移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置

王強(qiáng) 林世春 庹云鳳 李權(quán)

移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置

王強(qiáng) 林世春 庹云鳳 李權(quán)

采用便攜采集模塊及綜合采集設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采集，并配合數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)于鐵路現(xiàn)場(chǎng)偶發(fā)信號(hào)故障及曲線波動(dòng)異常等不明故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)及分析，可有效提高信號(hào)設(shè)備故障定位的準(zhǔn)確性、方便性及時(shí)效性。

移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置;便攜采集模塊;綜合采集設(shè)備;故障分析

隨著列車速度的不斷提高，鐵路現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常發(fā)生道岔瞬間失去表示、軌道電路短時(shí)紅光帶或電壓曲線波動(dòng)等原因不明故障。由于此類故障發(fā)生時(shí)間較短，維護(hù)人員還未到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，故障還沒有找到原因就自然消失，然后故障又重復(fù)發(fā)生，給故障處理帶來很大困難，嚴(yán)重影響運(yùn)輸效率。

移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置是一種信號(hào)故障的采集分析裝置，是對(duì)信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充和完善。它能在信號(hào)設(shè)備發(fā)生軌道電路閃紅、道岔偶發(fā)的不啟動(dòng)和瞬間失去表示、信號(hào)機(jī)瞬間關(guān)閉及電氣特性曲線發(fā)生較大波動(dòng)等原因不明的故障，以及信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)曲線發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，通過在室內(nèi)、室外監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近放置移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需要記錄的軌面電壓和電流、道岔動(dòng)作電壓和電流、信號(hào)機(jī)燈端電壓和電流等模擬量數(shù)值及開關(guān)量狀態(tài)，并存儲(chǔ)在移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄裝置中，通過專用的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件進(jìn)行故障數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與分析;可與信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行綜合分析與診斷;還可與信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備連接后，將數(shù)據(jù)傳送到電務(wù)段信號(hào)集中監(jiān)測(cè)服務(wù)器中，為遠(yuǎn)程分析故障原因、查找設(shè)備故障、防止信號(hào)設(shè)備故障重復(fù)發(fā)生，提供可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及技術(shù)保證手段，可有效提高信號(hào)設(shè)備故障點(diǎn)的定位準(zhǔn)確性及時(shí)效性。

根據(jù)鐵路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用情況，移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置由3個(gè)子系統(tǒng)組成，分別是便攜式采集模塊系列、綜合采集設(shè)備、數(shù)據(jù)分析軟件，其組成如圖1所示。

1 便攜式采集模塊系列

便攜式采集模塊系列有5種類型:軌道電路監(jiān)測(cè)模塊、交流道岔監(jiān)測(cè)模塊、交流信號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、直流道岔監(jiān)測(cè)模塊、直流信號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)模塊。它們分別安裝在需要監(jiān)測(cè)的軌道電路XB箱、區(qū)間匹配單元、道岔電纜盒、信號(hào)機(jī)構(gòu)內(nèi)，實(shí)時(shí)采集軌道電路軌面電壓與電流等監(jiān)測(cè)信息。

圖1 移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置組成示意圖

便攜式采集模塊系列采用TIMSP430F5418IPN高性能處理器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、簡(jiǎn)易分析、存儲(chǔ)、系統(tǒng)控制等，內(nèi)部采用1800 mAh聚合物鋰電池為系統(tǒng)供電，設(shè)置MicroUSB接口與上位機(jī)通信獲取采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提供TF卡插槽方便存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。其原理框圖如圖2所示。

便攜式采集模塊對(duì)采集電路進(jìn)行了有效的隔離與保護(hù)設(shè)計(jì)，防止本裝置影響被監(jiān)測(cè)設(shè)備。充電管理芯片采用TI公司高可靠的BQ24093芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電管理。信號(hào)采集選用專用的采集傳感器，并用MSP430F5418IPN的AD通道對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。USB接口電路采用CP2102-GM，將MSP430F5418IPN的串口轉(zhuǎn)換為USB接口，方便上位機(jī)連接操作。看門狗電路選用MAX706ESA芯片實(shí)現(xiàn)電路電壓監(jiān)控與異常自動(dòng)復(fù)位功能。LED選用共陰極的雙色燈用于指示充電及工作狀態(tài)等。按鍵用來控制采集模塊的開關(guān)與采集數(shù)據(jù)的開關(guān)控制等。電池采用1500 mAh的聚合物鋰方形電池為設(shè)備供電。嵌入式分析軟件采用C語言編寫，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單分析與整理，然后存儲(chǔ)到TF卡中。

