柏承宇

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院牽引動力學(xué)院，陜西西安710026）

隨著當前信息化技術(shù)的發(fā)展，將GPRS技術(shù)在電力機車中也發(fā)揮積極應(yīng)用價值，可以提高狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸通訊的穩(wěn)定性[1]。而在實際的電力機車運行過程之中，需要對電力機車運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，若是未能實時監(jiān)測其運行狀態(tài)，未能夠及時記錄在電力機車出現(xiàn)故障時的數(shù)據(jù)，這樣也會增加電力機車檢修困難；并且由于在維修電力機車過程中沒有數(shù)據(jù)作為依據(jù)，也就會降低維修好之后電力機車運行的安全穩(wěn)定性，為電力機車運行安全帶來隱患[2-5]。

在設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，通過應(yīng)用CAN總線技術(shù)，也就是通過應(yīng)用控制器局域網(wǎng)總線技術(shù)，不僅可以總線型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計電力機車監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡化系統(tǒng)的布線結(jié)構(gòu)，也能夠最大限度節(jié)約系統(tǒng)設(shè)計中的布線成本，提升系統(tǒng)設(shè)計好之后實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力與抗干擾能力，確保設(shè)計的電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)滿足實際應(yīng)用需求[6]。為此，優(yōu)化設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以將車輛運行數(shù)據(jù)傳送給車輛管理部門，從而可以實時監(jiān)測運行中電力機車的運行狀態(tài)，也能夠?qū)崟r將檢測的機車運行參數(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)之中，使電力機車故障診斷與維修全面走向自動化[7-10]。在實際研究之中，基于CAN技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，選擇CAN總線作為整個電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)平臺，以CAN總線模塊化的設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計實時監(jiān)測電力機車運行狀態(tài)的系統(tǒng)，對檢測到的數(shù)據(jù)進行保存，可以全面檢測機車運行過程中的狀態(tài)參數(shù)。

1 系統(tǒng)需求功能分析

在電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，基于CAN技術(shù)，設(shè)計的系統(tǒng)需要具備以下功能。具有牽引、制動（加饋制動）控制，防空轉(zhuǎn)（滑行）控制等基本功能，牽引時采用起動恒流、特性段準恒速控制，具有兩級限壓和三級磁場削弱控制功能，制動時采用加饋電阻制動；具有自動過分相控制，與微機狀態(tài)顯示屏配合可以實現(xiàn)故障診斷、記錄以及完善的高、低壓自檢功能，機車運行工況及電機參數(shù)的實時顯示功能，空電聯(lián)合制動及功率因數(shù)補償?shù)裙δ堋?/p>

2 總體結(jié)構(gòu)

在設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，基于CAN技術(shù)支持下，在系統(tǒng)中應(yīng)用CAN模塊化處理信號調(diào)理電路以及信息采集與存儲數(shù)據(jù)單元。實際中，在電力機車運行過程中，經(jīng)系統(tǒng)的信號采集板采集系統(tǒng)的電子柜信號，然后通過信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換，將采集的信號經(jīng)CAN總線發(fā)送到系統(tǒng)的存儲單元中，再然后，可以通過系統(tǒng)中的RS-485標準數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)電力機車運行狀態(tài)的診斷單元中，診斷電力機車運行是否出現(xiàn)故障。同時，在系統(tǒng)的設(shè)計中，對于電力機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，還能夠通過USB接口從U盤中取出，確保可以對數(shù)據(jù)進行存檔分析，方便地面人員分析研究CAN電力機車運行狀態(tài)，提升系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用效益。電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖1中所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

外部數(shù)據(jù)采集中，設(shè)有一個擴展存儲93LC66B，將電力機車運行參數(shù)采集之后壓縮儲存在系統(tǒng)的93LC66B數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，還能夠采取循環(huán)記錄數(shù)據(jù)的方式，方便查找數(shù)據(jù)【11】。同時，在設(shè)計系統(tǒng)中，針對系統(tǒng)中每個外部數(shù)據(jù)采集器，在其外部擴展的存儲器內(nèi)，也均會存在固定的一個字節(jié)，在該字節(jié)內(nèi)用以記錄在CAN總線中每個采集器的編號，通過編號與系統(tǒng)的CPU進行數(shù)據(jù)通訊。

在電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計之中，針對電力機車開關(guān)信號量的采集方面，可以根據(jù)設(shè)計CAN監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求，采集在電力機車發(fā)生故障時的數(shù)據(jù)信號，如欠壓、主斷以及主接地時顯示屏中顯示的信號數(shù)據(jù)【12-14】。在系統(tǒng)設(shè)計中，采集電力機車運行時的開關(guān)量信息，在CAN總線支持下，實現(xiàn)電力機車開關(guān)參數(shù)與其它系統(tǒng)通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸，使電力機車檢修維護人員可以根據(jù)系統(tǒng)顯示屏中的數(shù)據(jù)制定故障維護方案。

