养路机械电气系统状态监测与诊断装置及监测诊断方法

专利名称：养路机械电气系统状态监测与诊断装置及监测诊断方法
技术领域：
本实用新型涉及一种轨道交通养护机械的电气系统，特别是一种 养路机械电气系统状态监测与诊断装置及监测诊断方法。
背景技术：
目前国内的捣固车电气控制系统采用了一套程序逻辑控制系统来进 行系统的控制、协调、逻辑运算等，但是却缺少一个能在系统故障、检修、 调试时运作的故障诊断装置。由于输入输出信号繁多，各信号之间的逻辑 关系复杂，故障检测成为机械化施工单位的一大难题。本装置是针对目前
国内的D08-32型捣固车设计的，用于对捣固车电气系统进行诊断的一套 大型养路机械智能诊断装置，能实现在线检测电气系统主要的模拟信号及 逻辑信号，分析信号之间的逻辑关系，进行故障诊断。
D08-32型捣固车电气系统分为作业电气系统和辅助电气系统，作业 电气控制系统分为拨道、起道抄平、捣固、液压走行、液压制动五个子系 统。每个作业周期内需完成等动作。这些动作并不是在同一时刻进行的， 而是由专门的控制系统来按一定的程序、一定的逻辑关系协调各部门动作 的。程控系统实际上是一套计算机系统，程控主机板是整个程控系统的核 心。主机板通过地址总线、数据总线和控制总线与输入输出板、定时器板 交换信息，从这些电路板的输入端获取捣固车作业系统各部件的工作状 态，按照固化在板内程序存储器里的作业程序。在逻辑运算单元，将状态 信息进行运算，运算后的结果送至输入输出板相应的输出端口，对作业系 统各部件实施控制。如果程控主机板出现故障，整个作业系统就无法正常 工作。在电气系统中有一套多路信号检测系统，通过它可以对各子系统的 各工作电源电压和大部分主要信号进行测量，因此部分电气系统的故障也 可以通过对这些信号进行分析检测到。
针对捣固车电气系统的状态检测与故障诊断目前就只有两种方式，现 具体说明如下
第一种方式，利用原有电气系统自带的40路模拟量采集板，通过多 路开关进行选择， 一次一路的方式査看模拟量的值；电气系统故障产生以 后，基本上是靠技术人员的经验和知识进行现场诊断或者是事后维修。这 种方式的缺点显而易见，不能监测到参与捣固车作业所有的逻辑信号，不 能同时监测主要的模拟信号，故障的检测需要技术人员很扎实的专业知 识，耗费时间多，效率低下。这种方式是必然要被淘汰的。
第二种方式，系统采用工控机做为诊断主机，通过模拟量输入卡和数 字量输入/输出卡对模拟量和数字量进行数据采集，将主机和自行设计的 端子板放置在同一机箱内，机箱内上部安装主机，下部安装接线端子板， 触摸式屏幕作为显示器及输入设备。系统采用WIN32支持的VisualBasic 3.0为开发平台，采用标准模块化设计，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8014肌(^夂++创建的基函数 实现；故障诊断是根据编写的故障树，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。通过工控机加上自行重新设 计的采集板卡采集数据，通过自行开发的诊断软件进行检测与诊断。这种 方式的主要缺点如下(1)需要将各种传感器的信号接入采集板卡，增加
了很多信号线，带来了布线的难度；(2)工控机主机及显示器占用了原本 就不大的司机室空间；(3)增加了硬件成本；(4)故障诊断是根据编写的 故障树，创建VB函数库，通过调用该函数库的函数实现诊断，如果函数 库中没有对应的故障，诊断软件就无能为力。由于养路机械电气系统复杂， 故障的原因及种类很多，因此也不可能预先知道所有的故障。

发明内容
