養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置及監測診斷方法

2023-05-13 19:45:26

專利名稱：養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置及監測診斷方法
技術領域：
本實用新型涉及一種軌道交通養護機械的電氣系統，特別是一種 養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置及監測診斷方法。
背景技術：
目前國內的搗固車電氣控制系統採用了一套程序邏輯控制系統來進 行系統的控制、協調、邏輯運算等，但是卻缺少一個能在系統故障、檢修、 調試時運作的故障診斷裝置。由於輸入輸出信號繁多，各信號之間的邏輯 關係複雜，故障檢測成為機械化施工單位的一大難題。本裝置是針對目前
國內的D08-32型搗固車設計的，用於對搗固車電氣系統進行診斷的一套 大型養路機械智能診斷裝置，能實現在線檢測電氣系統主要的模擬信號及 邏輯信號，分析信號之間的邏輯關係，進行故障診斷。
D08-32型搗固車電氣系統分為作業電氣系統和輔助電氣系統，作業 電氣控制系統分為撥道、起道抄平、搗固、液壓走行、液壓制動五個子系 統。每個作業周期內需完成等動作。這些動作並不是在同一時刻進行的， 而是由專門的控制系統來按一定的程序、一定的邏輯關係協調各部門動作 的。程控系統實際上是一套計算機系統，程控主機板是整個程控系統的核 心。主機板通過地址總線、數據總線和控制總線與輸入輸出板、定時器板 交換信息，從這些電路板的輸入端獲取搗固車作業系統各部件的工作狀 態，按照固化在板內程序存儲器裡的作業程序。在邏輯運算單元，將狀態 信息進行運算，運算後的結果送至輸入輸出板相應的輸出埠，對作業系 統各部件實施控制。如果程控主機板出現故障，整個作業系統就無法正常 工作。在電氣系統中有一套多路信號檢測系統，通過它可以對各子系統的 各工作電源電壓和大部分主要信號進行測量，因此部分電氣系統的故障也 可以通過對這些信號進行分析檢測到。
針對搗固車電氣系統的狀態檢測與故障診斷目前就只有兩種方式，現 具體說明如下
第一種方式，利用原有電氣系統自帶的40路模擬量採集板，通過多 路開關進行選擇， 一次一路的方式査看模擬量的值；電氣系統故障產生以 後，基本上是靠技術人員的經驗和知識進行現場診斷或者是事後維修。這 種方式的缺點顯而易見，不能監測到參與搗固車作業所有的邏輯信號，不 能同時監測主要的模擬信號，故障的檢測需要技術人員很紮實的專業知 識，耗費時間多，效率低下。這種方式是必然要被淘汰的。
第二種方式，系統採用工控機做為診斷主機，通過模擬量輸入卡和數 字量輸入/輸出卡對模擬量和數字量進行數據採集，將主機和自行設計的 端子板放置在同一機箱內，機箱內上部安裝主機，下部安裝接線端子板， 觸摸式屏幕作為顯示器及輸入設備。系統採用WIN32支持的VisualBasic 3.0為開發平臺，採用標準模塊化設計，所有界面採用按鈕式命令，故障 診斷系統的軟體包括管理軟體、文檔軟體、信號採集、處理軟體及故障診 斷軟體，系統中VB通過動態庫和外界建立通信；文檔管理軟體通過VB 界面的顯示實現；信號採集和處理軟體是由8014肌(^夂++創建的基函數 實現；故障診斷是根據編寫的故障樹，創建VB函數庫，並在診斷開始代 碼中，通過調用該函數庫的函數實現診斷，分別對每個故障現象編寫診斷
函數，組成VB函數庫，然後在"開始"代碼裡調用函數。每個故障現象 可構成一個故障樹，根據樹形結構進行編程。通過工控機加上自行重新設 計的採集板卡採集數據，通過自行開發的診斷軟體進行檢測與診斷。這種 方式的主要缺點如下(1)需要將各種傳感器的信號接入採集板卡，增加
