0.   引言

08-32捣固车是引进奥地利技术生产的大型养路机械, 是维修作业必须配备的主要机型。该车电气系统复杂, 有近300路控制参数, 53块电路板。捣固车在野外工作, 环境恶劣, 故障率较高, 尤其复杂的电气系统故障占总故障的60%以上, 且故障原因隐蔽, 难以查找。即使专业人员在故障出现时也不一定能在有限的施工封锁时间内找出故障部位与原因, 并进行故障排除。在封锁施工时, 一旦捣固车出现故障不能及时排除, 将导致已经作业的线路得不到恢复, 线路不能准时开通, 对列车正点安全运行产生重大影响。为解决以上问题, 本文研制了08-32捣固车电气系统在线监测与故障诊断系统。

1.   电气系统^[1]

08-32捣固车电气系统分为作业电气系统和辅助电气系统。作业电气控制系统分为程序控制系统、捣固控制系统、拨道控制系统、起道抄平控制系统及轨道参数自动处理系统。程序控制系统担负着全车的逻辑控制和逻辑联锁; 起道抄平系统通过基本起道量和超高值, 并考虑前端超高偏差、沉降补偿, 与辅助给定信号结合, 通过计算机系统分析输出控制量, 并在逻辑控制系统的协调指挥下, 控制液压伺服系统, 完成起道作业; 拨道系统拨道作业的目的是为了消除线路方向的偏差, 使曲线圆顺, 直线笔直, 拨道系统根据各种输入参数、拨道量的大小及方向, 控制电液伺服阀自动地进行拨道作业; 捣固系统可以精确地控制捣固装置的下降、提升, 并与下降深度、捣固深度传感器构成闭环系统, 在程序控制系统的严格控制下进行捣固作业; 轨道参数自动处理系统是一套计算机系统, 根据输入的线路参数自动计算出在当前作业点进行起拨道所需的给定量。

2.   在线监测和故障诊断系统

2.1   功能

2.1.1   在线监测功能

在线监测功能模块对电气系统的关键参数进行实时监测, 主要的监测对象分为3类。

(1) 传感器。

捣固车工作环境较差, 传感器容易出现故障, 其精度直接关系到作业质量。监测的传感器包括深度传感器、矢矩传感器、电子摆及起道抄平传感器等。

(2) 电源板。

电源不稳定将使电路板工作不正常。监测的电源板包括+24、±15、±10 V三种。

(3) 输入电位器。

输入电位器正常与否直接影响作业质量, 通过监测, 随时查看他们的状态。

2.1.2   故障诊断功能

电气系统的故障诊断模块根据测得的电量进行逻辑推理, 判断故障部位。逻辑推理的过程是根据众多现场专家的经验建立一套完善的故障知识库, 运用故障树分析法进行故障诊断^[2-3]。故障诊断系统按作业功能分为走行系统、捣固系统、起道系统和拨道系统4大部分, 每部分有若干故障现象, 故障知识库可以进行扩展。

2.2   硬件设计

捣固车在野外作业, 条件十分恶劣, 最常见的问题是粉尘、辐射、高温、潮湿, 机械作业时会产生剧烈震动、强电磁干扰。系统采用抗干扰能力强的工控机, 用隔离型单端A/D输入卡和数字量输入/输出卡对模拟量和数字量进行数据采集。采用专用机箱, 将主机和自行设计的端子板放置在同一机箱内, 既省空间, 防尘, 又增加抗干扰性。机箱内上部安装主机, 下部安装接线端子板, 所有板卡采用插槽式, 以提高系统可靠性^[4]。系统中省去故障率较高的软驱、光驱、键盘和鼠标等部件, 采用体积小, 抗震性能好的固态电子盘、触摸式屏幕作为显示器及输入设备。系统的组成见图 1。

图    系统组成

Figure  .  System block diagram

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2.3   接线端子板设计

2.3.1   模拟量输入端子板

模拟量输入板PCL-813的检测最大范围为±5 V, 要检测的电量有+24、±15、±10 V, 需设计端子板进行电压转换, 然后在软件上进行增益还原。3种电量的测量输入原理相同, 只是倍数不同。一路模拟量输入电路原理见图 2。

