专利名称：一种机车运行状态实时监测记录和参数调节系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种机车状态监控系统及其方法，尤其是涉及ー种适用于机车车辆的机车运行状态信息实时监测记录和在线參数调节系统及其方法。
背景技术：
随着电子及计算机技术的迅猛发展，DSP、ARM和FPGA (Field-programmable gate array，现场可编程门阵列)等功能強大的嵌入式微机技术已经成熟并得到广泛应用。高集成、高精度和高可靠性的IC集成技术也同样在不断地升级换代。同时以太网通讯技术和界面开发软件编程技术的日新月异则更是大大提升了目前的技术水平。而机车控制装置是机车运行的重要組成部分，其运行状态好坏直接关系到机车的安全运行，因此在出厂时，需对机车控制装置作全面的、详细的性能调试。此外，当机车在线运行时，有时也需要对机车运行状态进行实时的监测，通过分析数据信息，及时发现并解决机车故障。目前虽然有专门的机车状态监测及数据记录装置，但无法直接对机车进行在线參数调节。其由数据采集模块、数据传输模块与数据监视记录模块组成，属于机车控制装置之外重新开发，需对机车的相关信号重新布线，对于客户而言，维护及成本大大增加。另外无法获取机车控制的ー些关键变量，对于ー些关键的故障来说，查找还是比较困难。而且由于电カ机车的运行条件恶劣，需要在机车运行的不同工作状态下进行參数配置，对调节机车的PI參数相当不方便；而以往调节PI參数都是利用示波器观察调节效果，修改机车控制程序中PI參数值，这意味着需要修改毎次改动都需要修改控制程序，大大降低了机车控制装置的可靠性，參数调节周期较长。同吋，机车在线运行时，携带多台示波器或者采用数据采集观察上车监测机车运行状态信号的方法基本不可行，虽然司机室的显示屏上能够看到ー些利用通讯传输上来的机车的状态信号和故障条目，但是由于这些信息只能每隔传输一次，因此数据信息的实时性较差，不能准确反应和捕捉机车的瞬态隐性故障。目前虽然有些机车采用微机系统控制，有ー些故障记录信息，但是其存储空间有限，毎次故障发生时只能记录故障发生前后 2秒的状态，因此记录数据量和数据长度有限，不能全面反映机车的状态信息。综上所述，有必要开发ー个实时状态监视与数据记录系统，不论是对机车的出厂调试，还是在线运行吋，都可以方便地通过此系统全面地、长时间地监测及记录机车运行的数据信息(包括机车运行的一些关键的中间变量)，并利用存储的丰富数据，通过数据回放方式来仔細分析机车的瞬态隐形故障，从而提升调试及检测水平，提高工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统及其方法， 该系统及其方法不论是对机车的出厂调试，还是在线运行吋，都可以方便地通过此系统全面地、长时间地监测及记录机车运行的数据信息，从而提升调试及检测水平，提高工作效本。为了实现上述发明目的，本发明具体提供了 ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统的技术实现方案，ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，包括监控模块和机车控制装置，监控模块包括监视记录模块、记录回放模块和參数调节模块，机车控制装置包括机车控制模块，监控模块通过以太网线与机车控制装置的机车控制模块相连， 监视记录模块通过以太网线向机车控制模块发送监控数据指令，并实时接收、记录和显示机车控制模块发回的监控数据；记录回放模块对监视记录模块记录的监控数据进行存储和回放；參数调节模块通过以太网线向机车控制模块发送參数调节指令，并将參数数据在线写入机车控制模块。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统技术方案的进ー步改进，机车控制装置还包括功能板模块，功能板模块包括两个以上的功能板，各个功能板与机车控制模块之间通过AMS总线相连，各个功能板和机车控制模块均与机车外围信号接ロ 模块相连。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统技术方案的进ー步改进，机车控制模块包括数据采集模块、公用RAM模块、ARM芯片和DSP芯片，数据采集模块与机车外围信号接ロ模块和公用RAM模块分別相连，公用RAM模块与ARM芯片和DSP芯片分別相连，数据采集模块对机车外围的模拟量和/或数字量数据进行采集和处理，DSP芯片管理机车控制装置的总线，并进行机车控制；ARM芯片对数据采集模块采集到的机车状态信息进行记录、诊断、数据通讯与转储；公用RAM模块为DSP芯片设定公用的全局变量数据， ARM芯片和DSP芯片读写公用RAM模块中的变量数据，并通过公用RAM模块进行数据交互。