了很多信號線，帶來了布線的難度；(2)工控機主機及顯示器佔用了原本 就不大的司機室空間；(3)增加了硬體成本；(4)故障診斷是根據編寫的 故障樹，創建VB函數庫，通過調用該函數庫的函數實現診斷，如果函數 庫中沒有對應的故障，診斷軟體就無能為力。由於養路機械電氣系統複雜， 故障的原因及種類很多，因此也不可能預先知道所有的故障。

發明內容
本實用新型的目的就是為了解決當前存在的這些問題，主要優點體現 在不改變原有電氣控制系統的布線、不增加硬體成本、減輕技術人員的工 作強度、提高診斷的準確性與效率。
一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置，它包括養路機械作業電 氣控制系統1、診斷主機2、 CAN總線接口 3、雙口 RAM4和A/D轉換器9， 其中所述養路機械作業電氣控制系統1包括程控主機板5和40路顯示 板6，所述CAN總線接口 3包括AVR單片機7和CAN控制器8;所述程控 主機板5的主CPU通過實現數據交換的雙口 RA^M與CAN總線接口 3的AVR 單片機7相連；
所述40路顯示板6包括單片機10、 40路選擇開關11和儀表顯示單 元12，所述40路選擇開關11的模擬信號輸出端分別與A/D轉換器9和 儀表顯示單元12的模擬信號輸入端相連；A/D轉換器9的數位訊號輸出
端與單片機10的數位訊號輸入端相連；單片機10的選擇信號輸出端、AD 控制信號輸出端、顯示控制信號輸出端分別與所述40路選擇開關11、A/D 轉換器9、儀表顯示單元12的對應控制信號輸入端相連；該單片機10的 數據輸出端與所述CAN總線接口 3的(^N控制器8相連;手動選擇信號輸 入端直接與單片機10的對應輸入端相連；
所述程控主機板5的主CPU13通過RS232接口與裝載有數據採集分析 和診斷程序的診斷主機2相連。
監測診斷方法是按照以下方法進行-
第一步，建立通信，完成診斷主機與程控主機板之間的通訊，進行信 息交換，形成診斷主機聯接養路機械電氣系統窗口；
第二步，完成把由養路機械電氣系統收集到的所有信息直觀的顯示出 來，把所有的信號清楚的顯示在顯示屏上，方便手工檢索各種信息，形成 人機互動窗口；
第三步，分析診斷，主要完成對採集到的所有信號進行分析，發現養 路機械電氣系統中的異常信號，通過上述第二步的顯示步驟發出警告或突 出顯示。
所述第三步包括構建二叉樹和遍歷二叉樹兩個步驟，其中 構建二叉樹步驟是1)根據控制程序建立能推導出故障原因的與故 障相關聯的所有信號的狀態和邏輯表達式；形成程控邏輯表，由控制程序 將一定的輸入變量或中間變量按照一定的邏輯關係表達引起故障的輸出 信號；2)採用二叉樹的形式存儲邏輯表達式，根據程控邏輯表的邏輯表 達式中任何一個操作都可以轉化為由兩個運算數因子和一個邏輯運算符 構成的特點，轉換成完全二叉樹。.
遍歷二叉樹步驟是通過遍歷計算出來的各表達式各因子的值，對故障 進行分析1)從二叉樹底部開始遍歷整個二叉樹，算出每個根節點邏輯
值，並暫存；2)從根節點開始對此二叉樹進行分析，碰到根節點存在兩
種或多種情況，保存當前地址，按照"先左後右的原則"繼續分析下面節 點直到根節點為零，並保存根節點的編號，轉到保存的地址，繼續進行分
析，直到保存的地址完全分析完畢；3)根據保存根節點的編號，從數據 庫調出對應的信號，這些信號也就是造成故障的原因。
資料庫包括兩個方面的內容。第一在大型養路機械的電氣系統中所
有的程控信號及模擬量都有對應的編號，因此這些對應關係構成資料庫的
一部分；第二根據電氣系統以往所產生的種種故障和產生故障的原因構
建一個專家診斷資料庫，因此可以根據根節點的編號，查詢資料庫，首先 推導出大致的故障原因。
本發明通過診斷主機與養路機械的程控主機、40路顯示板進行通訊， 獲取其程控信號及40路顯示板所採集的車上模擬控制信號，再對程控信 號與模擬控制信號進行分析發現異常，達到對養路機械電氣系統的診斷的 目的。另外，診斷主機能夠保存所獲取的程控信號及模擬控制信號，便於 日後調用與檢査。


圖l為本發明結構示意圖2為CAN通訊功能流程圖；.
