（电气工程专业论文）自动查线机的设计与应用.pdf

j e夏至适叁堂童些亟堂焦途 塞 中文摘要 摘要：针对目前电力机车上大量采用了电线路连接，虽然按照标准要求必须注明 准确的线号，但是随着使用时间的延长，特别是通过不断的厂家技术改造和现场 故障处理等人为活动，难免造成一些电气线路发生变化，如果这些技术改造活动 不能依据规范或者提供详细的技术资料和图纸，最终容易导致电线路的混乱，给 以后的维修带来极大的不便。加之一些电线路在中间某些环节出现故障，而故障 点距两端接线端较远，此时也很难进行线路的查找和定位。 本文通过介绍通用型大规模自动查线机的设计思路及实现方法，特别是对其 软件设计部分作了较为详细的叙述。通过软件设计，实现了自动查线机通用性的 目的。通过此设备和软件的使用，可以大大减轻职工的作业量，降低劳动强度， 提高工作效率，保证测试结果的准确性和可靠性，为现场解决类似问题起到重要 的作用。 关键词；检测设备：查线机：软件 分类号： j e 塞窒适盔堂童些亟堂僮迨塞 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ep a p e ri sa i m e da ts o l v i n gac u r r e n tp r o b l e me x i s t i n gw i t he l e c t r i c a l w i r i n go nc u r r e n tl o c o m o t i v e e v e nt h o u g ha c c o r d i n gt or e l e v a n tr e g u l a t i o n ，e l e c t r i c a l w i r i n gm u s tb ec o r r e c t l yc o d e di ti su n a v o i d a b l et h a t $ o m ec h a n g e sh a v et ob em a d et o c e g m nw i r i n gb e c a u s eo fc o n t i n u o u st e c h n o l o g i c a lr e t r o f i t so ro n - s i t et r o u b l es h o o t i n g i fs u c ht e c h n i c a lu p g r a d ea c t i v i t i e sa l en o tc o n d u c t e di nl i n ew i t hr e g u l a t i o n s ，a n dn o t f o l l o w e db yd e t a i l e dt e c h n i c a li n f o r m a t i o na n dd r a w i n g s ，i ti sv e r yl i k e l yt h a tt h ew i r i n g w o u l db ei nam e s s ys i t u a t i o n , r e s u l t i n gi ng r e a ti n c o n v e n i e n c ef u rf u t u r em a i n t e n a n c e i na d d i t i o n , s o m cf a i l u r e sm a yo c c u ri nt h em i d d l ep a r to fw i r i n g ，w h i c ha r ef a ra w a y f r o mw i r ee n d s ，l e a d i n gt od i f f i c u l t i e si nw i r es e a r c h i n ga n dl o c a t i n g t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g ni d e aa