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统技术方案的进ー步改进，DSP芯片上运行有机车控制程序，DSP芯片包括定时器模块，定时器模块控制机车控制程序定时循环执行；当机车控制程序运行吋，DSP芯片读取数据采集模块在公用RAM模块中的变量数据，更新来自机车外围信号接ロ模块的外围接ロ输入数据，依据外围接ロ输入数据，DSP芯片中的机车控制程序更新执行，DSP芯片机车控制程序中的变量数据更新。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统技术方案的进ー步改进，公用RAM模块为DSP芯片设定公用的全局变量数据，并与来自数据采集模块的外围输入数字量信号、模拟量信号、PI參数值和机车控制程序中的中间变量信号一一对应，数据采集模块采集的数据一一对应赋值给公用RAM模块中的全局变量，ARM芯片和DSP芯片读写公用RAM模块中的变量数据。本发明还另外具体提供了ー种利用上述机车运行状态实时监测记录和參数调节系统进行机车运行状态实时监测记录和參数调节的方法的技术实现方案，ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法，该方法包括以下步骤
5100机车控制模块的数据采集模块通过机车外围信号接ロ模块采集来自机车外围的模拟量和/或数字量数据；
5101监视记录模块通过以太网线向机车控制模块发送监控数据指令，并实时接收、记录和显示机车控制模块发回的监控数据；
5102记录回放模块对监视记录模块记录的监控数据进行存储和回放；
S103:參数调节模块通过以太网线向机车控制模块发送參数调节指令，并将參数数据在线写入机车控制模块。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法技术方案的进ー步改进，该方法还包括全局变量设定过程，全局变量设定过程包括以下步骤
机车控制模块的公用RAM模块为DSP芯片设定公用的全局变量数据，所述的全局变量数据与来自数据采集模块的外围输入数字量信号、模拟量信号、PI參数值和机车控制程序中的中间变量信号一一对应，数据采集模块采集的数据一一对应赋值给公用RAM模块中的全局变量，ARM芯片和DSP芯片读写公用RAM模块中的变量数据。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法技术方案的进ー步改进，该方法还包括数据传输过程，数据传输过程包括以下步骤
DSP芯片上运行的机车控制程序定时循环执行，每次运行吋，读取数据采集模块在公用 RAM模块中对应的变量值，更新机车外围信号接ロ模块输入的数据信号，DSP芯片上的机车控制程序根据输入数据信号执行更新操作，机车控制程序中的中间变量信号进行更新，所有输入数据信号更新完成后，公用RAM模块中的全局变量也同时更新完成，井置数据更新标志位，ARM芯片监视数据更新标志位，通过访问公用RAM模块的存储区，取得数据，启动以太网通讯，并将数据传输至监控模块，同时将数据更新标志位置零。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法技术方案的进ー步改进，该方法还包括在线參数调节过程，在线參数调节过程包括以下步骤
机车控制的初始參数由DSP芯片上运行的机车控制程序进行初始设定，当需要在线调节參数时，调试人员根据实时监视机车运行的相关数据，在监控模块的參数调节模块的功能界面上修改所需调节的參数数值，并启动数据发送，ARM芯片通过以太网线接收和校验数据，将校验后的数据写入公用RAM模块的存储区，并置參数设置标志位；DSP芯片监测參数设置标志位后，访问公用RAM模块的存储区，读取參数变量，进行更新；从设定一次參数到下次设定參数之间相隔设定的时间。作为本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法技术方案的进ー步改进，该方法还包括监控模块监控过程，监控模块监控过程包括以下步骤
监控模块通过以太网线发送监控数据命令包，机车控制装置的机车控制模块接收命令包，并进行解析，机车控制模块通过以太网线向监控模块发送数据包，监控模块接收数据， 按通信协议显示还原数据，同时对数据进行实时存储与管理；
监控模块通过以太网线将配置服务器端ロ及命令包发送至机车控制装置的机车控制模块，机车控制模块接收命令，准备接收后续參数配置数据包；机车控制模块随后接收參数配置数据包，在将数据包解析之后写入公用RAM模块的存储区；同时返回校验数据结果，监控模块接收校验数据，错误则需重新发送数据包。通过实施上述本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统及其方法， 具有以下技术效果
(1)本发明描述的系统及其方法能对机车运行数据信号进行实时地、长时间(只要笔记本硬盘够大)地记录显示；
