空调发电车运行状态记录仪

2010-05-04赵志春孙华勇殷树松

铁道机车车辆 2010年3期

赵志春,孙华勇,殷树松

(1 北京交通大学电气工程学院,北京100044;2 济南铁路局车辆处,山东济南250001;3 济南铁路局科学技术研究所,山东济南250001)

空调发电车是空调列车的重要组成部分,其工作状况直接影响到列车能否正常运行。实际工作中,对发电机组的运行状况进行实时监测记录是保证机组正常运行的重要措施。技术人员通过运行数据了解机组全过程的运行状况,有针对性对机组进行检修维护,目前这项工作是依靠乘务员每小时查看一次显示仪表并记录数据来完成的。技术人员反映采用人工方式取得运行数据有很大的缺点,获得的数据基本上无法作为判断发电车运行状况好坏的依据,也无法为检修提供有用的信息。经分析造成这种状况的原因主要有以下两个:(1)记录间隔时间过长,数据不连续,无法获知记录间隔之间的运行状况。(2)没有客观监督措施,数据受人工的影响较大。人工疏忽及观察角度的不同容易造成误读,不能保证数据的有效性和真实性。由于技术人无法获得准确连续的运行数据,致使不能及时发现机组运行中的异常,随着异常运转时间的延长使隐患扩展成了故障,造成严重后果。鉴于这种情况,我们认为有必要针对发电车的特点研制一套专用的运行数据记录装置,以便为技术人员提供全过程的运行数据,及时发现运行隐患,预防发生故障。

针对现场的实际需求,我们研制了“空调发电车运行状态记录仪”。通过该记录仪不但实现了对设备运行状况的连续监测记录,而且客观上也起到了对乘务员的监督作用,有利于提高乘务员的操作水平。通过对运行数据进行观察分析可以提前发现运行中的不稳定因素和故障隐患,做到提前发现、提前预防,从而改变目前发电车检修维护的被动局面,保障行车安全。

1 系统总体组成

系统总体组成如图1所示。记录仪车载部分包括记录仪主机、数据采集子机及专用软件,它负责实时检测记录3个发电机组的运行参数,如每个机组的各相供电电压、电流、频率、功率以及柴油机的油温、油压、水温等。本装置利用CF卡作为数据存储介质,可以把数据转存到微机中供分析使用。地面分析系统可对记录的数据进行处理,以图表的形式向技术人员提供设备全过程的运行状况。

图1 运行状况图

2 硬件设计

2.1 车载部分硬件结构

硬件设计中遵循了COTS(Commercial Off-The-Shelf)思想,即设计中尽量选用成熟的、现有的模块,不自行开发硬件,以降低成本,提高开发效率。车载部分的硬件结构如图2所示。

该装置采用了模块化设计,以M2020-FNU20工控模块为核心,通过RS485总线把各个采集模块连接起来组成一个主从式监测网络。这种结构方式具有硬件结构简单、扩展灵活的优点,可以根据需要接入其他测控模块,从而构成一个更复杂的综合测控系统。

图2 车载部分硬件结构图

2.2 车载主机的设计

车载主机是记录仪的核心,负责控制各部分协同工作,完成显示驱动,人机交互,通信驱动,CF卡读写驱动以及数据存储等任务。采用了以MiniARM工控模块M2020-FNU20为核心进行记录仪车载主机设计的方案。M2020-FNU20模块的CPU采用了ARM芯片LPC2200,主频可达75 MHz。模块上的软硬件资源非常丰富,集成了ARM 最小系统、以太网控制器、USB控制器、大容量电子盘以及实时时钟,模块的体积只有名片大小,可以方便的集成到系统中。设计中只根据需要设计了相应的接口电路,大大简化了硬件设计工作,缩短了设计周期。

车载主机的人机界面采用了带触摸屏的串口液晶显示终端,该液晶终端内部集成了电源、触摸屏及液晶驱动电路。采用该液晶终端无需再设计外部驱动电路,只需编写串口通信程序即可完成文字及图形显示、触摸屏控制等功能,大大简化了软硬件设计,也便于以后的维护升级。

2.3 车载数据采集子机的设计

车载数据采集子机主要完成各机组运行参数的采集,并把数据发送给车载主机。采集子机需采集的参数都是模拟量,数量较多,如果采用传统的采集方法需要安装电压、电流、功率、频率、功率因数等一系列变送器以及设计相应的模数转换电路,安装布线和电路设计都比较复杂。为简化设计我们采用了智能电量采集模块9033E实现发电机电量参数的采集,采用了模拟量采集模块9015A实现柴油机运行参数的采集。