n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fau n i v e r s a ll a r g e - s c a l e a u t o m a t i cw i r ec h e c k i n gs y s t e m ，e s p e c i a l l yw i t hd e t a i l e de l a b o r a t i o no ns o r w a r ed e s i g n t h eu n i v e r s a la p p l i c a t i o no ft h ec h e c k i n gs y s t e mi sm a t e r i a l i z e db ys o f t w a r ed e s i g n t h eu t i l i z a t i o no fs u c he q u i p m e n ta n ds o f t w a r ew o u l dg r e a t l yd e c r e a s ew o r k l o a d ， r e d u c ej o bi n t e n s i t y , i m p r o v ee f f i c i e n c y , a n de n h a n c et e s t a c c u r a c y & r e l i a b i l i t y , t h e r e f o r ep l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei ns o l v i n go n s i t ep r o b l e m s k e y w o r d s ：t e s te q u i p m e n t ；w i r ec h e c k i n gs y s t e m ；s o l t w a r e c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：安伯杰导师签名：王立德 签字日期：2 0 0 7 年0 9 月1 2 日签字日期：2 0 0 7 年月 日 j e塞銮塑太 堂童些亟堂焦监塞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：安伯杰签字日期：2 0 0 7 年1 1 月6 日 4 0 致谢 本论文的工作是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的，王立德教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 王立德老师对我的关心和指导。 蒋志达高级工程师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活 上都给予了我很大的关心和帮助，在此向蒋志达老师表示衷心的谢意。 济南铁路局机务处安景华高级工程师对于我的科研工作和论文都提出了许多 的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，我单位技术科、检修车间和我的一些同事们 等都对我论文中的设计和应用等研究和试验工作给予了热情帮助，在此向他们表 达我的感激之情。 另外也感谢妻子和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 j e塞窑 望 叁 芏童些亟 堂 焦丝塞 1 引言 目前，电力机车日益成为铁路运输生产的主要动力和机型，它具有功率大、 热效率高、速度快，能力强、运行可靠性高等诸多优点，而且还节约能源、对环 境污染程度低，特别适用于运输繁忙的长大干线、隧道多、坡度大的山区铁路， 更能体现出它的巨大优势。随着技术引进和消化吸收，我国电力机车的设计生产 技术在不断的发展和提高，在提供机车动力方面所占比重日益增强，其各方面的 优势日益得到社会认可。特别是大量发电项目的不断投产运营，国家电力事业飞 速发展的趋势也为电力机车作为铁路运输动力的主导地位起到了显著的促进作 业。