(2)本发明描述的系统及其方法的数据采集与传输是基于机车控制装置上实现，无需増加新的采集功能模块与数据传输；并且其不受外界干扰，为机车运行状态的分析提供很可靠的依据；(3)本发明描述的系统及其方法的监控模块安装在笔记本电脑上，体积小，与相应的机车控制装置配套；因此携帯方便，尤其适用于上车试验和检修；
(4)本发明描述的系统及其方法共用数据采集模块，但控制功能模块与数据传输功能模块分离，因此能提供机车运行的安全性、可靠性；
(5)本发明描述的系统及其方法具有实时在线參数调节，是适应铁路装备信息化的需求，能极大地减少调试人员工作量，缩短机车控制装置的开发调试周期。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统ー种具体实施方式
的系统结构組成框图2是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统ー种具体实施方式
的信号流向示意图3是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统所应用的机车牵引与制动控制系统结构框图4是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统ー种具体实施方式
的监控模块的功能示意图5是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统ー种具体实施方式
的以太网实时监控数据工作过程示意图6是本发明机车运行状态实时监测记录和參数调节系统ー种具体实施方式
的以太网实时修改控制參数工作过程示意图中，1-监控模块，2-机车控制装置，3-监视记录模块，4-记录回放模块，5-參数调节模块，6-以太网线，7-机车控制模块，8-功能板模块，9-AMS总线，10-机车外围信号接 ロ模块，701-数据采集模块，702-公用RAM模块，703-ARM芯片，704-DSP芯片，Ul-牵引特性环节，U2-制动特性环节，U3-给定积分器，U4-粘着限制环节，U5-制动电流限制环节， U6-轴重补偿环节，U7-防空转环节，U8-最大电压调节器，U9-电枢调节器，UlO-控制逻辑単元，Ull-磁场调节器，U12-最大励磁电流调节器，U13-移相电压变换环节，U14-同步移相信号，U15-调制环节，U16-解调环节，Wl-牵引电位器，W2-制动电位器，W3-调车电位器，α-级位指令信号，Im-电机电流反馈信号，Um-电机电压反馈信号，If-励磁电流反馈信号，Ummax-最大电压限制信号，Ifmax-最大励磁电流反馈信号，Gl-前转向架工作信号， Izmax-最大制动电流限制值，Izmin-最小制动电流限制值，+-加法，-1-倒相，Upll-—段桥交流电压信号，Up 12- ニ段桥交流电压信号，min-最小值选择，max-最大值选择，d α 1- —段桥移相触发电平信号，da 2-ニ段桥移相触发电平信号，da 3-三段桥移相触发电平信号， da 4-励磁桥移相触发电平信号。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如附图1至附图6所示，给出了本发明ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进ー步说明。如附图3所示，现将机车控制装置控制过程阐述如下
对机车的控制主要体现在机车牵引和制动性能的控制上，在附图3中，机车控制装置包括牵引特性环节U1、制动特性环节U2、给定积分器U3、粘着限制环节U4、制动电流限制环节TO、轴重补偿环节U6、防空转环节U7、最大电压调节器U8、电枢调节器U9、控制逻辑单元U10、磁场调节器U11、最大励磁电流调节器U12、移相电压变换环节U13、同步移相信号 U14、调制环节U15、解调环节U16、牵引电位器W1、制动电位器W2和调车电位器W3 ；各种输入输出和控制信号包括级位指令信号α、电机电流反馈信号Im、电机电压反馈信号^!、励磁电流反馈信号If、最大电压限制信号Ummax、最大励磁电流反馈信号Ifmax、前转向架エ 作信号G1、最大制动电流限制值Izmax、最小制动电流限制值Izmin、加法+、倒相-1、一段桥交流电压信号Upll、ニ段桥交流电压信号Upl2、最小值选择min、最大值选择max、一段桥移相触发电平信号d α 1、ニ段桥移相触发电平信号d α 2、三段桥移相触发电平信号d α 3和励磁桥移相触发电平信号da 4。在机车牵引性能控制上，采用软件方式实现特性控制性能。由一段斜线构成粘着限制线，用电压——电流限制作为粘着限制控制。在粘着限制范围内机车先按特性曲线的平直段恒流起动，待进入特性曲线的斜线段后机车速度大致稳定在牵引手柄所指示的速度范围内，同一级位上的速度变化范围大约为10km/h。三段不等分半控桥顺序开放，有电机电压最大值限制。