图  2  模拟量输入电路原理

Figure  2.  Circuit diagram of analog signals input

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针对不同的输入范围, 要准确地调整分压电阻P₁、R₁。电压跟随器起中间隔离、阻抗变化作用, 使输入电阻达到几兆, 输出电阻很小, 带负载能力强, 对前级被采集信号影响小。RC低通滤波器消除外部干扰信号。在监测正电压时, 正向二极管D₁可防止电流的反串而影响前级电路, 监测负电压时, 将二极管反接。

2.3.2   数字量输入端子板

捣固车上的数字量高电平为+24 V, 低电平为0 V^[2]。数字量输入板PCL-722的逻辑高电平为2.00~5.25 V, 逻辑低电平为0~0.8 V。要将24 V的信号采样送到计算机, 设计端子板进行逻辑电平的转换。转换电路原理见图 3。

图  3  数字量输入电路原理

Figure  3.  Circuit diagram of digital signals input

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电路中R₁起隔离保护、电阻平衡作用。电路设计时要注意使采集的电流尽可能小, 不影响原车信号。为了达到设计要求, 电压比较器的反相端电阻R₂取1 MΩ。反相端不能承受24 V电压, 需进行分压, 分压后的电压应在+5 V以内, 计算并取分压电阻R₃为200 kΩ。检测量为高电平(+24 V)时, 忽略二极管的阻值, 可得

$\begin{array}{l}V{}_{-}=4V=24\frac{R{}_3}{R{}_2+R{}_3}(1)\\ R{}_3=200\text{k}\text{Ω}\end{array}$

流经采集电路的电流为

${\rm I}=\frac{24}{R{}_2+R{}_3}=\frac{24}{1\times 10{}^6+200\times 10{}^3}=20\text{μ}\text{A}(2)$

由计算结果知电流很小, 不会影响原车作业系统。电路的原理: 当检测量为高电平(+24 V)时, V_-=+4 V, 将比较电压VREF调定在2~3 V, V_- > V₊, 则经过电压比较器后输出电压为0, 经反相器后输出高电平为+5 V。

3.   软件设计

系统采用WIN32支持的Visual Basic 3.0为开发平台, 采用标准模块化设计, 各功能模块相互独立, 便于功能扩展与现场调试及修改。为便于触摸屏操作, 所有界面采用按钮式命令。故障诊断系统的软件包括管理软件、文档软件、信号采集、处理软件及故障诊断软件。系统中VB通过动态库和外界建立通信; 文档管理软件通过VB界面的显示实现; 信号采集和处理软件是由Borland C/C++创建的基函数实现; 故障诊断是根据编写的故障树^[5], 创建VB函数库, 并在诊断开始代码中, 通过调用该函数库的函数实现诊断。分别对每个故障现象编写诊断函数, 组成VB函数库, 然后在“开始”代码里调用函数。每个故障现象可构成一个故障树, 根据树形结构进行编程^[6]。本文以“拨道动作不结束”, 并假设故障原因是“7U5电源板电压超出范围”为例制定其故障查找策略, 见图 4。

4.   实例分析

在故障诊断系统静态检验中, 首先人为设置故障, 再启动故障诊断系统进行诊断。在人为设置的70个故障中, 诊断系统的准确率达100%。在为期15 d的实际应用中, 93031#08-32捣固车共发生5次电气系统故障, 用该系统检验后准确率达100%, 缩短了故障的处理时间。

图  4  故障查找流程

Figure  4.  Flow chart of fault diagnosis

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5.   结语

08-32捣固车电气系统在线监测和故障诊断系统的研制有着重大意义, 解决了封锁施工中捣固车出现电气故障导致线路无法正点开通问题, 给捣固车配上了一个在线的长期跟车作业的“高级电气工程师”。该系统的运用, 将获得较好的经济效益和社会效益。