理器可支持各种LCD及TFT显示屏，同时在板支持PS/2键盘、PS/2鼠标、IDE接口、Floppy接口、两串一并接口、USB以及Watchdog。工作环境：-25℃~ ＋75℃，5％~ 95％相对湿度
    主机操作系统是基于PC/104产品的嵌入式LINUX系统，安装在64M DOC上，操作系统总大小20M。支持日志文件系统EXT3，可保证文件系统在非正常关闭后能够快速恢复到正常状态。
地面软件系统用VC＋＋开发，车载系统记录的机车运行数据用优盘转储下来由地面软件进行分析处理，机车运行数据会由地面软件存储到SQL-SERVER数据库，方便将来进行查询和对比分析，给出相应的维修建议等。

显示提示部分的功能框图如下所示：

此部分可实时显示所采集的机车信息，包括机车的工况信息，各继电器的状态，各仪表的信息，以及电子柜的信息和机车的公共信息等。并能根据所采集的数据，判断出机车各部件的工作状态是否异常，给出故障信息并提示相应的处理建议。其具体提示功能有如下方面：
1、对超过门限值的参数进行显示，同时可记录发生的时间、故障类型、误差值。（包括蓄电池电压低于93V时进行声光报警）
2、各种开关量的纪录与显示。
3、蓄电池不充电进行声光报警，防止因高网压使电源柜蓄电池充电自动开关600QA跳开而发生亏电。
4、劈相机起动电阻接触器吸合动作时间超过15s，进行声光报警。
5、升弓时进行安全提示。
6、显示发生网压值和最小值的时间、区间位置，对电网的供电情况能进行测评。
2、故障处理提示部分     
在电力机车运行中发生故障时，装置以人机交互方式提供一个或几个应急故障处理方案，指导机车乘务员操作故障智能处理装置进行故障处理。具体有如下几个方面：
①主断路器不闭合故障提示
②主、辅接地提示
③控制回路接地提示
④辅助回路过流提示
⑤辅助回路灯亮提示
⑥励磁过渡提示
⑦空转提示预备灯不灭提示
另外，可根据实际的需要，增加所需要的判断情况，作出相应的故障与处理提示。
故障诊断过程
故障1：不升弓：
首先由检测单元检测“受电弓”扳键开关402SA上的导线532是否有电，导线532-400有电，再由检测单元检测本节车的升弓电磁阀1YV上的导线534是否有电，网压表线104-100是否有100伏左右的交流电，若534-400无电，网压表线104-100无100伏左右的交流电，则诊断为升前弓异常。

1. 首先由检测单元检测“受电弓”扳键开关402SA上的导线535是否有电，导线535-400有电，再由检测单元检测另一节车的升弓电磁阀1YV上的导线534是否有电，网压表线104-100是否有100伏左右的交流电，若534-400无电，网压表线104-100无100伏左右的交流电，则诊断为升后弓异常。
   