核心數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用AT89S52單片機，可以在線編程的，就是將單片機先焊到板子上，只要留出編程接口就可以在板子上編程，這樣很適合對電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)隨時升級。AT89S52單片機引腳如圖2所示。

圖2 AT89S52引腳圖

在設(shè)計的電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，針對系統(tǒng)中所有采集模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)，可以在CAN總線支持下，通過CAN將采集到的機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給系統(tǒng)的上位機，將數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)的Compact Flash芯片中，方便系統(tǒng)應(yīng)用人員對數(shù)據(jù)進行查詢分析，及時監(jiān)控預(yù)測電力機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，杜絕電力機車運行過程中出現(xiàn)危險事故。

在電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計之中，針對系統(tǒng)顯示屏硬件設(shè)計中，應(yīng)用ZYTWX1型機車通用彩色顯示屏，可以在顯示屏中顯示電力機車運行狀態(tài)的信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用CAN技術(shù)，優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)軟件部分。在CAN支持下系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，在采集運行溫度參數(shù)時，可以先初始化系統(tǒng)中的電力機車運行模擬量采集單元；當系統(tǒng)的上位機發(fā)出請求，采集電力機車運行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)的指令時，可以啟動系統(tǒng)中的定時器；并將采集的電力機車運行溫度數(shù)據(jù)進行A／D轉(zhuǎn)換；最后，可以將轉(zhuǎn)換得到的電力機車運行溫度數(shù)據(jù)，根據(jù)CAN中的標準幀格式，將采集的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲單元中。軟件設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

在設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)時，基于CAN幀格式，將采集的電力機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)處理單元，以確?？梢詾闄C車操縱人員和維修人員提供決策依據(jù)，為狀態(tài)修提供原始數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)對電力機車運行狀態(tài)進行分析。

5 系統(tǒng)應(yīng)用測試

在實際中，為測試該系統(tǒng)應(yīng)用效益，在測試設(shè)備CANstressDR、CANoe+CANcaseXL以及數(shù)字示波器支持下，將測試電力機車設(shè)備串連到電力機車CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)測試平臺中，打開CANScope，開啟設(shè)備的眼圖功能，獲取到如圖4的波形。

圖4 設(shè)備狀態(tài)檢測波形

在電力機車CAN運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)監(jiān)測應(yīng)用，經(jīng)過測試，結(jié)果證實CANH+CANL的電壓如圖5所示。

圖5 CANH+CANL電壓值

在電力機車CAN運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，經(jīng)監(jiān)測應(yīng)用，經(jīng)過測試，結(jié)果證實CANH+CANL的電壓符合4.2～5.8 V的，則電力機車運行時電壓水平平穩(wěn)，電力機車可以正常運行。在設(shè)計電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)中，應(yīng)用CAN總線技術(shù)，基于CAN總線作為整個電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)用CAN技術(shù)，在模塊化設(shè)計支持下，使設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電力機車的運行狀態(tài)。

6 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)效益分析

在設(shè)計的系統(tǒng)中，可以及時將監(jiān)測得到的電力機車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸給車輛維護檢修人員，并由地面管理人員根據(jù)系統(tǒng)顯示的電力機車實時運行數(shù)據(jù)，判斷電力機車運行狀態(tài)，使電力機車故障診斷與維修全面走向自動化[15]。實現(xiàn)對運行電力機車自動跟蹤、定位、軌跡實時顯示；采用故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計思想對實時故障進行診斷處理、指導(dǎo)司機操作，確保行車安全[16]；對機車參數(shù)信息進行存儲、分析、匯總，優(yōu)化制定出需要重點監(jiān)測、維護、檢修電力機車的部位，并進一步有針對性的提出維修方案，提升電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用效益。

7 結(jié)論

綜上所述，基于CAN設(shè)計實現(xiàn)電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可用于完成對電力機車運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，不僅可以實時采集電力機車的電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)，也可以采集在發(fā)展牽引電機故障時的相關(guān)信息，并將采集的信息實時顯示在系統(tǒng)的顯示屏中，有助于電力機車維護檢修人員及時跟進顯示的數(shù)據(jù)，及時制定合理的監(jiān)測維護方案，以確保提升電力機車運行狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量?；贑AN技術(shù)，將CAN應(yīng)用到設(shè)計實時的電力機車運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在電力機車運行過程中實時采集設(shè)備運行參數(shù)，可以遠程實時監(jiān)測電力機車運行狀態(tài)，確保行車安全。

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