本实用新型的目的就是为了解决当前存在的这些问题，主要优点体现 在不改变原有电气控制系统的布线、不增加硬件成本、减轻技术人员的工 作强度、提高诊断的准确性与效率。
一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置，它包括养路机械作业电 气控制系统1、诊断主机2、 CAN总线接口 3、双口 RAM4和A/D转换器9， 其中所述养路机械作业电气控制系统1包括程控主机板5和40路显示 板6，所述CAN总线接口 3包括AVR单片机7和CAN控制器8;所述程控 主机板5的主CPU通过实现数据交换的双口 RA^M与CAN总线接口 3的AVR 单片机7相连；
所述40路显示板6包括单片机10、 40路选择开关11和仪表显示单 元12，所述40路选择开关11的模拟信号输出端分别与A/D转换器9和 仪表显示单元12的模拟信号输入端相连；A/D转换器9的数字信号输出
端与单片机10的数字信号输入端相连；单片机10的选择信号输出端、AD 控制信号输出端、显示控制信号输出端分别与所述40路选择开关11、A/D 转换器9、仪表显示单元12的对应控制信号输入端相连；该单片机10的 数据输出端与所述CAN总线接口 3的(^N控制器8相连;手动选择信号输 入端直接与单片机10的对应输入端相连；
所述程控主机板5的主CPU13通过RS232接口与装载有数据采集分析 和诊断程序的诊断主机2相连。
监测诊断方法是按照以下方法进行-
第一步，建立通信，完成诊断主机与程控主机板之间的通讯，进行信 息交换，形成诊断主机联接养路机械电气系统窗口；
第二步，完成把由养路机械电气系统收集到的所有信息直观的显示出 来，把所有的信号清楚的显示在显示屏上，方便手工检索各种信息，形成 人机交互窗口；
第三步，分析诊断，主要完成对采集到的所有信号进行分析，发现养 路机械电气系统中的异常信号，通过上述第二步的显示步骤发出警告或突 出显示。
所述第三步包括构建二叉树和遍历二叉树两个步骤，其中 构建二叉树步骤是1)根据控制程序建立能推导出故障原因的与故 障相关联的所有信号的状态和逻辑表达式；形成程控逻辑表，由控制程序 将一定的输入变量或中间变量按照一定的逻辑关系表达引起故障的输出 信号；2)采用二叉树的形式存储逻辑表达式，根据程控逻辑表的逻辑表 达式中任何一个操作都可以转化为由两个运算数因子和一个逻辑运算符 构成的特点，转换成完全二叉树。.
遍历二叉树步骤是通过遍历计算出来的各表达式各因子的值，对故障 进行分析1)从二叉树底部开始遍历整个二叉树，算出每个根节点逻辑
值，并暂存；2)从根节点开始对此二叉树进行分析，碰到根节点存在两
种或多种情况，保存当前地址，按照"先左后右的原则"继续分析下面节 点直到根节点为零，并保存根节点的编号，转到保存的地址，继续进行分
析，直到保存的地址完全分析完毕；3)根据保存根节点的编号，从数据 库调出对应的信号，这些信号也就是造成故障的原因。
数据库包括两个方面的内容。第一在大型养路机械的电气系统中所
有的程控信号及模拟量都有对应的编号，因此这些对应关系构成数据库的
一部分；第二根据电气系统以往所产生的种种故障和产生故障的原因构
建一个专家诊断数据库，因此可以根据根节点的编号，查询数据库，首先 推导出大致的故障原因。
本发明通过诊断主机与养路机械的程控主机、40路显示板进行通讯， 获取其程控信号及40路显示板所采集的车上模拟控制信号，再对程控信 号与模拟控制信号进行分析发现异常，达到对养路机械电气系统的诊断的 目的。另外，诊断主机能够保存所获取的程控信号及模拟控制信号，便于 日后调用与检査。


图l为本发明结构示意图2为CAN通讯功能流程图；.