   故障2：主断路器合不上：

首先由检测单元检测“主断”扳键开关400SA上的导线537（合闸信号）是否有电，导线537-400有电，再由检测单元检测导线541是否有电，若导线541-400有电，则诊断为正常;若导线541-400无电，则诊断为主断器合不上异常。继续按诊断逻辑树进行诊断：检测单元检测导线544是否有电，若导线544有电，则检测①辅接地是否显示，辅接地继电器285KE上的导线756-400是否有电;②Ⅰ架、Ⅱ架主接地是否显示，主接地继电器97KE、98KE上的导线701-400，702-400是否有电;③原边过流继电器101KC动作，原边过流保护灯上的导线706是否有电;④电机电流是否过载，检测牵引电机灯上的导线708-400是否有电;⑤是否紧急跳主断，检测导线804-400是否有电;⑥机车是否处于零电压，检测零压灯上的导线705-400是否有电;⑦是否次边过流，检测导线552-400是否有电;⑧是否输出分主断信号544-400有电。
故障3：辅接地：
检测单元检测辅接地灯上的导线756-400有电。
故障4：主接地：
检测单元检测主接地继电器97KE、98KE上的导线701-400，702-400有电。
故障5：控制回路接地：
检测单元检测控制回路接地灯上的导线757-400有电。
故障6：原边过流：
    检测单元检测原边过流保护灯上的导线706有电。
故障7：牵引电机过载：
    检测单元检测牵引电机保护灯上的导线708有电。
故障8：零电压：
    检测单元检测零压灯上的导线705-400有电。
故障9：次边过流：
    检测单元检测导线552-400是否有电
故障10：辅过流：
检测单元检测上辅过流灯上的导线755-400有电。
故障11;劈相机起动故障：
检测单元检测“劈相机”起动按钮404SA上的导线562是否有电，导线562-400有电，再由检测单元检测方式选择开关591QS上的导线564、563是否有电，选择开关591QS置于“0”位，为手动控制，564-400有电;选择开关591QS置于“1”位，为自动控制，563-400有电（自起劈相机）;最后由检测单元检测劈相机故障隔离开关242QS上的导线579、570是否有电，242QS置于“1”位，579-400有电，为劈相机正常工作状态;242QS置于“2”位，570-400有电;为用通风机1代替劈相机，此时通风机1通过电容分相起动后代替劈相机的功能。如果检测单元检测导线564、563任一有电，579有电，劈相机信号灯上的导线718无电或劈相机接触器201KM上的导线573有电，劈相机起动电阻接触器213上的导线571有电，则为劈相机起动正常。如果检测单元检测导线564、563任一有电，579有电，劈相机信号灯上的导线718有电或劈相机接触器201KM上的导线573无电，劈相机起动电阻接触器213上的导线571无电，则为劈相机起动故障。劈相机信号灯上的导线718无电或劈相机接触器201KM上的导线573有电后，延时15秒后劈相机起动电阻接触器213上的导线571不失电，则为劈相机起动电阻接触器吸合动作时间超过门限值，进行声光报警提示。
故障12：牵引通风机控制故障：
检测单元检测导线546有电，242QS置于“1”位，579-400有电，通风机Ⅰ、Ⅱ隔离开关575QS、576QS置于“0”位，504-400、505-400无电，牵引通风机Ⅰ接触器205KM上的导线580、牵引通风机Ⅱ接触器206KM上的导线582同时有电，则通风机控制正常。
检测单元检测导线546有电，242QS置于“1”位，579-400有电，通风机Ⅰ隔离开关575QS置于“1”位，通风机Ⅱ隔离开关576QS置于“0”位，504-400有电即牵引通风机Ⅰ切除，505-400无电，牵引通风机Ⅰ接触器205KM上的导线580无电，牵引通风机Ⅱ接触器206KM上的导线582有电，则诊断为通风机Ⅰ切除，通风机Ⅱ工作。
检测单元检测导线546有电，242QS置于“1”位，579-400有电，通风机Ⅰ隔离开关575QS置于“0”位，通风机Ⅱ隔离开关576QS置于“1”位，504-400无电，505-400有电即牵引通风机Ⅱ切除，牵引通风机Ⅰ接触器205KM上的导线580有电，牵引通风机Ⅱ接触器206KM上的导线582无电，则诊断为通风机Ⅰ工作，通风机Ⅱ切除。
检测单元检测导线546有电，242QS置于“1”位，579-400有电，通风机Ⅰ、Ⅱ隔离开关575QS、576QS置于“0”位，504-400、505-400无电，牵引通风机Ⅰ接触器205KM上的导线580或牵引通风机Ⅱ接触器206KM上的导线582无电，则通风机控制异常。
故障13：制动风机控制故障：
检测单元检测导线548有电，制动风机Ⅰ、Ⅱ隔离开关581QS、582QS置于“0”位，498-400、499-400有电，制动风机Ⅰ接触器209KM上的导线593、制动风机Ⅱ接触器210KM上的导线594同时有电，则制动风机控制正常。
检测单元检测导线548有电，制动风机Ⅰ隔离开关581QS置于“1”位、制动风机Ⅱ隔离开关582QS置于“0”位，498-400无电、499-400有电，制动风机Ⅰ接触器209KM上的导线593无电、制动风机Ⅱ接触器210KM上的导线594有电，则诊断为制动风机Ⅰ切除，制动风机Ⅱ工作。
检测单元检测导线548有电，制动风机Ⅰ隔离开关581QS置于“0”位、制动风机Ⅱ隔离开关582QS置于“1”位，498-400有电、499-400无电，制动风机Ⅰ接触器209KM上的导线593有电、制动风机Ⅱ接触器210KM上的导线594无电，则诊断为制动风机Ⅰ工作，制动风机Ⅱ切除。
检测单元检测导线548有电，制动风机Ⅰ、Ⅱ隔离开关581QS、582QS置于“0”位，498-400、499-400有电，制动风机Ⅰ接触器209KM上的导线593或制动风机Ⅱ接触器210KM上的导线594无电，则制动风机控制异常。
故障14：牵引控制故障：
检测单元检测导线402、403和406有电，两位置转换开关方向鼓“向前”位的电磁阀107YVF和108YVF上的导线434有电，两位置转换开关工况鼓“牵引”位的电磁阀107YVT和108YVT上的导线429有电，则诊断为牵引向前正常。如果检测单元检测导线402、403和406有电，而导线434或429无电，诊断为牵引向前异常。
检测单元检测导线402、404和406有电，两位置转换开关方向鼓“向后”位的电磁阀107YVBW和108YVBW上的导线425有电，两位置转换开关工况鼓“牵引”位的电磁阀107YVT和108YVT上的导线429有电，则诊断为牵引向后正常。如果检测单元检测导线402、404和406有电，而导线425或429无电，诊断为牵引向后异常。
故障15：制动控制故障：
检测单元检测导线402、403和405有电，两位置转换开关方向鼓“向前”位的电磁阀107YVF和108YVF上的导线434有电，两位置转换开关工况鼓“制动”位的电磁阀107YVB和108YVB上的导线431有电，则诊断为制动向前正常。如果检测单元检测导线402、403和405有电，而导线434或431无电，诊断为制动向前异常。
检测单元检测导线402、404和405有电，两位置转换开关方向鼓“向后”位的电磁阀107YVBW和108YVBW上的导线425有电，两位置转换开关工况鼓“制动”位的电磁阀107YVB和108YVB上的导线431有电，则诊断为制动向后正常。如果检测单元检测导线402、404和405有电，而导线425或431无电，诊断为制动向后异常。
故障16：“预备”灯不灭：
    当调速手柄离开0位时，检测单元检测412线有电，预备灯上的703线应无电。如果导线412有电，而703线也有电，则诊断为“预备”灯不灭。在未隔离转向架和线路接触器的情况下，“预备好”逻辑构成的条件为“主断闭合”且“励磁接触器91KM闭合”且“励磁接触器92KM闭合”且“线路接触器好（由线路接触器12KM、22KM、32KM、42KM信号串联）”。诊断计算机按“主断路器      励磁接触器     线路接触器”顺序检查各种条件是否满足，如果查询到某一条件不满足，则输出相应结果。如果422线无电，则诊断为91KM未闭合;如果435线无电，则诊断为92KM未闭合;如果661线无电，则诊断为12KM未闭合;如果662线无电，则诊断为22KM未闭合;如果663线无电，则诊断为32KM未闭合;如果666线无电，则诊断为42KM未闭合。
故障17：无压无流：
当调速手柄离开0位时，检测单元检测412线有电，预备灯上的703线无电 “预备”灯灭，而牵引电机无电流时，则诊断为无电压无电流。
故障18：励磁过流：
检测单元检测励磁过流灯上的导线710有电
补充说明：
架一切除信号牵引通风机Ⅰ隔离开关575QS上的线504-400有电;

