集控电动脱轨器系统远程故障诊断功能研究

赵小军，徐永孝，郝家耀，张永钊，陈冉，孙磊磊

（1.国能铁路装备有限公司准格尔车辆维修分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.郑州智辆电子科技有限公司，河南 郑州 450001）

1 问题的提出

随着铁路货物列车高速重载战略的实施和万吨组合列车的大量开行，对铁路货运检修工作的要求也越来越高。作为列检作业场进行列车技术检查作业时，设置的安全防护设备电动脱轨器上、下脱控制必须安全可靠。当脱轨器设备出现故障后，设备维修人员只能根据运用车间人员口头反馈的故障情况凭经验判断导致故障的原因，携带配件到现场进行分析、检查、处置。运用车间人员反馈的信息存在用词不专业、状态不全面问题，加上设备维修人员技术水平参差不齐，容易导致故障判断不准确，所带配件与故障部件不对应，需要返回更换对应的配件，设备故障无法及时排除，影响铁路的运输效率。2021 年12 月，国铁集团印发了《国铁集团铁路营业线施工管理办法》，该管理办法对维修和施工天窗的管理做了精细调整，设备维修天窗时间变短、申请天窗周期延长。在当前情况下，脱轨器出现故障后如何通过技术手段实现对故障原因准确判断，帮助维修人员快速高效处置故障显得尤为迫切。

2 系统组成

集控电动脱轨器系统由值班室监控装置、控制柜、通讯柜、脱轨器装置、轨边视频监控装置、咽喉区视频监视装置等设备组成（图1）。

图1 集控电动脱轨器系统组成

3 故障统计分析

从集控电动脱轨器系统组成来对其出现的故障进行分类，大致分为机械部件、电气控制、网络通讯、视频监视、系统线缆、计算机及主控软件共6 类。

3.1 机械部件故障

机械部件包括脱轨器装置、安装装置、电动转辙机、表示器等，其故障表现主要有脱轨器卡滞或卡死、脱轨器上下缓慢甚至无法到位、转辙机达子反弹等。

3.2 电气控制故障

电气控制部件包括CPU 板、I/O 板、交流接触器、固态继电器、信号控制器、红白灯板等。其故障表现主要有通讯中断、脱轨器状态检测失效或异常、脱轨器不动作或动作不到位、要电申请无反应、信号灯无故熄灭等。

3.3 网络通讯故障

网络通讯部件包括光纤交换机、串口服务器及供电开关电源等。其故障表现主要有通讯异常、通讯中断、视频信号消失等。

3.4 视频监视故障

视频监视部件主要包括视频服务器、摄像机、模式切换器及供电开关电源等。其故障表现主要有某股道或一端视频信号消失、摄像机白天黑夜模式切换失效、云台控制无效等。

3.5 系统线缆故障

脱轨器系统线缆主要包括动力电缆、通讯光缆、信号电缆、互控电缆等。其故障表现主要有通讯中断、互控开关检测无效、脱轨器状态检测信号异常等。

3.6 计算机及主控软件故障

计算机及主控软件故障表现主要有计算机蓝屏或黑屏、主控程序反应迟钝或卡死、主控程序闪退等。电动脱轨器系统出现故障后，导致故障的原因往往是多方面的，设备维修技术人员接到故障反馈后，经过简单分析便携带万用表、网络测试仪、兆欧表等专用仪器和相关配件到现场进行排查处理，对于稳定（故障一直存在）的故障，这种方法还可以应对，对于那种一会儿出现又能自动恢复的故障，不能很快确定故障原因解决问题，往往需要多次到现场排查处理才能最终排除故障。因此，需要对现有的电动脱轨器系统进行升级以实现在出现故障后能够在远端（值班室）查看设备故障信息做出综合分析判断，做到在分析处理故障时胸有成竹。

4 远程故障诊断技术方案

设备维修部门往往要负责多个列检作业场的设备日常维护和检修工作，当某个列检作业场电动脱轨器系统出现故障后，能够在动态值班室就能够对现场情况充分了解是十分必要，不然就要驱车到现场排查，故障处置时间自然滞后，因此，首先需要实现远程掌握电动脱轨器的状态。为了实现远程掌握电动脱轨器系统状态，需要搭建一套铁路货车列检作业场电动脱轨器远程故障诊断应用服务平台，应用服务平台设计思路从以下三方面进行设计。即从平台功能模块、整体架构及网络拓扑，详见图2 ～4。

