内燃机车状态监测及辅修智能监控系统设计分析

宋玉奎

山东济铁机务装备集团有限公司，山东 济南 271100

摘要：为使得内燃机车的运行及管理更为高效，本文在研究内燃机车的故障类型及辅修手段的基础上，结合实际需求，建立了矿区铁路内燃机车监控与辅修一体化平台。以便面向内燃机车的全生命周期，对内燃机车的实时机动状态进行监控。并能够结合机车发生的实际问题，展开智能分析。以期为内燃机车运行状态的更好维护，提供有效的技术参照。

关键词：内燃机车；状态监测；系统设计

一、建立内燃机车监测与辅修平台的必要性

随着内燃机车速度的持续加快，内燃机车面临的运营条件也愈加复杂，这使得内燃机车构件更易发生损伤。如果不及时开展检修工作，则很可能对机车的安全稳定运行造成影响。而据数据显示，约有30%的内燃机车油耗超过正常运行的10%，相比于设计值则超出更多。

二、内燃机车监测与辅修平台整体架构

该系统首先对机车柴油机运行时的气缸状态进行监测，同时监测柴油机进气时的温度压力、发电机的电流状态、油门拉杆的位移状态、机车速度信息等参数。通过多参数融合诊断的方式，将数据分析结果以无线信号的方式向地面数据库进行传递。以便结合地面数据库的专业内容，对内燃机车的运行状态及能耗状态进行确认，从而给出提升机车运行状态的有效建议，促进内燃机车运行安全性和运行效率的整体提升。系统采用Linux操作系统，包括信号采集、监测诊断、无线通信、综合管理四大模块，采集模块包括瞬时转速测量、增压数据测量、电能数据测量、油门位移测量四大要素，而为实时显示机车状态，方便人机交互工作的更好开展，系统特意增设了人机交互模块。

三、内燃机车状态监测及辅修智能监控系统设计

（一）信号采集功能实现

信号采集功能由油门位移状态、发电状态、增压状态、转速状态、位置信息等几部分要素构成，通过位置信息的获取，系统能够得到当下机车的实时位置信息。进而通过位置比对，可以得到机车的速度数据。数据以无线传递的方式，传递到数据总线上。而柴油机转速状态的获得，则由对气缸上止点信号的获取及柴油机飞轮瞬间转速的获取两部分构成。在对信号进行状态解析后，藉由气缸转速信息中呈现出的气缸运行状态，完成对气缸的状态监测工作。而增压状态的获取，则由增压节点通过对柴油机的进气温度及增压压力进行测量，以不同的信号分别向外传递。信号经调理电路后，分别通过两种采集方式，经单片机处理后，向总线发送数据包。内燃机车数据采集设备由车载装置、数据盒、地面微机数据处理系统三部分构成，其中车载装置由主机、车载显示器、传感器、电缆等部分组成。主机在机车电器间内进行安装，其开关电源从机车系统整体控制电路内获得动力。主机经由高压隔离电炉与传感器、机车电炉直接进行连接，以便获得想要监测的各类机车信号。

（二）监测诊断功能、无线通信功能的实现

在实现监测与诊断功能过程中，通过瞬时转速来判断气缸的运行状态，是诊断监测的核心内容，这一过程通过多参数融合分析进行实现。气缸的压力波动情况直接体现在柴油机的瞬时转速上，同时受着汽油燃烧状况的直接影响。在柴油机内部发生故障导致汽油燃烧情况发生变化时，柴油机的转速变化就是这一变动的鲜明体现。故而，柴油机转速的变化情况就是柴油机内部运行情况的晴雨表，结合不同转速时柴油机可能发生的不同故障经验，就可完成对柴油机各个气缸工作状态的实时监测。

这一功能的实现通常以NIOS系统的FPGA为工具，应用Avalon外设的接口同系统相连通。这其中，NIOS CPU是实现功能的核心要素，对系统运行所需的各个部分代码进行执行。在NIOS CPU及上止点信号的协同控制下，系统通过A/D接口，以自定义端口进行相关信号的储存，以便于系统展开读写。