电力机车在技术可靠性、智能化和操作简便化等方面也在不断的改进和提升。 如在电器屏桓的动作可靠性、易维护性方面，目前国内电力机车大都采用了i _ c u 、 d k l 等逻辑控制单元，老车型经过大修后，也都加装了该装置。尽管如此，电力线 路不可能全部被上述配件取代或代替，恰恰相反各类接线却更复杂、更集中了， 而这些线路一旦发生故障和问题，给查找错误接线会带来更多的不便和困难。特 别是近年来进口d j 交流电力机车，其辅助开关柜的接线多达六百多根接线，按照 目前维修单位班组人员设置，如果一个三人查线小组，利用目前手工查线的方法， 完成一台机车的检查更正完毕接线要求工作至少需要4 10 天的时间。为此， 设计开发了针对各种电器接线的通用查线枫在现场工作中非常有必要，期望能结 合计算机的优势，给查线人员提供查错帮助，使工作的针对性和可靠性得到提高， 提高查线排错的工作效率。 本文从硬件和软件两方面介绍其实现原理和方法，结合实际应用进行简单介 绍。 韭夏窑堑盔堂童些亟堂 焦迨 塞 2 查线机的工作原理 查线机的工作原理很简单：就是针对某固定电线路，在其一端施加一给定 的电压，在其另一端检测是否有电压信号，如果有，表示线路是“连通”的，否 则是“开路”的，即：检测逻辑“通”( 通常用“l ”表示) 、“断” ( 通常用“0 ” 表示) 状态。因此，我们也可以把这些电器线路看成通用的逻辑电路，其状态分 别用“l ”或者“0 ”来表示。按照常规的线路查找方式，查线可以一路一路的检 查，即单一线路、两个接线端子之间来查；也可以多路同时检查，即多条电线路、 多个接线端子之间进行查找，一般在实际工作中需要根据现场故障现象和工作环 境的具体情况确定。但是在实际操作中的情况要复杂得多，可以说是五花八门、 千奇百怪，往往是电路中串、并联许许多多电器元件和用电器，给查线工作带来 诸多的不便。如；线路中间串有开关，查线时必须保证开关的接通或断开；如果 线路是通过其他继电器的常开或常闭触点而连接的，则必须要保证继电器线圈通 电或断电，以确保触点连通或断开；有些线路还有相互间的逻辑连锁关系，或者 时间延时动作等等，在系统设计时必须要有预见性地考虑这些常见情况，在开始 查线前给予切除或者短接等等，以保证适合大多数查线要求，满足系统应用范围 的广泛性和普遍性，否则就会影响系统的使用效率，最终体现在设计、制作方面 存在盲区和不足，使设备的应用范围狭窄、技术含量降低。因此，就要求查线机 在设计系统软件时必须有能力来描述这些逻辑关系。 2 韭丞窑垂本望 童 些 亟 土堂焦迨塞 3 项目工程管理 查线机的工作原理虽然很简单，但真正要设计这样一个通用的查线机是一个 有一定复杂性的系统工程，既有硬件部分的设计，更有管理和控制软件的开发， 因此必须有规范的项目管理，才能取得成功。下面从以下几个方面讨论系统工程 的基本要求。 3 1 通用查线机的硬件设计 需求分析是最早要管理的内容，如果没有明确的目标和认识，很难实现工程 的要求，甚至会流产。通过了解我国电力机车和进口机车上各种逻辑控制设备的 技术和参数，目前最多的电器线路近七百路：一般商低压屏柜接线在2 0 0 内，l c u 在3 0 0 内，辅助开关柜在7 0 0 内，为了考虑以后的发展，还必须考虑更多的线路。 因此设计能扩展的硬件体系是首要的任务，可以采用下面的结构来达到目的： 查线机由笔记本电脑、i o 控制箱、1 1 0 v 可调直流电源、测试线等组成，采用 上下位机通讯的方式工作。上位计算机与下位i o 控制箱( 输入输出控制器) 通过 r s 4 8 5 或r s 2 3 2 方式通讯，控制其输出信号，并取得返回的输入信号。其中核心 部分为通用i o 控制箱的设计，它被设计成由多块相同功能的i o 控制板组成，可 以根据查线的复杂程度需要，增加或减少i o 控露扳的数量。 核心的i o 控制板的设计必须满足定的基本要求： ( 1 ) i o 控制板是带有处理器的电路板，能独立工作；通过地址码识别各个不同 的板卡。扩充i o 控制箱时，增加i o 板就可以了。 ( 2 ) i o 控制器能实时记录i o 状态，并能根据计算机指令工作。 ( 3 ) 为方便使用，一块1 0 板的i o 设计路数为4 0 。 ( 4 ) 考虑数值量输出信号( d o 信号) 的电压和电流的要求，采用3 a 的继电器输 出，输出电压采用外接可调直流电源。 ( 5 ) 数值量输入信号( d i 输入信号) 采用光隔离，范围在d c l 6 v 到d c1 5 0 v ， 可满足绝大多数工作场合的要求。 ( 6 ) 每个i o 口，即可做输出，也可做输入；如果纯粹作输入检测用，可以不 安装继电器。这样设计可保证i o 板的通用性，也便于维护、更换。 由于不同电器对外接线插头、插座不同，必须制作测试专用连接线；每个i o 的功能和意义，根据具体设备和连接线的制作，在软件中定义。 韭峦窑适 厶 堂 童些亟堂焦途塞 硬件系统的组成见图1 ( 虚线框内) ： 4 8 5 遁_ i ；【线【地址码识别) 图l 查线机硬件组成 目前设计的6 4 0 路1 0 需要8 0 个字节的数据来表达i o 的状态，采用3 8 4 0 0 波 特率通讯，需要约1 7 毫秒的时间。考虑指令传送和控制器内部通讯需要的时间和 效率，计算机与控制器约5 0 毫秒通讯一次。对要求不是非常严格的检测，实时性 要求基本得到满足。为防止短路情况，硬件电路加了过流保护措施。 之所以不采用市面上通用的工业i o 板，是因为他们的路数容量和电流驱动能 力不够，大部分的1 0 板只有1 6 路继电器，所以，即使使用工控机也无法插入这 么多的板卡来满足要求；而使用纯粹的数值i o 板，再外接继电器驱动板，接线既 复杂，扩充性又差，软件设计也复杂，成本还很高。 3 2 通用查线机的软件分析 查线机软件工程部分是系统的核心，也是最复杂的部分，必须进行最详细的 需求分析和设计。下面分为单片机程序和上位计算机程序两部分概叙软件设计要 求。 单片机程序设计：平时实时取得i o 状态，并保存到存储器中。当接收到上位 机取状态的指令时，返回所有i o 状态。如果是接收到输出指令，则让指定的系列 继电器动作，并更新1 0 状态。目前的硬件系统都有非常成熟的方案，实现起来相 对简单。因此就不再详细叙述了。 上位计算机系统程序设计：系统的核心软件部分是查线机的计算机软件。计 4 j e壅 窑适盔堂童些 亟 主堂 焦监塞 算机软件控制i o 板的信号输出，并取得各i o 的状态。本文主要介绍计算机软件 设计部分。 为满足各种不同电器设备查线的要求，软件必须提供足够灵活的设置功能： ( 1 ) 根据被检测设备( 逻辑装置) ，能分别定义各个输入、输出信号的功能( 与实 际硬件连接线相对应) 。 ( 2 ) 能绘制各电器的接线逻辑图形。 ( 3 ) 能根据接线逻辑图形，自动或手动生成逻辑测试表。 ( 4 】软件根据逻辑测试表自动完成大部分查线要求。需要人工干预的操作，自 动给出操作提示和要求。 ( 5 ) 根据查线结果，提供分析错误的功能，帮助查线人员进行错误查找。 为方便管理，软件系统对每种逻辑装置建立一个独立的逻辑测试文件。该文 件具有下列结构，见图2 。 图2 逻辑装置测试文件内容组成 从图2 得结构中可以看出，除了逻辑图形文件是一个独立文件外( 该逻辑图 形文件可以包含多种逻辑装置、多个测试单元的逻辑流程图) ，一个逻辑测试文件 韭立銮适 塞堂童些亟堂焦途塞 携带了所需要的测试信息，为软件的发行和升级带来了极大方便。其中测试步数 据中的“逻辑图形”数据，是指向“逻辑图形文件”中某一逻辑图形的连接，只 提供可视化设计测试数据的视觉要求和自动生成测试表的依据。在完成测试数据 输入后，不再有存在的意义。在实际查线检测时，可以不需要“逻辑图形文件” 的存在。 3 2 1 数据配置设置 为达到查线机通用的目的，一个i o 控制箱可用于多种逻辑装置的查线，必须 对每种逻辑装置建立独立的数据配置文件。根据输入、输出信号所使用的连接线 定义，建立被测件线号与i o 控制箱中i o 口的对应关系。 软件系统提供了该功能实现的模块。图3 是连接线i o 定义及汇总表。测试模 块依据该表格来完成信号输出和检测输入信号，是自动查线的依据之一。