图3为构建二叉树的流程图； 图4为遍历二叉树的流程图。
具体实施例方式
如图l、图2、图3、图4所示， 一种养路机械电气系统状态监测与诊 断装置，它包括养路机械作业电气控制系统1、诊断主机2、 CAN总线接 口 3、双口 RAM4和A/D转换器9，其中所述养路机械作业电气控制系统 1包括程控主机板5和40路显示板6，所述CAN总线接口 3包括AVR单片 机7和CAN控制器8;所述程控主机板5的主CPU通过实现数据交换的双 口 RAM4与CAN总线接口 3的AVR单片机7相连；
所述40路显示板6包括单片机10、 40路选择开关11和仪表显示单 元12，所述40路选择开关11的模拟信号输出端分别与A/D转换器9和 仪表显示单元12的模拟信号输入端相连；A/D转换器9的数字信号输出 端与单片机10的数字信号输入端相连；单片机10的选择信号输出端、AD 控制信号输出端、显示控制信号输出端分别与所述40路选择开关11、 A/D 转换器9、仪表显示单元12的对应控制信号输入端相连；该单片机10的 数据输出端与所述CAN总线接口 3的CAN控制器8相连;手动选择信号输 入端直接与单片机10的对应输入端相连；
所述程控主机板5的主CPU13通过RS232接口与装载有数据采集分析 和诊断程序的诊断主机2相连。
监测诊断方法是按照以下方法进行-
第一步，建立通信，完成诊断主机与程控主机板之间的通讯，进行信 息交换，形成诊断主机联接养路机械电气系统窗口；
第二步，完成把由养路机械电气系统收集到的所有信息直观的显示出来，把所有的信号清楚的显示在显示屏上，方便手工检索各种信息，形成
人机交互窗口 ；
第三步，分析诊断，主要完成对采集到的所有信号进行分析，发现养 路机械电气系统中的异常信号，通过上述第二步的显示步骤发出警告或突 出显示。
所述第三步包括构建二叉树和遍历二叉树两个步骤，其中 构建二叉树步骤是1)根据控制程序建立能推导出故障原因的与故 障相关联的所有信号的状态和逻辑表达式；形成程控逻辑表，由控制程序 将一定的输入变量或中间变量按照一定的逻辑关系表达引起故障的输出 信号；2)采用二叉树的形式存储逻辑表达式，根据程控逻辑表的逻辑表 达式中任何一个操作都可以转化为由两个运算数因子和一个逻辑运算符 构成的特点，转换成完全二叉树。
遍历二叉树步骤是通过遍历计算出来的各表达式各因子的值，对故障 进行分析1)从二叉树底部开始遍历整个二叉树，算出每个根节点逻辑 值，并暂存；2)从根节点开始对此二叉树进行分析，碰到根节点存在两 种或多种情况，保存当前地址，按照"先左后右的原则"继续分析下面节 点直到根节点为零，并保存根节点的编号，转到保存的地址，继续进行分 析，直到保存的地址完全分析完毕；3)根据保存根节点的编号，从数据 库调出对应的信号，这些信号也就是造成故障的原因。
数据库包括两个方面的内容。第一在大型养路机械的电气系统中 所有的程控信号及模拟量都有对应的编号，因此这些对应关系构成数据库 的一部分；第二根据电气系统以往所产生的种种故障和产生故障的原因
构建一个专家诊断数据库，因此可以根据根节点的编号，查询数据库，首
先推导出大致的故障原因。本装置对D08-32捣固车控制系统在保持原有 功能的基础上进行改进，增加原系统与外部通讯功能，增加模拟信号采集 功能，将车内的程控信号和模拟控制信号进行输出，再由外部便携机(智 能诊断主机)对收集到的捣固车控制信号进行分析。整个诊断装置的结构 如图1所示。程控主机板与40路显示板之间由于通讯距离较长、车内干 扰较大采用了 CAN总线，而程控主机板与智能诊断主机之间采用标准的 RS232串行通讯接口。