当电机电压达到最大限制值后开始三级磁场削弱。对前后转向架轴重转移进行电气补偿。若电机电流大于某个值则前架减载，减载量与电流成正比。复位时有电流下降率和上升率的限制，以防止电流冲击。在机车制动性能控制上，采用软件方式实现制动控制性能。速度特性曲线(I-V)是 ー簇平行的斜线。制动控制系统采用加馈电阻制动，根据机车的速度，系统自动地调节一段半控桥的移相角，使制动电流沿着给定的速度-电流线变化，机车速度大致稳定在给定级位所对应的速度范围内。有最大励磁电流限制，最大制动电流限制，最小制动电流限制，当 If达到最大限制值时，调节一段半控桥移相角，改变电机电压以維持制动电流不变。牵引制动控制特性，牵引为准恒速的控制特性，电机电流按下式控制
{150b ] 600π 54ν トmin Qi) 1124 J
式中:n—牵引级位数，n=0 10 ； ν—机车速度，单位km/h。制动为准恒速的控制特性，制动电流按下式控制
权利要求
1.ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，其特征在干，包括监控模块(1) 和机车控制装置(2)，所述的监控模块(1)包括监视记录模块(3)、记录回放模块(4)和參数调节模块(5 )，所述的机车控制装置(2 )包括机车控制模块(7 )，所述的监控模块(1)通过以太网线(6 )与机车控制装置(2 )的机车控制模块(7 )相连，所述的监视记录模块(3 )通过以太网线(6)向机车控制模块(7)发送监控数据指令，并实时接收、记录和显示机车控制模块 (7)发回的监控数据；所述的记录回放模块(4)对监视记录模块(3)记录的监控数据进行存储和回放；所述的參数调节模块(5)通过以太网线(6)向机车控制模块(7)发送參数调节指令，并将參数数据在线写入机车控制模块(J)。
2.根据权利要求1所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，其特征在于所述的机车控制装置(2)还包括功能板模块(8)，所述的功能板模块(8)包括两个以上的功能板，各个功能板与机车控制模块(7)之间通过AMS总线(9)相连，各个功能板和机车控制模块(7)均与机车外围信号接ロ模块(10)相连。
3.根据权利要求1或2所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，其特征在于所述的机车控制模块(7)包括数据采集模块(701)、公用RAM模块(702)、ARM芯片 (703 )和DSP芯片(704 )，数据采集模块(701)与机车外围信号接ロ模块(10 )和公用RAM模块(702)分別相连，公用RAM模块(702)与ARM芯片(703)和DSP芯片(704)分別相连，所述的数据采集模块(701)对机车外围的模拟量和/或数字量数据进行采集和处理，所述的 DSP芯片(704 )管理机车控制装置(2 )的总线，并进行机车控制；ARM芯片(703 )对数据采集模块(701)采集到的机车状态信息进行记录、诊断、数据通讯与转储；公用RAM模块(702)为 DSP芯片(704)设定公用的全局变量数据，ARM芯片(703)和DSP芯片(704)读写公用RAM 模块(702 )中的变量数据，并通过公用RAM模块(702 )进行数据交互。
4.根据权利要求3所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，其特征在于所述的DSP芯片(704)上运行有机车控制程序，所述的DSP芯片(704)包括定时器模块， 定时器模块控制机车控制程序定时循环执行；当机车控制程序运行吋，DSP芯片(704)读取数据采集模块(701)在公用RAM模块(702 )中的变量数据，更新来自机车外围信号接ロ模块 (10)的外围接ロ输入数据，依据外围接ロ输入数据，DSP芯片(704)中的机车控制程序更新执行，DSP芯片(704)机车控制程序中的变量数据更新。
5.根据权利要求4所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节系统，其特征在于所述公用MM模块(702)为DSP芯片(704)设定公用的全局变量数据，并与来自数据采集模块(701)的外围输入数字量信号、模拟量信号、PI參数值和机车控制程序中的中间变量信号一一对应，数据采集模块(701)采集的数据一一对应赋值给公用RAM模块(702)中的全局变量，ARM芯片(703)和DSP芯片(704)读写公用RAM模块(702)中的变量数据。