如果定 义错误，则可导致查线判断有误，必须保持正确。 3 2 2 逻辑图形编辑 图3 连接线i o 定义及汇总表 逻辑图形是逻辑装置的物理接线示意图，也是查线机检测的依据之一。软件 系统提供了编辑逻辑图形的模块。见图4 。 j e塞 銮 望叁堂童些 亟 堂 僮 论 塞 图4 逻辑图形编辑界面 一个逻辑图形文件( 如电器线路图) ，实际上可以包含多个逻辑装置的逻辑图 形集( 如s s 3 b 一号低压电器柜，d j 辅助开关柜等) ，一个逻辑装置的逻辑图形包含 多个不同功能的逻辑图形单元( 又称逻辑测试步) ：一个逻辑图形由许多逻辑测试步 组成。 图4 中所示的是s s 8 二号高压柜中涉及到三个电控阀4 x c ，5 x c ，6 x c 中的一条 接线：一七0 1 斗一书0 1 3 啦0 1 4 拉3 斗从图中可以看出，要保证线路连通，三个电 控阀必须在线圈失电状态，因为连接线通过他们的常闭触点。如果要检测该线路 的开路状态，只要给任何一个电控阀线圈通电即可。相反的，如果线路是通过它 们的常开触点，则需要给电控阀线圈通电才能保证连通。所以，检查一条接线， 并不是简单的在一端施加电压，在另一端检查电平即可。 在一些复杂的线路中，通向同一个接线端的线路有几路，甚至几十路。为了 使软件设计更加通用，并能够表达复杂线路间的关联关系，我们使用逻辑梯形图 来描述连接信息。图5 就是s s 3 b 的逻辑控制单元l c u 中与“后撒砂”相关的连 接线。逻辑梯形图中，用“j l ”表示高电平，“，t ”代表低电平：表示线路输入端 施加电压的情况，可以通过外部连线，控制其高低电平；“u ”表示输出端( 一般 用一直线表达) 。图5 表示的意义是：在特定状态下，机车启动第2 后撒沙装置， 即在该装置内部的第8 2 0 线有1 1 0 v 高电平时启动。从图中可以看出，有三条接线 可p a , 盘到输出端。母一固一应雷一厦耳一，匝 一冒一垣孕雁 一 7 j b塞銮运态堂童 些亟堂焦丝塞 e 虱固一l i 回一固每条线路的输入端必须施加高电平，才能保持通 路”状态。 图5s s 3 b 的逻辑控制单元l c u 的一个逻辑梯形图 对于一些更复杂的逻辑梯形图( 特别是电力机车的l c u ) ，一个逻辑梯形图对 应的线路( 工作状态) 可能高达数百种之多。为了检测到所有这些状态，软件设计必 须考虑到能自动生成所有可能的检测逻辑表，然后根据该表格来检测被试件。为 了实现这一功能，必须对逻辑梯形图中的基本逻辑输入端之间建立先后的连接关 系。这样，在计算机数据结构上就形成了一个“逻辑树”来代表逻辑梯形图，见 图6 。其中节点3 、5 又是“逻辑树”。 图6 用计算机数据结构来代表的逻辑梯形图 j e塞变通丕堂童墼亟堂焦迨塞 为保证自动生成检测逻辑表，“逻辑树”的建立需满足下列要求： ( 1 ) 输出信号为“树根”，只能有一个。可以通过简化逻辑梯形图实现。 ( 2 ) “节点”之间可以相互交叉连接，但不能“循环”连接，否则梯归算法 进入“死循环”，导致计算机故障。 ( 3 ) “节点”可以是另外一棵树，理论上嵌套层数不受限制( 但受计算机堆栈 大小限制) ，但同样必须满足上述( 1 ) 、( 2 ) 点的要求。 “节点”代表基本逻辑单元，设计为一个复杂的数据对象。它含有基本的数 据成员和复杂的输入输出连接结构，提供图形显示功能。 “逻辑树”代表逻辑梯形图，是多个“节点”的有机结合。在软件设计中被 抽象为一个“对象”。数据成员是“节点”，它提供了插入、添加、删除“节点” 的功能，自动维护“节点”的唯一标识符。在软件设计上，“逻辑树”最多允许有 1 万个基本“节点”。这已经远远超过了实际的需要：目前最复杂的l c u 中的逻辑 梯形图，也只有几十个基本“节点”。 从物理电路信号的可测性看，“节点”可分为可测性和非可测性“节点”。逻 辑装置对外有信号连接的“节点”是可测性“节点”，无信号直接连接的是非可测 性“节点”，它们通常是逻辑装置内部关联电路，不对外直接输出信号，常称为“中 间变量”，该“节点”在“逻辑树”中常表现为另外一棵“逻辑树”。 