程控主机板是养路机械程控系统的控制中心，D08-32捣固车的程控 主机板采用的是51系列的单片机作为处理器(称为主CPU)，通过存储 的逻辑程控表，处理养路机械上的所有的逻辑程控信号，逻辑程控信号 直接由程控主机板通过RS232传输给智能诊断主机。本设计在原有的程 控主机板的基础上加上了 CAN总线接口 ， CAN总线功能的实现由AVR单 片机ATmega64与CAN控制器SJA1000实现。程控板的主CPU与AVR单 片机之间利用双口 RAM (IDT7134)来实现数据的交换，同时去掉原有主 CPU扩展的数据存储器。并采用了更先进、保密性更高的CPLD电路替代 了原GAL电路和部分逻辑电路。
40路显示板对养路机械模拟控制信号进行集中显示，连接了养路机 械所有的关键模拟控制信号，再将电压信号送到仪表显示出来。本设计 通过对养路机械原有40路显示板进行改进，增加AD转换功能和通讯功 能。经多路开关选择输出的模拟信号输入到16位的AD转换器和数字显 示表进行显示，经AD转换后的信号接到单片机，经过MN控制器发送
到程控主机板。因此经过改进后40路显示板就成为了本装置的模拟控 制信号的输入端，将养路机械上的模拟信号采集后通过CAN总线与程控 主机板进行通讯，通过程控主机板的中转再传输给智能诊断主机。另外， 在本设计中手动输入信号直接给单片机，由单片机来对多路开关进行选 择，去掉原有40路显示板的手动输入信号转换电路，简化了原有的电 路结构。为了保持设计的一致性，便于开发，(^N总线功能的实现还是 采用AVR单片机与CAN控制器SJA1000来实现。由于40路显示板采集 到的数据是直接传送给程控主机板的，其数据一般是不用在此保存，故 也不用扩展数据存储，并且选用的AVR单片机带有片内FLASH也能满足 一般的数据存储。
智能诊断主机采用普通的便携计算机，通过计算机的RS232接口与程 控主机板进行通讯，接收养路机械的控制信号，再通过编写的专用诊断软 件对所有信号进行分析、运算、比对做诊断处理。
由于程控主机板是在原有的基础上增加了 CAN通讯功能，而CAN功能 的实现是由单独加的AVR单片机实现的，实际上主CPU所完成的功能及工 作原理都没有改变，因此主CPU的程序基本上改动的很少(数据存储器的 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 设计是用CPLD来完成部分逻辑控制信号及片选信号等，因此要完成CPLD 的程序。
C認通讯功能的实现是由AVR单片机加CAN控制器S JA1000来完成的， 而且AVR单片机仅仅只是完成此功能，因此软件设计也比较简单。
40路显示板的软件实现实际上就是基于C的AVR单片机程序开发。
AVR单片机主要完成四个功能，即手动信号的接收、多路开关的选择、控 制AD采样及C認通讯。其中对多路开关的选择是显示板的最基本的功能， 在养路机械工作的时候此功能必须工作；而控制AD采样及CAN通讯只有 在对其诊断的时候才工作，即当SJA1000接收到数据后会给一个外部中断 到AVR单片机，此时单片机才开始控制AD采样和CAN通讯。
整个软件由通讯模块、显示模块、诊断模块三个部分构成通讯模 块主要完成诊断主机与程控主机板之间的通讯功能，完成与养路机械之 间的信息交换，是诊断主机联接养路机械控制系统的窗口；显示模块主 要完成把由养路机械控制系统收集到的所有信息直观的显示出来，要求 操作方便，能把所有的信号清楚的显示在显示屏上，方便手工检索各种 信息，是人机交互的主要窗口。诊断模块主要完成对采集到的所有信号 进行分析，发现养路机械控制系统中的异常信号，并能通过显示模块发 出警告或突出显示，是本装置的核心处理部分。
故障诊断的原理养路机械在运行状态时，输入输出量及中间的状 态变量是不断变化的。由于引起故障的输出信号是由控制程序将一定的输 入变量或中间变量按照一定的逻辑关系(程控逻辑表)计算出来的，因此 当程控系统出现故障时，必定和一个确定信号状态对应。只要已知和故障 相关联的所有信号的状态和逻辑表达式，就能推导出故障原因。