圖3為構建二叉樹的流程圖； 圖4為遍歷二叉樹的流程圖。
具體實施例方式
如圖l、圖2、圖3、圖4所示， 一種養路機械電氣系統狀態監測與診 斷裝置，它包括養路機械作業電氣控制系統1、診斷主機2、 CAN總線接 口 3、雙口 RAM4和A/D轉換器9，其中所述養路機械作業電氣控制系統 1包括程控主機板5和40路顯示板6，所述CAN總線接口 3包括AVR單片 機7和CAN控制器8;所述程控主機板5的主CPU通過實現數據交換的雙 口 RAM4與CAN總線接口 3的AVR單片機7相連；
所述40路顯示板6包括單片機10、 40路選擇開關11和儀表顯示單 元12，所述40路選擇開關11的模擬信號輸出端分別與A/D轉換器9和 儀表顯示單元12的模擬信號輸入端相連；A/D轉換器9的數位訊號輸出 端與單片機10的數位訊號輸入端相連；單片機10的選擇信號輸出端、AD 控制信號輸出端、顯示控制信號輸出端分別與所述40路選擇開關11、 A/D 轉換器9、儀表顯示單元12的對應控制信號輸入端相連；該單片機10的 數據輸出端與所述CAN總線接口 3的CAN控制器8相連;手動選擇信號輸 入端直接與單片機10的對應輸入端相連；
所述程控主機板5的主CPU13通過RS232接口與裝載有數據採集分析 和診斷程序的診斷主機2相連。
監測診斷方法是按照以下方法進行-
第一步，建立通信，完成診斷主機與程控主機板之間的通訊，進行信 息交換，形成診斷主機聯接養路機械電氣系統窗口；
第二步，完成把由養路機械電氣系統收集到的所有信息直觀的顯示出來，把所有的信號清楚的顯示在顯示屏上，方便手工檢索各種信息，形成
人機互動窗口 ；
第三步，分析診斷，主要完成對採集到的所有信號進行分析，發現養 路機械電氣系統中的異常信號，通過上述第二步的顯示步驟發出警告或突 出顯示。
所述第三步包括構建二叉樹和遍歷二叉樹兩個步驟，其中 構建二叉樹步驟是1)根據控制程序建立能推導出故障原因的與故 障相關聯的所有信號的狀態和邏輯表達式；形成程控邏輯表，由控制程序 將一定的輸入變量或中間變量按照一定的邏輯關係表達引起故障的輸出 信號；2)採用二叉樹的形式存儲邏輯表達式，根據程控邏輯表的邏輯表 達式中任何一個操作都可以轉化為由兩個運算數因子和一個邏輯運算符 構成的特點，轉換成完全二叉樹。
遍歷二叉樹步驟是通過遍歷計算出來的各表達式各因子的值，對故障 進行分析1)從二叉樹底部開始遍歷整個二叉樹，算出每個根節點邏輯 值，並暫存；2)從根節點開始對此二叉樹進行分析，碰到根節點存在兩 種或多種情況，保存當前地址，按照"先左後右的原則"繼續分析下面節 點直到根節點為零，並保存根節點的編號，轉到保存的地址，繼續進行分 析，直到保存的地址完全分析完畢；3)根據保存根節點的編號，從數據 庫調出對應的信號，這些信號也就是造成故障的原因。
資料庫包括兩個方面的內容。第一在大型養路機械的電氣系統中 所有的程控信號及模擬量都有對應的編號，因此這些對應關係構成資料庫 的一部分；第二根據電氣系統以往所產生的種種故障和產生故障的原因
構建一個專家診斷資料庫，因此可以根據根節點的編號，查詢資料庫，首
先推導出大致的故障原因。本裝置對D08-32搗固車控制系統在保持原有 功能的基礎上進行改進，增加原系統與外部通訊功能，增加模擬信號採集 功能，將車內的程控信號和模擬控制信號進行輸出，再由外部便攜機(智 能診斷主機)對收集到的搗固車控制信號進行分析。整個診斷裝置的結構 如圖1所示。程控主機板與40路顯示板之間由於通訊距離較長、車內幹 擾較大採用了 CAN總線，而程控主機板與智能診斷主機之間採用標準的 RS232串行通訊接口。