图2 服务平台功能模块

图3 服务平台总体架构图

图4 网络拓扑结构图

应用服务平台具备用户管理、设备运行状态、设备故障提示、设备故障临界分析、设备故障信息查询、作业场信息管理、参数设置、通讯状态查询、日志查询及打印等功能，实现动态检修车间可以快速看到设备故障发生时的监控视频和当时的设备运行电参量信息。

应用服务平台总体架构从低到高依次为基础层、传输层、监控层、支持层和应用层。

（1）基础层。包括列检作业场用于采集运行参数的各类信息设备包括光纤交换机、串口服务器、CAN转换器、计算机服务器。设备运行控制的电动脱轨器、控制柜、通讯柜等设备，实现脱轨器控制、检测、运行，所有电参量的采集、运算分析、报警，电参量的记录分析及诊断。值班室与现场通信柜各增加一台光纤交换机，两台交换机间使用光纤通讯，通信柜中的光纤交换机根据现场使用摄像机数量确定，采用4 块一光八电端口的KYLAND(KIEN1005A-1S8T-SC40-HV) 交换机。更换现场模拟摄像机为高清网络摄像机（iDS-2ZCN2507N(B)，分辨率为1920×1080，白天为彩色晚上为红外黑白色摄像），网络摄像机与现场通信柜中光纤交换机使用铠装网线连接。现场，控制柜增加电参量采集模块。各采集模块采集的数据经串口服务器直接上传到值班室主控机计算机，再由主控计算机经指定传输工具MQ 上传到服务平台进行集中保存，建立支持层的数据基础。由于监控视频传输需要占用比较高的带宽，在网络允许的情况下，可将完整的视频上传到服务平台。

（2）传输层。传输层是整个系统架构中的关键层次之一，提供建立、维护和取消传输连接的功能，负责数据的可靠传输，主要包括局域网控制传输、CAN总线传输、视频传输等，需要增设光纤、超五类铠装网线及铠装屏蔽双绞线等线材。

（3）监控层。监控层主要包含值班室主控计算机及程序、视频监视计算机及程序，是整个控制系统的核心。值班室主控程序控制现场电动脱轨器上、下脱。视频主机实时监控并记录电动脱轨器动作过程，可以让动态检修值班员远程直观地看到脱轨器运行过程状态。当脱轨器出现故障后，监控层将视频经服务平台推送至动态检修车间，向动态检修人员提供过程中脱轨器的图像信息，增加动态检修人员了解故障现象的直观信息，提高分析问题的准确性。

（4）支持层。支持层建立在服务器计算机中，主要包含数据库服务、网络连接的桥梁及提供数据访问的服务，是各作业场采集的各种信息数据的数据池，为所有应用层提供数据支持。

（5）应用层。应用层是直接面对各车间的窗口，是故障诊断提示信息的第一窗口，应用层位于最顶层，直接为用户提供服务。用户权限等级分为三级：第一级为管理员级，平台所有功能可用。第二级为检修级，平台设备状态、通讯状态、查询、统计、分析、推送功能可用。第三级为分公司普通级，平台查询、统计功能可用。

通过搭建系统服务平台实现了远程对脱轨器状态的实时掌握。为了实现故障诊断，需要在既有电动脱轨器系统的基础上对脱轨器供电、主控制回路以及各个股道控制回路的电压电流等电参量进行采集和分析。在电动脱轨器供电回路、主控制回路及各股道控制回路分别设置相应的高精度电压、电流传感器，传感器输出信号经过模数转换器转换，由高性能微处理器精确计算出对应的各个电参量，电参量信息经现场光纤网络传输至电动脱轨器系统主控计算机。

根据对电动脱轨器的I/0 模块、电压、电流实时采集的电气参数信息，在系统上、下脱动作过程中，根据I/0 模块状态及电气参数，自动预判隐形故障。系统出现故障时，自动分析故障原因，提供故障处理指导意见。

5 运用效果

具备远程故障诊断电动脱轨器系统，经过在国能铁路装备有限公司准格尔车辆维修分公司点岱沟列检作业场半年多的应用，有效提高了设备检修工作的效率，设备故障处置时间比原来缩短50%以上，设备无故障时间增加了25%，无形中提高了电动脱轨器的安全性、可靠性，减少了因为脱轨器故障对铁路货运秩序的影响，提升企业经济效益，具备一定的推广价值。