由于每个故障对应的状态都是随逻辑表达式的增长而成级数增长， 如果采用常规的列举或递归是没办法解决较为复杂的故障推倒。而如果 采用二叉树的形式存储逻辑表达式，解决了二叉树遍历的问题后，就能 很快的分析出导致故障的信号。在程控逻辑表的逻辑表达式中任何一个
操作都由两个因子(运算数)和一个逻辑运算符构成，可以转换成完全 二叉树。在这个算法中需要两个堆栈， 一个是运算符栈，其作用主要是 装载特殊运算符和一些符号，另一个是暂存"已经建好的子树根的指针〃 栈。其中特殊运算符是自己规定的一些符号，代表了一些特殊的意义。
当二叉树构建好后，可以通过遍历计算出来的各表达式各因子的 值，对故障进行分析。遍历的算法如下
第一步从二叉树底部开始遍历整个二叉树，算出每个根节点逻辑 值，并暂存；
第二步从根节点开始对此二叉树进行分析，碰到根节点存在两种 或多种情况，保存当前地址，按照"先左后右的原则"继续分析下面节 点直到根节点为零，并保存根节点的编号，转到保存的地址，继续进行 分析，直到保存的地址完全分析完毕。根据保存根节点的编号，从数据 库调出对应的信号，这些信号也就是造成故障的原因。其流程图如图9 所示。
在二叉树的构建和数据地址的存储的时候，采用堆栈来实现就能满 足要求。
以二叉链表作为存储结构时，只能找到节点的左右"孩子"的信息， 而不能直接得到节点在任一序列中的前驱和后继信息，这种信息只有在遍 历的动态过程中才能得到。可以利用线索二叉树在每个节点上增加两个指 针，分别指示节点在任一次遍历时得到的前驱和后继信息。虽然这样做使 得结构的存储密度大大降低，存在空链域，但是可以利用这些空链域来存
放节点的前驱和后继的信息。
利用这种结构只要先找到序列中的第一个节点，然后依次找节点后继 直至其空就可以遍历。由于构建的是完全二叉树，可以在最后叶节点开始 每一步都进行计算，最后的结果备用，这样就能简化程序，增加分析的效率。
利用本装置能快速、准确检测到电气系统的故障点，减少了人工排査 带来的时间浪费，增加了大修时间窗口的利用率;诊断软件界面清晰明了 ， 便于操作，诊断结果直观，因此不需要专业的技术人员进行故障检测；改 进后的程控主机板与40路显示板所安装位置、尺寸、接口方式等均没有 变化，免除了重新布置采集板卡带来的布线麻烦；改进后的程控主机板与 40路显示板均完成原有的所有功能，不会对原有的电气系统造成不良影 响。
RS232: —种串行通讯的标准 CAN: —种现场总线标准。
权利要求
1、一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置，它包括大型养路机械作业电气控制系统(1)，其特征在于它还包括诊断主机(2)、CAN总线接口(3)、双口RAM(4)和A/D转换器(9)，其中所述大型养路机械作业电气控制系统(1)包括程控主机板(5)和40路显示板(6)，所述CAN总线接口(3)包括AVR单片机(7)和CAN控制器(8)；所述程控主机板(5)的主CPU通过实现数据交换的双口RAM(4)与CAN总线接口(3)的AVR单片机7相连；所述40路显示板(6)包括单片机(10)、40路选择开关(11)和仪表显示单元(12)，所述40路选择开关(11)的模拟信号输出端分别与A/D转换器(9)和仪表显示单元(12)的模拟信号输入端相连；A/D转换器(9)的数字信号输出端与单片机(10)的数字信号输入端相连；单片机(10)的选择信号输出端、AD控制信号输出端、显示控制信号输出端分别与所述40路选择开关(11)、A/D转换器(9)、仪表显示单元(12)的对应控制信号输入端相连；该单片机(10)的数据输出端与所述CAN总线接口(3)的CAN控制器(8)相连；手动选择信号输入端直接与单片机(10)的对应输入端相连；所述程控主机板(5)的主CPU(13)通过RS232接口与装载有数据采集分析和诊断程序的诊断主机(2)相连。