圖2 便攜式采集模塊系列原理框圖

便攜式采集模塊可實(shí)現(xiàn)交直流電壓、電流的采集;連續(xù)工作時(shí)間不少于24 h，采樣速率不小于8 kHz，采樣數(shù)據(jù)保存不少于24 h;電流采集采用卡口方式，利用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、電池充電。

2 綜合采集設(shè)備

綜合采集設(shè)備由技術(shù)人員攜帶到現(xiàn)場(chǎng)，放置在安全距離以外，待各種采集模塊安裝到位后，用數(shù)據(jù)線連到綜合采集設(shè)備中，實(shí)時(shí)采集軌道電路軌面電壓、電流，道岔電機(jī)動(dòng)作電壓和電流、表示電壓，信號(hào)機(jī)燈端電壓、電流，并同時(shí)生成曲線供技術(shù)人員查看。綜合采集設(shè)備采用7英吋TFT工業(yè)高亮顯示屏顯示采集數(shù)據(jù)及波形，其原理框圖如圖3所示。

綜合采集設(shè)備內(nèi)置3個(gè)卡位，可根據(jù)需要分別選配軌道電路監(jiān)測(cè)卡、交流道岔監(jiān)測(cè)卡、交流信號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)卡、直流道岔監(jiān)測(cè)卡、直流信號(hào)機(jī)監(jiān)測(cè)卡等，每個(gè)監(jiān)測(cè)卡能實(shí)現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的便攜采集模塊的采集功能。綜合采集設(shè)備主要由3部分組成，包括外殼、嵌入式硬件采集電路、嵌入式分析軟件，其形狀如圖4所示。

嵌入式硬件電路主要由S5PV210 Cortex-A8核心板、主板、外拓板、按鍵板、顯示屏轉(zhuǎn)接板、電池板、采集板等組成，并有完善的保護(hù)與隔離電路保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 綜合采集設(shè)備原理框圖

圖4 綜合采集設(shè)備主機(jī)效果圖

核心板是管理與處理中心，完成系統(tǒng)的管理、采集數(shù)據(jù)的匯集與處理分析、采集數(shù)據(jù)波形的繪制，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD顯示屏控制等;主板由嵌入式處理器MSP430F169及其他外設(shè)電路組成，包括MSP430F169系統(tǒng)電路、MAX811-EUS-R看門狗電路、NLASB3157DFT2模擬開關(guān)電路、6N137光耦隔離電路、BQ24133RGYT電池充電管理電路、TPS2419D芯片構(gòu)成的ORing控制電路、LT3480EDD#PBF電源電壓轉(zhuǎn)換電路、F0505T電源隔離電路、電源輸入保護(hù)與EMI濾波電路等。外拓板主要是提供各種外設(shè)接口，包括TF卡接口、雙層USB接口、串口、網(wǎng)口等。按鍵板主要提供8個(gè)用戶按鍵，方便用戶操作，其中一個(gè)按鍵設(shè)計(jì)為styby電壓。顯示屏轉(zhuǎn)接板主要實(shí)現(xiàn)顯示屏的驅(qū)動(dòng)電源、顯示屏接口轉(zhuǎn)換等。電池板主要為固定電池而設(shè)計(jì)，電池采用二串二并三星2600 mAh/3.7V電芯。采集板共有5種類型，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種軌道電壓電流、交直流道岔及交直流信號(hào)機(jī)的采集監(jiān)測(cè)，它主要包括MSP430F5418IPN處理器電路、信號(hào)采集電路、看門狗電路等。信號(hào)采集選用專用的采集傳感器，并用MSP430F5418IPN的AD通道對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換;看門狗電路選用MAX706ESA芯片實(shí)現(xiàn)電路電壓監(jiān)控與異常自動(dòng)復(fù)位功能。

嵌入式分析軟件采用當(dāng)前世界流行的Android4.0嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)3路串口采集數(shù)據(jù)匯總與分析存儲(chǔ)。

綜合采集設(shè)備能實(shí)現(xiàn)多信號(hào)采集(3個(gè)便攜式采集模塊的采集量)，連續(xù)工作時(shí)間不少于4 h，采樣速率不小于8 kHz，采樣數(shù)據(jù)保存不少于24 h，電流采集采用卡口方式，利用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，能實(shí)時(shí)圖形顯示采集數(shù)據(jù)，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，采用雙電池供電，更換電池時(shí)不影響工作。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1.采用開放、通用式開關(guān)量及模擬量采集接口，采集需要監(jiān)測(cè)記錄的信號(hào)設(shè)備，保證系統(tǒng)的實(shí)用性及可擴(kuò)展性。