无线功能的实现以GPRS网络平台为依托，通过GPRS信息传递方式，应用TCP/IP联网运行模式，对不同用户的信息传输需求进行服务。这一功能十分适用于具备间断性、突发性、频繁性、小量性的数据传输过程，尤其适用双机领域相关应用程序的开发工作。除此之外，GPRS无线通信模块还具有实时可靠、低价高效的特点，并不需要专门人员对运营环境进行维护，因此可广泛应用于中小用户的组网运行过程中。这一技术实行过程中，依照自定义协议，状态监测数据和故障诊断结果组合成数据包。再经由系统串口发送到无线通信模块中，由GPRS网络利用MC55技术将数据包打包成TCP/IP协议能够识别的格式，并通过互联网向地面数据中心进行传递。地面数据中心的服务器则通过相关协议，将TCP/IP数据包还原，以此实现数据的无线实时传输。

（三）综合管理功能的实现

这一功能主要负责对系统进行综合管理，共包括人机交互、专家系统、数据库、服务器这四部分。该功能的实现从地面数据库对GPRS信号的接受开始，在将数据包转换为原始数据后，再将数据导入数据库中。并根据专家系统中整理好的信息，对获得数据进行处理、比对、分析。另一方面，人机交互界面为用户提供了浏览信息的窗口，也能够对专家系统给出的维修保养建议进行浏览。

首先是数据查询与备份功能，这一功能以Socket S/C机制为依托，对GPRS无线模块传递的数据进行接收，并备份在数据库中，用户即可根据自身需求，从人机交互界面进行数据查询。

其次是运行质量管理功能，这一功能的实现从柴油机的运行基本原理出发，对柴油机运行过程中的日常数据进行统计。以便确认柴油机的油效比，柴油机动力/性能转化参数等数据，并对增压器及气缸的工作参数进行确定。从而以这些数据，“刻画”出内燃机车的运行状态。

其三是牵引运动管理功能，这一功能对柴油机在规定时间段内，不同负荷状态下柴油机的牵引运用参数进行计算。并以柱状图的形式，对柴油机的牵引运用状况进行呈现。

其四是运输组织管理功能，这一功能主要对柴油机在规定时间段内，在不同状态负荷运行的转换过程进行“描述”。通过对柴油机的运输组织参数进行计算，以柱状图的形式，展现柴油机的运输组织基本状况。

其五是操纵状态管理功能，这一功能通过对内燃机车日常运行的操纵参数进行收集、统计、整合、分析，得出机车日常运行的操作参数。通过对油耗率及实际输出功率间的比值进行计算，对驾驶员的技术水平进行确认。

其六是机车效能管理功能，这一功能通过对机车油耗及机车功率输出进行统计分析，来确定机车的单位能效是否合理。如若不合正常状态，则可针对机车能效数据暴露的倾向性，提出相应的整改建议。以便在节能降耗的同时，推动机车运行功效的提升。

其七是机车维护及维修功能，这一功能的实现以神经网络算法为核心，通过将数据库中的原始数据作为神经网络的输入端，应用神经网络算法输出计算结果。以便利用输出结果对机车的维修维护工作进行指导，实现对机车运行各方面要素的综合管理。

结语：总体而言，该内燃机车监测辅修系统以Linux操作系统作为应用平台，并应用CAN总线具备的可扩展性，为未来的进一步发展留下了采集机车其他系统的数据空间，这使得该机车监测辅修系统功能够日趋完善。同时，该系统实现了对内燃机车运行中节能降耗效率及运输组织效率的进一步加强，有助于相关行业经济效益的进一步提升。

参考资料：

[1]任明强，杨金辉.内燃机车状态监测及辅修智能监控系统设计.2014

[2]袁赞江，袁理军.内燃机车状态监测与应急控制系统.2019

[3]贾同凯.能源计量监控与管理系统的设计及应用.2015