• 架二切除信号牵引通风机Ⅱ隔离开关576QS上的线505-400有电;
• 操纵端信号419-400有电;
• 零位信号420-400有电;
• 网压信号103-100，为交流信号按40KV对应160V、25KV对应100V、24KV对应96V、19KV对应76V;
• 架压表，为直流信号，按1500KV对应7.5V;
• 牵引电机的过流保护整定值：1300A
• 牵引电机的电压限制值：1020V
  

  3、数据采集处理部分

• 为整个车上系统的核心，采用标准的工业机箱结构，由上位机板（PC/104主机板）和下位机板（开关量检测板、模拟量检测板、频率量检测板、信息处理单元板、电源板等）组成。各部分对于所采集的同类数据量均有预留。
  1）主机板采用高速微处理器ARM和嵌入式的实时多任务操作系统，支持多种外围硬件设备，该板带有存储器，可存储大容量数据文件。该板主要负责信息的处理（数据记录、故障判断分析、数据的实时传送控制等）以及调试、协调各模块之间的工作。
  2）开关量检测单元检测的项目内容如下：

3）模拟量检测单元检测的项目内容如下：

4）频率量检测单元检测的项目内容如下：

 
5）电子柜检测单元截取电子柜的有用数据信息，作为相应的判断依据，因本检测单元采用RS485总线，只接收信息，故不会对电子柜产生任何负面影响。同时，本单元还接收机车监控设备的公共信息，包括时间、速度、公里标、车次、区段号、车站号、司机号、副司机号和机车号等。这些信息对进行故障诊断及事故分析具有重要的意义。
四、通讯
车上通讯共分为两个部分，在数据采集处理部分，信息处理单元板通过串口方式与各个单元之间进行通讯。在信息处理单元板与两端的ARM主机板显示屏之间，为提高抗干扰能力，采用CAN总线进行通讯。
五、数据转储
通过ARM主机上面的高速USB接口，用优盘将记录的机车数据转储至地面计算机。方式内容为机车整个运行过程中详细的机车状态信息和故障记录以及公共信息。

该装置的使用，能够很好地采集机车的信息，可以为乘务员提供直观、便捷、高效的应急故障处理手段，能够使乘务员在司机室内对故障进行分析和判断。减少故障判断处理时间，降低乘务员故障处理难度。能够帮助现场检修人员发现动态故障，方便查找原因。