2.具有開關(guān)量、模擬量監(jiān)測(cè)精度準(zhǔn)確，監(jiān)測(cè)響應(yīng)速度快，記錄數(shù)據(jù)完整及實(shí)時(shí)性好的特性。

3.具有獨(dú)立的時(shí)鐘記錄及校核系統(tǒng)、具備獨(dú)立的模擬量精度校核系統(tǒng)，可保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。

4.具備體積小巧、攜帶方便、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)(防雨雪、防潮、耐高溫及低溫)的特性，可方便地安裝在任何需要監(jiān)測(cè)的鐵路信號(hào)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)。

5.硬件采集核心技術(shù)采用先進(jìn)的DSP數(shù)字處理技術(shù)，可保證采集數(shù)據(jù)的高精度及很高的響應(yīng)速度。

6.具備獨(dú)立完善的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，可進(jìn)行詳盡的數(shù)據(jù)分析及報(bào)表輸出，并可與信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換。

4 關(guān)鍵技術(shù)

1.高精度快速采集技術(shù)。程序設(shè)計(jì)均基于實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，多任務(wù)的調(diào)度由操作系統(tǒng)完成，工作穩(wěn)定、可靠。選用TI的5000系列DSP芯片，由5000系列的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行程序管理，能及時(shí)檢測(cè)到程序運(yùn)行狀態(tài)，在異常情況下及時(shí)恢復(fù)程序的正常工作。采用基于DSP芯片的信號(hào)解碼平臺(tái)，F(xiàn)FT(快速傅立葉變換)、連續(xù)功率譜等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

2.獨(dú)立可靠的存儲(chǔ)技術(shù)。采用獨(dú)立且高可靠性的工業(yè)級(jí)存儲(chǔ)芯片，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的快速及完整。

3.完備的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。單獨(dú)開發(fā)針對(duì)此記錄裝置存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的專用數(shù)據(jù)分析軟件，可滿足不同信號(hào)設(shè)備種類的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析需求，做到分析詳盡，結(jié)論清晰、可靠。

5 結(jié)束語

移動(dòng)式信號(hào)設(shè)備故障記錄分析裝置通過對(duì)信號(hào)設(shè)備發(fā)生原因不明的故障或信號(hào)集中監(jiān)測(cè)曲線異常時(shí)提供的特殊監(jiān)測(cè)及分析手段，為保證鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)、方便鐵路一線技術(shù)維護(hù)人員的測(cè)試和設(shè)備管理工作提供了必要技術(shù)保證。鐵路電務(wù)、維護(hù)部門均可使用，具有較高的使用價(jià)值和廣闊的推廣前景。目前此項(xiàng)目已經(jīng)通過北京鐵路局技術(shù)審查。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部．運(yùn)基信號(hào)［2010］709號(hào)文．鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件［S］．2010．

［2］中華人民共和國(guó)鐵道部．運(yùn)基信號(hào)［2011］377號(hào)文．鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安全要求［S］．2011．

［3］中華人民共和國(guó)鐵道部．科技運(yùn)［2008］36號(hào)文．客運(yùn)專線鐵路信號(hào)產(chǎn)品暫行技術(shù)條件——信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［S］．2008．

［4］中華人民共和國(guó)鐵道部．鐵運(yùn)［2006］26號(hào)．鐵路信號(hào)設(shè)備雷電及電磁兼容綜合防護(hù)實(shí)施指導(dǎo)意見［S］．2006．

［5］李萍．鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2012．

With the assistance of portable data acquisition module and comprehensive data collection equipment for site data acquisition and in combination with the data analysis software，we conductmonitoring and analysis of on-site occasional signal fault and indiscernible faults with abnormal fluctuation curve，which effectively improve the accuracy，conveniency and timeliness of fault location of signal equipment．

Mobile Signal Equipment Fault Recording and Analysis Device;Portable Acquisition Module;Comprehensive Collection Equipment;Fault Analysis

王強(qiáng):深圳市長(zhǎng)龍鐵路電子工程有限公司工程師518031深圳

林世春:深圳市長(zhǎng)龍鐵路電子工程有限公司工程師518031深圳

庹云鳳:深圳市長(zhǎng)龍鐵路電子工程有限公司工程師518031深圳

李權(quán):深圳市長(zhǎng)龍鐵路電子工程有限公司工程師518031深圳

北京鐵路局科技研究開發(fā)計(jì)劃課題2013BD08

2013-12-17

(責(zé)任編輯:張利)