移动式信号设备故障记录分析装置

王强 林世春 庹云凤 李权

移动式信号设备故障记录分析装置

王强 林世春 庹云凤 李权

采用便携采集模块及综合采集设备进行现场采集，并配合数据分析软件，对于铁路现场偶发信号故障及曲线波动异常等不明故障进行监测及分析，可有效提高信号设备故障定位的准确性、方便性及时效性。

移动式信号设备故障记录分析装置;便携采集模块;综合采集设备;故障分析

随着列车速度的不断提高，铁路现场经常发生道岔瞬间失去表示、轨道电路短时红光带或电压曲线波动等原因不明故障。由于此类故障发生时间较短，维护人员还未到达现场，故障还没有找到原因就自然消失，然后故障又重复发生，给故障处理带来很大困难，严重影响运输效率。

移动式信号设备故障记录分析装置是一种信号故障的采集分析装置，是对信号集中监测系统的补充和完善。它能在信号设备发生轨道电路闪红、道岔偶发的不启动和瞬间失去表示、信号机瞬间关闭及电气特性曲线发生较大波动等原因不明的故障，以及信号集中监测系统监测曲线发现异常时，通过在室内、室外监测点附近放置移动式信号设备故障记录分析装置，实时监测需要记录的轨面电压和电流、道岔动作电压和电流、信号机灯端电压和电流等模拟量数值及开关量状态，并存储在移动式信号设备故障记录装置中，通过专用的数据分析系统软件进行故障数据的导入与分析;可与信号集中监测系统的监测数据结合进行综合分析与诊断;还可与信号集中监测系统设备连接后，将数据传送到电务段信号集中监测服务器中，为远程分析故障原因、查找设备故障、防止信号设备故障重复发生，提供可靠的现场数据及技术保证手段，可有效提高信号设备故障点的定位准确性及时效性。

根据铁路现场实际运用情况，移动式信号设备故障记录分析装置由3个子系统组成，分别是便携式采集模块系列、综合采集设备、数据分析软件，其组成如图1所示。

1 便携式采集模块系列

便携式采集模块系列有5种类型:轨道电路监测模块、交流道岔监测模块、交流信号机监测模块、直流道岔监测模块、直流信号机监测模块。它们分别安装在需要监测的轨道电路XB箱、区间匹配单元、道岔电缆盒、信号机构内，实时采集轨道电路轨面电压与电流等监测信息。

图1 移动式信号设备故障记录分析装置组成示意图

便携式采集模块系列采用TIMSP430F5418IPN高性能处理器实现信号的采集、简易分析、存储、系统控制等，内部采用1800 mAh聚合物锂电池为系统供电，设置MicroUSB接口与上位机通信获取采集数据进行分析，并提供TF卡插槽方便存储采集数据。其原理框图如图2所示。

便携式采集模块对采集电路进行了有效的隔离与保护设计，防止本装置影响被监测设备。充电管理芯片采用TI公司高可靠的BQ24093芯片，实现对电池的充电管理。信号采集选用专用的采集传感器，并用MSP430F5418IPN的AD通道对采集的数据进行AD转换。USB接口电路采用CP2102-GM，将MSP430F5418IPN的串口转换为USB接口，方便上位机连接操作。看门狗电路选用MAX706ESA芯片实现电路电压监控与异常自动复位功能。LED选用共阴极的双色灯用于指示充电及工作状态等。按键用来控制采集模块的开关与采集数据的开关控制等。电池采用1500 mAh的聚合物锂方形电池为设备供电。嵌入式分析软件采用C语言编写，主要实现对采集到的各种数据的简单分析与整理，然后存储到TF卡中。

图2 便携式采集模块系列原理框图

便携式采集模块可实现交直流电压、电流的采集;连续工作时间不少于24 h，采样速率不小于8 kHz，采样数据保存不少于24 h;电流采集采用卡口方式，利用USB接口进行数据下载、电池充电。

2 综合采集设备

综合采集设备由技术人员携带到现场，放置在安全距离以外，待各种采集模块安装到位后，用数据线连到综合采集设备中，实时采集轨道电路轨面电压、电流，道岔电机动作电压和电流、表示电压，信号机灯端电压、电流，并同时生成曲线供技术人员查看。综合采集设备采用7英吋TFT工业高亮显示屏显示采集数据及波形，其原理框图如图3所示。

综合采集设备内置3个卡位，可根据需要分别选配轨道电路监测卡、交流道岔监测卡、交流信号机监测卡、直流道岔监测卡、直流信号机监测卡等，每个监测卡能实现所对应的便携采集模块的采集功能。综合采集设备主要由3部分组成，包括外壳、嵌入式硬件采集电路、嵌入式分析软件，其形状如图4所示。

嵌入式硬件电路主要由S5PV210 Cortex-A8核心板、主板、外拓板、按键板、显示屏转接板、电池板、采集板等组成，并有完善的保护与隔离电路保证系统可靠稳定运行。