9033E是一款智能电量采集模块,模块内部以32位ARM处理器为核心,采用16位A/D以4 kHz的频率进行采样,能够综合采集电压、电流、功率、频率等电参数。每台机组设置了一个模块完成本机组所有电参数的采集处理,各模块通过RS485总线与CPU主控板连接,根据主控板发出的命令采集数据并把数据传送给主控板。使用该模块不但简化了设计,降低了成本,同时也使得现场布线较为简单。为了方便安装定制了专用的开合式互感器,和普通的穿心式互感器相比,这种传感器在安装时不需要对线路进行改动,固定在铜排上即可。

在采集柴油机的运行数据时发现安装新的水温、油温、油压传感器比较困难,为了获取相关数据,采用了直接采集相应仪表信号线数据的方法。传感器的输出信号直接和仪表的S端子连接,且均为直流电压信号,因此采集仪表S端子的电压,然后经过一系列运算即可获取相关的参数。经试验发现传感器的输出电压不但和温度及压力值有关,而且和24 V供电电压有关,因此计算时还需考虑电源的影响。经多次试验确定了电源电压和传感器输出信号之间的关系。经过测试,采集的温度及压力的精度达到了设计要求。对仪表S端子电压、24 V及48 V电压的采集是用9015A模拟量采集模块实现的。该模块广泛应用于各种工业控制与测量系统中,它能测量12路直流0～60 V电压信号。通讯接口为RS485,支持MODBUS-RTU、ASCII码等多种通信协议,可以方便的和其他模块组成RS485测控网络。

3 车载主机软件设计

3.1 软件总体结构

设计中采用了ADS1.2作为开发工具设计车载主机软件,使用ARM C语言编写程序。M2020-FNU20工控模块具有丰富软件资源,内部以固件的方式固化了uC/OS-II实时多任务操作系统、文件管理系统、USB通信协议、MODBUS通信协议以及CAN通信协议等,用户无需再编写相应的底层驱动程序,只需调用相应的API函数即可完成U盘读写、串行通信、文件管理等一些复杂的功能,大大简化了设计。由于优先级0～15的任务被系统占用,在程序设计中使用的任务优先级为16～20。系统初始化部分通过调用API函数加载U盘、串口及其他的驱动程序。各个任务建立后即在操作系统的调度下运行,各任务既相互独立又互相配合共同完成系统功能,任务之间通过邮箱进行数据交换。车载主机软件的总体结构如图3所示。

图3 车载主机软件的总体结构图

3.2 任务的划分

uC/OS-II是一个实时多任务操作系统,可以同时运行多个任务。每个任务都是应用程序的一部分,完成特定的功能,独立于其他任务运行,运行时该任务认为CPU完全属于自己,可以使用或等待CPU、I/O设备及内存空间等系统资源。通过调用uC/OS-II提供的系统服务函数来建立、删除、或者进行任务切换。

设计时首要的工作是合理划分任务,在对一个具体应用进行任务划分时存在以下的矛盾:如果划分的任务过多会造成任务频繁切换的开销增加;相反,如果过少则会造成系统的并行度降低,使原本可以并行的操作只能按顺序串行执行,实时性就比较差。在划分任务时遵循了以下原则:具有相同时间间隔的工作归到一个任务中,尽量减少各个任务之间的通信量,不同的优先级处理不同的任务。对实时性要求比较高的任务以高优先级运行,以保证系统的实时性。根据以上原则,把采集任务设置为最高优先级任务,键盘扫描及采集任务次之,把写入任务设置为最低优先级。经过试验验证以上设置可以保证系统的实时性。

3.3 各任务流程

(1)RTC中断服务程序

工控模块的RTC实时时钟设置为定时中断的模式,中断时系统调用本程序。在程序中调用OSSem-Post()函数向数据采集任务发信号,由于数据采集任务的优先级最高,因此立即被激活进行一次数据采集。

(2)数据采集任务

负责和各模块进行通信,完成数据采集任务。任务的优先级设置为系统的最高优先级16。该任务调用OSSemPend()函数等待RTC中断服务程序的信号,没有接收到信号时处于休眠状态,一旦接收到信号立即被激活进行数据采集。采集到的数据首先写入缓冲区中,然后向写入任务发信号,写入任务收到信号后从缓冲区中取出数据写入文件中。采集到的数据通过邮箱发送给显示任务,显示任务从邮箱中取出数据进行显示处理。

(3)显示及触摸屏扫描任务

主要负责数据显示和接受用户的输入信息并进行处理,任务的优先级设为17。任务首先进行整个系统的初始化及其他任务的创建工作,然后进入任务循环。在任务循环中调用OSMboxPend()函数查询邮箱,从邮箱中取出数据进行显示。调用API函数查询用户是否点击触摸屏,根据用户点击的按钮进行相应的处理。

(4)数据写入任务

主要负责把采集到的数据写入文件中,任务的优先级设置为最低18。该任务收到数据采集任务发送的信号后,从缓冲区中取出数据写入文件中。由于写入占用的时间较长,设置成较低的优先级可以保证采集任务及时运行,避免丢失数据。