程控主機板是養路機械程控系統的控制中心，D08-32搗固車的程控 主機板採用的是51系列的單片機作為處理器(稱為主CPU)，通過存儲 的邏輯程控表，處理養路機械上的所有的邏輯程控信號，邏輯程控信號 直接由程控主機板通過RS232傳輸給智能診斷主機。本設計在原有的程 控主機板的基礎上加上了 CAN總線接口 ， CAN總線功能的實現由AVR單 片機ATmega64與CAN控制器SJA1000實現。程控板的主CPU與AVR單 片機之間利用雙口 RAM (IDT7134)來實現數據的交換，同時去掉原有主 CPU擴展的數據存儲器。並採用了更先進、保密性更高的CPLD電路替代 了原GAL電路和部分邏輯電路。
40路顯示板對養路機械模擬控制信號進行集中顯示，連接了養路機 械所有的關鍵模擬控制信號，再將電壓信號送到儀表顯示出來。本設計 通過對養路機械原有40路顯示板進行改進，增加AD轉換功能和通訊功 能。經多路開關選擇輸出的模擬信號輸入到16位的AD轉換器和數字顯 示表進行顯示，經AD轉換後的信號接到單片機，經過MN控制器發送
到程控主機板。因此經過改進後40路顯示板就成為了本裝置的模擬控 制信號的輸入端，將養路機械上的模擬信號採集後通過CAN總線與程控 主機板進行通訊，通過程控主機板的中轉再傳輸給智能診斷主機。另外， 在本設計中手動輸入信號直接給單片機，由單片機來對多路開關進行選 擇，去掉原有40路顯示板的手動輸入信號轉換電路，簡化了原有的電 路結構。為了保持設計的一致性，便於開發，(^N總線功能的實現還是 採用AVR單片機與CAN控制器SJA1000來實現。由於40路顯示板採集 到的數據是直接傳送給程控主機板的，其數據一般是不用在此保存，故 也不用擴展數據存儲，並且選用的AVR單片機帶有片內FLASH也能滿足 一般的數據存儲。
智能診斷主機採用普通的便攜計算機，通過計算機的RS232接口與程 控主機板進行通訊，接收養路機械的控制信號，再通過編寫的專用診斷軟 件對所有信號進行分析、運算、比對做診斷處理。
由於程控主機板是在原有的基礎上增加了 CAN通訊功能，而CAN功能 的實現是由單獨加的AVR單片機實現的，實際上主CPU所完成的功能及工 作原理都沒有改變，因此主CPU的程序基本上改動的很少(數據存儲器的 地址可能要重新定)，可以直接沿用原有的D08 — 32的主控程序。另外本 設計是用CPLD來完成部分邏輯控制信號及片選信號等，因此要完成CPLD 的程序。
C認通訊功能的實現是由AVR單片機加CAN控制器S JA1000來完成的， 而且AVR單片機僅僅只是完成此功能，因此軟體設計也比較簡單。
40路顯示板的軟體實現實際上就是基於C的AVR單片機程序開發。
AVR單片機主要完成四個功能，即手動信號的接收、多路開關的選擇、控 制AD採樣及C認通訊。其中對多路開關的選擇是顯示板的最基本的功能， 在養路機械工作的時候此功能必須工作；而控制AD採樣及CAN通訊只有 在對其診斷的時候才工作，即當SJA1000接收到數據後會給一個外部中斷 到AVR單片機，此時單片機才開始控制AD採樣和CAN通訊。
整個軟體由通訊模塊、顯示模塊、診斷模塊三個部分構成通訊模 塊主要完成診斷主機與程控主機板之間的通訊功能，完成與養路機械之 間的信息交換，是診斷主機聯接養路機械控制系統的窗口；顯示模塊主 要完成把由養路機械控制系統收集到的所有信息直觀的顯示出來，要求 操作方便，能把所有的信號清楚的顯示在顯示屏上，方便手工檢索各種 信息，是人機互動的主要窗口。診斷模塊主要完成對採集到的所有信號 進行分析，發現養路機械控制系統中的異常信號，並能通過顯示模塊發 出警告或突出顯示，是本裝置的核心處理部分。
故障診斷的原理養路機械在運行狀態時，輸入輸出量及中間的狀 態變量是不斷變化的。由於引起故障的輸出信號是由控制程序將一定的輸 入變量或中間變量按照一定的邏輯關係(程控邏輯表)計算出來的，因此 當程控系統出現故障時，必定和一個確定信號狀態對應。只要已知和故障 相關聯的所有信號的狀態和邏輯表達式，就能推導出故障原因。