图3 综合采集设备原理框图

图4 综合采集设备主机效果图

核心板是管理与处理中心，完成系统的管理、采集数据的汇集与处理分析、采集数据波形的绘制，数据存储、LCD显示屏控制等;主板由嵌入式处理器MSP430F169及其他外设电路组成，包括MSP430F169系统电路、MAX811-EUS-R看门狗电路、NLASB3157DFT2模拟开关电路、6N137光耦隔离电路、BQ24133RGYT电池充电管理电路、TPS2419D芯片构成的ORing控制电路、LT3480EDD#PBF电源电压转换电路、F0505T电源隔离电路、电源输入保护与EMI滤波电路等。外拓板主要是提供各种外设接口，包括TF卡接口、双层USB接口、串口、网口等。按键板主要提供8个用户按键，方便用户操作，其中一个按键设计为styby电压。显示屏转接板主要实现显示屏的驱动电源、显示屏接口转换等。电池板主要为固定电池而设计，电池采用二串二并三星2600 mAh/3.7V电芯。采集板共有5种类型，主要实现对各种轨道电压电流、交直流道岔及交直流信号机的采集监测，它主要包括MSP430F5418IPN处理器电路、信号采集电路、看门狗电路等。信号采集选用专用的采集传感器，并用MSP430F5418IPN的AD通道对采集的数据进行AD转换;看门狗电路选用MAX706ESA芯片实现电路电压监控与异常自动复位功能。

嵌入式分析软件采用当前世界流行的Android4.0嵌入式系统设计，应用程序开机自动运行，实现3路串口采集数据汇总与分析存储。

综合采集设备能实现多信号采集(3个便携式采集模块的采集量)，连续工作时间不少于4 h，采样速率不小于8 kHz，采样数据保存不少于24 h，电流采集采用卡口方式，利用USB接口进行数据下载，能实时图形显示采集数据，能对信号进行分析，采用双电池供电，更换电池时不影响工作。

3 系统特点

1.采用开放、通用式开关量及模拟量采集接口，采集需要监测记录的信号设备，保证系统的实用性及可扩展性。

2.具有开关量、模拟量监测精度准确，监测响应速度快，记录数据完整及实时性好的特性。

3.具有独立的时钟记录及校核系统、具备独立的模拟量精度校核系统，可保证监测数据记录的准确性与及时性。

4.具备体积小巧、携带方便、环境适应性强(防雨雪、防潮、耐高温及低温)的特性，可方便地安装在任何需要监测的铁路信号设备现场。

5.硬件采集核心技术采用先进的DSP数字处理技术，可保证采集数据的高精度及很高的响应速度。

6.具备独立完善的数据分析系统，可进行详尽的数据分析及报表输出，并可与信号集中监测系统进行双向数据交换。

4 关键技术

1.高精度快速采集技术。程序设计均基于实时多任务操作系统，多任务的调度由操作系统完成，工作稳定、可靠。选用TI的5000系列DSP芯片，由5000系列的实时操作系统进行程序管理，能及时检测到程序运行状态，在异常情况下及时恢复程序的正常工作。采用基于DSP芯片的信号解码平台，FFT(快速傅立叶变换)、连续功率谱等数字信号处理技术。

2.独立可靠的存储技术。采用独立且高可靠性的工业级存储芯片，保证数据存储的快速及完整。

3.完备的数据分析技术。单独开发针对此记录装置存储数据的专用数据分析软件，可满足不同信号设备种类的监测数据分析需求，做到分析详尽，结论清晰、可靠。

5 结束语

移动式信号设备故障记录分析装置通过对信号设备发生原因不明的故障或信号集中监测曲线异常时提供的特殊监测及分析手段，为保证铁路运输安全生产、方便铁路一线技术维护人员的测试和设备管理工作提供了必要技术保证。铁路电务、维护部门均可使用，具有较高的使用价值和广阔的推广前景。目前此项目已经通过北京铁路局技术审查。

［1］中华人民共和国铁道部．运基信号［2010］709号文．铁路信号集中监测系统技术条件［S］．2010．

［2］中华人民共和国铁道部．运基信号［2011］377号文．铁路信号集中监测系统安全要求［S］．2011．

［3］中华人民共和国铁道部．科技运［2008］36号文．客运专线铁路信号产品暂行技术条件——信号集中监测系统［S］．2008．

［4］中华人民共和国铁道部．铁运［2006］26号．铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见［S］．2006．

［5］李萍．铁路信号集中监测系统［M］．北京:中国铁道出版社，2012．

With the assistance of portable data acquisition module and comprehensive data collection equipment for site data acquisition and in combination with the data analysis software，we conductmonitoring and analysis of on-site occasional signal fault and indiscernible faults with abnormal fluctuation curve，which effectively improve the accuracy，conveniency and timeliness of fault location of signal equipment．

Mobile Signal Equipment Fault Recording and Analysis Device;Portable Acquisition Module;Comprehensive Collection Equipment;Fault Analysis

王强:深圳市长龙铁路电子工程有限公司工程师518031深圳

林世春:深圳市长龙铁路电子工程有限公司工程师518031深圳

庹云凤:深圳市长龙铁路电子工程有限公司工程师518031深圳

李权:深圳市长龙铁路电子工程有限公司工程师518031深圳

北京铁路局科技研究开发计划课题2013BD08

2013-12-17

(责任编辑:张利)