6.ー种利用权利要求3所述的机车运行状态实时监测记录和參数调节系统进行监控记录和參数调节的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤5100机车控制模块(7)的数据采集模块(701)通过机车外围信号接ロ模块(10)采集来自机车外围的模拟量和/或数字量数据；5101所述的监视记录模块(3)通过以太网线(6)向机车控制模块(7)发送监控数据指令，并实时接收、记录和显示机车控制模块(7)发回的监控数据；5102所述的记录回放模块(4)对监视记录模块(3)记录的监控数据进行存储和回放；S103 所述的參数调节模块(5)通过以太网线(6)向机车控制模块(7)发送參数调节指令，并将參数数据在线写入机车控制模块(7)。
7.根据权利要求6所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法，其特征在于，该方法还包括全局变量设定过程，所述的全局变量设定过程包括以下步骤机车控制模块(7 )的公用RAM模块(702 )为DSP芯片(704 )设定公用的全局变量数据， 所述的全局变量数据与来自数据采集模块(701)的外围输入数字量信号、模拟量信号、PI 參数值和机车控制程序中的中间变量信号一一对应，数据采集模块(701)采集的数据一一对应赋值给公用RAM模块(702)中的全局变量，ARM芯片(703)和DSP芯片(704)读写公用 RAM模块(702)中的变量数据。
8.根据权利要求6或7所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法，其特征在于，该方法还包括数据传输过程，所述的数据传输过程包括以下步骤DSP芯片(704)上运行的机车控制程序定时循环执行，每次运行时，读取数据采集模块 (701)在公用RAM模块(702)中对应的变量值，更新机车外围信号接ロ模块(10)输入的数据信号，DSP芯片(704)上的机车控制程序根据输入数据信号执行更新操作，机车控制程序中的中间变量信号进行更新，所有输入数据信号更新完成后，公用RAM模块(702)中的全局变量也同时更新完成，井置数据更新标志位，ARM芯片(703)监视数据更新标志位，通过访问公用RAM模块(702)的存储区，取得数据，启动以太网通讯，并将数据传输至监控模块(1)， 同时将数据更新标志位置零。
9.根据权利要求8所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法，其特征在于，该方法还包括在线參数调节过程，所述的在线參数调节过程包括以下步骤机车控制的初始參数由DSP芯片(704)上运行的机车控制程序进行初始设定，当需要在线调节參数时，调试人员根据实时监视机车运行的相关数据，在监控模块(1)的參数调节模块(5)的功能界面上修改所需调节的參数数值，并启动数据发送，ARM芯片(703)通过以太网线(6)接收和校验数据，将校验后的数据写入公用RAM模块(702)的存储区，并置參数设置标志位；DSP芯片(704)监测參数设置标志位后，访问公用RAM模块(702)的存储区，读取參数变量，进行更新；从设定一次參数到下次设定參数之间相隔设定的时间。
10.根据权利要求6、7、9中任ー权利要求所述的ー种机车运行状态实时监测记录和參数调节方法，其特征在干，该方法还包括监控模块监控过程，所述的监控模块监控过程包括以下步骤监控模块(1)通过以太网线(6)发送监控数据命令包，机车控制装置(2)的机车控制模块(7)接收命令包，并进行解析，机车控制模块(7)通过以太网线(6)向监控模块(1)发送数据包，监控模块(1)接收数据，按通信协议显示还原数据，同时对数据进行实时存储与管理；监控模块(1)通过以太网线(6 )将配置服务器端ロ及命令包发送至机车控制装置(2 ) 的机车控制模块(7)，机车控制模块(7)接收命令，准备接收后续參数配置数据包；机车控制模块(7)随后接收參数配置数据包，在将数据包解析之后写入公用RAM模块(702)的存储区；同时返回校验数据結果，监控模块(1)接收校验数据，错误则需重新发送数据包。
全文摘要
本发明公开了一种机车运行状态实时监测记录和参数调节系统及其方法，装置包括监控模块和机车控制装置，监控模块包括监视记录模块、记录回放模块和参数调节模块，所述的机车控制装置包括机车控制模块，监控模块通过以太网与机车控制装置的机车控制模块相连，监视记录模块通过以太网向机车控制模块发送监控数据指令，并实时接收、记录和显示机车控制模块发回的监控数据；记录回放模块对监视记录模块记录的监控数据进行存储和回放；参数调节模块通过以太网线向机车控制模块发送参数调节指令，并将参数数据在线写入机车控制模块。该系统及其方法可以方便、全面、长时间地监测及记录机车运行的数据信息，提升调试及检测水平，提高工作效率。
文档编号G05B19/042GK102566470SQ20121000665
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者刘灿, 唐鸿华, 戴仁德, 罗继光, 钱华, 陈灿 申请人:株洲南车时代电气股份有限公司