3 2 3 遍历“逻辑树” 不同于“二叉树”、“多叉树”的遍历，“逻辑树”的遍历要复杂得多，主要涉 及到“节点”嵌套、交叉等问题，还有就是遍历结果的输出问题。 遍历算法是软件的核心技术之一，采用经典的“梯归”算法，在细节上进行 精心安排，使运算速度和结果输出都得到了满足。在多达上百种遍历路径的情况 下，只需1 秒左右时间即可得到结果( 计算机配置：p i l l8 0 0 mc p u ，1 2 8 m 内存) 。 输出结果有两个：( 1 ) “节点”唯一标识符排列， 1 5 v d c ) 。 增加输入信号插座：系统最多配置2 5 6 个插座。 插座名称：可对每个插座取名，便于识别。 线号针号定义表：根据系统接线配置定义。“线号”栏必须填写，不填写， 表示该针号无输入信号连接。其它栏，可以不填写，只作参考。 韭丞銮道盘堂童些亟堂鱼丝塞 4 3 6 。7 5 、面板参数文件定义 面板指示灯定义表格：根据l c u 、d i t l l 说明书定义其各面板的线号与指示灯 符号的对应关系。线号的输入输出“类型”栏也必须指明，由“输入指示灯数”、“输 出指示灯数”决定。“指示灯”栏必须填写，且必须是唯一的符号，便于计算机查 找。其他栏目可以不填写。 指示灯面板参数：定义指示灯显示位置和排列。 其他操作按钮，功能顾名思义，不作介绍。 面板参数文件，可以不定义，但测试时，无法模拟显示指示灯面板，不能方 便操作者观察对照实际设备的状态。根据i , c u 、d k l 说明书定义，无须更改，原 样输入参数即可( 当然，显示坐标要改动，否则，叠加在一起，无法看清楚) 。 4 3 6 7 6 、逻辑梯形图 逻辑梯形图：描述一个逻辑组合中各逻辑信号的组合关系( 串联、并联) 和输入 j b塞銮亟丕堂童些 亟 堂焦途塞 输出关系。 选定一个逻辑设备( 如s s 8 _ d k l ) 中的某个逻辑( 如u 2 ，也称“逻辑测试步”) ， 在“逻辑梯形图编辑显示区”显示该“流程图”。如果是新创建的，则为空。逻辑 测试步的编辑主要在“逻辑测试步”功能区操作实现。 逻辑步用途删除逻辑梯形图 建立连揍i 复制单元i 删除单元 可以增加步、删除步、改名为、复制为、添加符号、保存、清除、解锁等操 作。单击“添加逻辑符”，在“逻辑梯形图编辑显示区”单击鼠标左键，则添加了 一个新的符号，用户可在“逻辑符号属性编辑区”中，对该符号进行编辑，使该 符号满足使用要求即可( 电平高低，标题、说明，显示方式等) 。 为了能使系统自动显示指示灯面板( 及以后能据此自动生成逻辑测试表) ，要按 下列规则设置逻辑符号属性： 1 、高电平：代表输出信号( 1 1 0 v d c ) 或返回高电平信号。否则，相反。 2 、上标题文字：必须填写。一般表示为“指示灯符号一线号”的方式，如1 2 3 8 4 7 ， 它表示指示灯1 2 3 与线号8 4 7 的一组关系：如果8 4 7 得电，则1 2 3 灯亮。如果对应 没有指示灯符号，直接写线号即可，如“8 9 9 ”、“1 2 4 ”。请根据逻辑设备说明书中的 逻辑梯形图填写，如果它不规范，请按该规范填写。否则它只是一个普通的符号 而已。 3 、下标题文字：主要是填写功能描述、用途说明等文字。可以不写。 韭 夏銮道盔堂童些亟 堂焦迨 塞 按此方法添加完所需的逻辑符号后，可以建立逻辑符号的连接关系： 1 、在逻辑梯形图编辑显示区无符号处点击，取消符号选择。点击某一符号，则 它被选中：周围显示8 个小方框。可以拖动该符号到所需的位置，也可以缩小放 大。 2 、选择两个符号，此时“建立连接”按钮有效。点击该按钮，建立了输入输出 关系：第一个被选中逻辑符号的输出，指向第二个符号输入端。第二个符号输入 端，指向第一个被选中符号的输出端。为了简化复杂性，逻辑符号的输入输出端 只能有一个。 两个被连接的逻辑符号( 黄色代表输入端，青兰色代表输出端) 建立复杂的逻辑梯形图，必须使用“连接线”( 按“填加连接线”生产) ，它允 许有多个输入端和多个输出端。它仅仅起连接作用，没有逻辑意义。 本系统允许建立任意复杂的逻辑梯形图：可以是一个多分支交叉树林。即允 许有多个输入支路和输出支路