由於每個故障對應的狀態都是隨邏輯表達式的增長而成級數增長， 如果採用常規的列舉或遞歸是沒辦法解決較為複雜的故障推倒。而如果 採用二叉樹的形式存儲邏輯表達式，解決了二叉樹遍歷的問題後，就能 很快的分析出導致故障的信號。在程控邏輯表的邏輯表達式中任何一個
操作都由兩個因子(運算數)和一個邏輯運算符構成，可以轉換成完全 二叉樹。在這個算法中需要兩個堆棧， 一個是運算符棧，其作用主要是 裝載特殊運算符和一些符號，另一個是暫存"已經建好的子樹根的指針〃 棧。其中特殊運算符是自己規定的一些符號，代表了一些特殊的意義。
當二叉樹構建好後，可以通過遍歷計算出來的各表達式各因子的 值，對故障進行分析。遍歷的算法如下
第一步從二叉樹底部開始遍歷整個二叉樹，算出每個根節點邏輯 值，並暫存；
第二步從根節點開始對此二叉樹進行分析，碰到根節點存在兩種 或多種情況，保存當前地址，按照"先左後右的原則"繼續分析下面節 點直到根節點為零，並保存根節點的編號，轉到保存的地址，繼續進行 分析，直到保存的地址完全分析完畢。根據保存根節點的編號，從數據 庫調出對應的信號，這些信號也就是造成故障的原因。其流程圖如圖9 所示。
在二叉樹的構建和數據地址的存儲的時候，採用堆棧來實現就能滿 足要求。
以二叉鍊表作為存儲結構時，只能找到節點的左右"孩子"的信息， 而不能直接得到節點在任一序列中的前驅和後繼信息，這種信息只有在遍 歷的動態過程中才能得到。可以利用線索二叉樹在每個節點上增加兩個指 針，分別指示節點在任一次遍歷時得到的前驅和後繼信息。雖然這樣做使 得結構的存儲密度大大降低，存在空鏈域，但是可以利用這些空鏈域來存
放節點的前驅和後繼的信息。
利用這種結構只要先找到序列中的第一個節點，然後依次找節點後繼 直至其空就可以遍歷。由於構建的是完全二叉樹，可以在最後葉節點開始 每一步都進行計算，最後的結果備用，這樣就能簡化程序，增加分析的效率。
利用本裝置能快速、準確檢測到電氣系統的故障點，減少了人工排査 帶來的時間浪費，增加了大修時間窗口的利用率;診斷軟體界面清晰明了 ， 便於操作，診斷結果直觀，因此不需要專業的技術人員進行故障檢測；改 進後的程控主機板與40路顯示板所安裝位置、尺寸、接口方式等均沒有 變化，免除了重新布置採集板卡帶來的布線麻煩；改進後的程控主機板與 40路顯示板均完成原有的所有功能，不會對原有的電氣系統造成不良影 響。
RS232: —種串行通訊的標準 CAN: —種現場總線標準。
權利要求
1、一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置，它包括大型養路機械作業電氣控制系統(1)，其特徵在於它還包括診斷主機(2)、CAN總線接口(3)、雙口RAM(4)和A/D轉換器(9)，其中所述大型養路機械作業電氣控制系統(1)包括程控主機板(5)和40路顯示板(6)，所述CAN總線接口(3)包括AVR單片機(7)和CAN控制器(8)；所述程控主機板(5)的主CPU通過實現數據交換的雙口RAM(4)與CAN總線接口(3)的AVR單片機7相連；所述40路顯示板(6)包括單片機(10)、40路選擇開關(11)和儀表顯示單元(12)，所述40路選擇開關(11)的模擬信號輸出端分別與A/D轉換器(9)和儀表顯示單元(12)的模擬信號輸入端相連；A/D轉換器(9)的數位訊號輸出端與單片機(10)的數位訊號輸入端相連；單片機(10)的選擇信號輸出端、AD控制信號輸出端、顯示控制信號輸出端分別與所述40路選擇開關(11)、A/D轉換器(9)、儀表顯示單元(12)的對應控制信號輸入端相連；該單片機(10)的數據輸出端與所述CAN總線接口(3)的CAN控制器(8)相連；手動選擇信號輸入端直接與單片機(10)的對應輸入端相連；所述程控主機板(5)的主CPU(13)通過RS232接口與裝載有數據採集分析和診斷程序的診斷主機(2)相連。