2、如权利要求1的一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置的监 测诊断方法，其特征是它按照以下方法进行第一步，建立通信，完成诊断主机与程控主机板之间的通讯，进行信息交换，形成诊断主机联接养路机械电气系统窗口；第二步，完成把由大型养路机械电气系统收集到的所有信息直观的显 示出来，把所有的信号清楚的显示在显示屏上，方便手工检索各种信息， 形成人机交互窗口；第三步，分析诊断，主要完成对采集到的所有信号进行分析，发现养 路机械电气系统中的异常信号，通过上述第二步的显示步骤发出警告或突 出显示。
3、 如权利要求2的一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置的监 测诊断方法，其特征是所述第三步的分析诊断包括构建二叉树和遍历二叉 树两个步骤。
4、 如权利要求3的一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置的监 测诊断方法，其特征是所述构建二叉树步骤是1) 根据控制程序建立能推导出故障原因的与故障相关联的所有信号 的状态和逻辑表达式；形成程控逻辑表，由控制程序将一定的输入变量或 中间变量按照一定的逻辑关系表达引起故障的输出信号；2) 采用二叉树的形式存储逻辑表达式，根据程控逻辑表的逻辑表达 式中任何一个操作都可以转化为两个运算数因子和一个逻辑运算符构成 的特点，转换成完全二叉树。
5、如权利要求3的一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置的监 测诊断方法，其特征是所述遍历二叉树步骤是通过遍历计算出来的各表达 式各因子的值，对故障进行分析，包括以下步骤1)从二叉树底部开始遍历整个二叉树，算出每个根节点逻辑值，并 暂存；2) 从根节点开始对此二叉树进行分析，碰到根节点存在两种或多种 情况，保存当前地址，按照"先左后右的原则"继续分析下面节点直到根 节点为零，并保存根节点的编号，转到保存的地址，继续进行分析，直到 保存的地址完全分析完毕；3) 根据保存根节点的编号，从数据库调出对应的信号，确定造成故 障的原因;所述数据库包括根据电气系统中所有的程控信号及模拟量对应 的编号及其对应关系构成的数据库、根据电气系统以往所产生的种种故障 和产生故障的原因构建的专家诊断数据库。
全文摘要
一种养路机械电气系统状态监测与诊断装置，它包括养路机械作业电气控制系统、诊断主机、由AVR单片机和CAN控制器构成的CAN总线接口、双口RAM和A/D转换器，程控主机板的主CPU通过实现数据交换的双口RAM与CAN总线接口的AVR单片机相连；A/D转换器连接在40路显示板的单片机数字信号输入端与40路显示板的40路选择开关的模拟信号输出端之间，养路机械作业电气控制系统的主CPU通过RS232接口与装载有数据采集分析和诊断程序的诊断主机相连。诊断主机通过与养路机械的程控主机、40路显示板进行通讯，获取程控信号和模拟控制信号并进行分析发现异常，达到对养路机械电气系统的诊断的目的。
文档编号G05B23/02GK101382802SQ20081014308
公开日2009年3月11日 申请日期2008年10月10日 优先权日2008年10月10日
发明者卢云波, 懿 李, 王伟辉, 马世宏, 军 龚 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司;株洲时代电子技术有限公司