2、如權利要求1的一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置的監 測診斷方法，其特徵是它按照以下方法進行第一步，建立通信，完成診斷主機與程控主機板之間的通訊，進行信息交換，形成診斷主機聯接養路機械電氣系統窗口；第二步，完成把由大型養路機械電氣系統收集到的所有信息直觀的顯 示出來，把所有的信號清楚的顯示在顯示屏上，方便手工檢索各種信息， 形成人機互動窗口；第三步，分析診斷，主要完成對採集到的所有信號進行分析，發現養 路機械電氣系統中的異常信號，通過上述第二步的顯示步驟發出警告或突 出顯示。
3、 如權利要求2的一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置的監 測診斷方法，其特徵是所述第三步的分析診斷包括構建二叉樹和遍歷二叉 樹兩個步驟。
4、 如權利要求3的一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置的監 測診斷方法，其特徵是所述構建二叉樹步驟是1) 根據控制程序建立能推導出故障原因的與故障相關聯的所有信號 的狀態和邏輯表達式；形成程控邏輯表，由控制程序將一定的輸入變量或 中間變量按照一定的邏輯關係表達引起故障的輸出信號；2) 採用二叉樹的形式存儲邏輯表達式，根據程控邏輯表的邏輯表達 式中任何一個操作都可以轉化為兩個運算數因子和一個邏輯運算符構成 的特點，轉換成完全二叉樹。
5、如權利要求3的一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置的監 測診斷方法，其特徵是所述遍歷二叉樹步驟是通過遍歷計算出來的各表達 式各因子的值，對故障進行分析，包括以下步驟1)從二叉樹底部開始遍歷整個二叉樹，算出每個根節點邏輯值，並 暫存；2) 從根節點開始對此二叉樹進行分析，碰到根節點存在兩種或多種 情況，保存當前地址，按照"先左後右的原則"繼續分析下面節點直到根 節點為零，並保存根節點的編號，轉到保存的地址，繼續進行分析，直到 保存的地址完全分析完畢；3) 根據保存根節點的編號，從資料庫調出對應的信號，確定造成故 障的原因;所述資料庫包括根據電氣系統中所有的程控信號及模擬量對應 的編號及其對應關係構成的資料庫、根據電氣系統以往所產生的種種故障 和產生故障的原因構建的專家診斷資料庫。
全文摘要
一種養路機械電氣系統狀態監測與診斷裝置，它包括養路機械作業電氣控制系統、診斷主機、由AVR單片機和CAN控制器構成的CAN總線接口、雙口RAM和A/D轉換器，程控主機板的主CPU通過實現數據交換的雙口RAM與CAN總線接口的AVR單片機相連；A/D轉換器連接在40路顯示板的單片機數位訊號輸入端與40路顯示板的40路選擇開關的模擬信號輸出端之間，養路機械作業電氣控制系統的主CPU通過RS232接口與裝載有數據採集分析和診斷程序的診斷主機相連。診斷主機通過與養路機械的程控主機、40路顯示板進行通訊，獲取程控信號和模擬控制信號並進行分析發現異常，達到對養路機械電氣系統的診斷的目的。
文檔編號G05B23/02GK101382802SQ20081014308
公開日2009年3月11日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者盧雲波, 懿 李, 王偉輝, 馬世宏, 軍 龔 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司;株洲時代電子技術有限公司